CN1373557A - 谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统 - Google Patents

Abstract

谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统,包括传感部分和信号查询、接收及处理部分,其特征在于传感部分由谐振频率分布在相同或不同的频率点上的声表面波谐振器和不同延迟时间的延迟线构成的多个不相同编码排列的多个传感器或标识器单元放置在相同的或者不同的空间位置构成。在信号接收处理部分采用计算机控制可调本振的形式。本系统不仅有谐振式无源无线传感器距离远的优点,而且具有延迟型大规模编码的优点,还可用于无源无线的目标识别。

Description

谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统

                         技术领域

本发明属于声表面波传感技术领域，具体涉及一种用一个以上声表面波谐振器(包括双端口及单端口谐振器)和延迟线实现的无源多或者阵列传感器及标识器，以及用于无线信号查询及非接触获取、处理多个或阵列传感信号或标识器的系统。

                         技术背景

从上个世纪八十年代开始，美、德、日等国家开展了对声表面波无源无线传感器的研究，在已经发表的专利和技术文献中，报道了采用声表面波元件实现无源传感器的各种方法。由于声表面波谐振器较之其它类型的声表面波元件具有更高得品质因素(Q值)，特别适合于无源无线传感应用。例如专业文献1、Reindl Leonhard，Scholl Gerd，Ostertag Thomas等，“无源声表面波应答器用作传感器的理论和方法”/IEEE Transactions onUltrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control/1998，45(5)：1281-1291；文献2、A.Pohl，G.Ostermayer and F.Seifer，“用振荡器电路锁定远程高Q值声表面波谐振器的无线传感”/IEEE Trans.UFFC/vol.45，no.5，pp.1161-1168，1998；文献3、A.Springer，R.Weigel，A.Phol and F.Seifert，“用声表面波器件的无线识别和传感”/Mechatronics，/1999，No.9 pp745-756.上述文献都介绍了采用声表面波谐振器作为无源无线传感器的技术。图1是这些文献中报告的用于无源无线声表面波传感器信号查询、接收和处理的典型仪器系统原理框图。这个系统构成的特点在于，用于产生查询信号的本振的频率在使用中是不调整的，它固定在和用作传感器的谐振器频率范围内的一个频率点上。已有技术的一个典型特征就是一个传感器系统中只包含单个的用作传感器的声表面波谐振器。如果要使用多个这种无源无线声表面波谐振器式传感器，必须要使用多个信号查询、接收单元。所以这种方法，不适用于多传感器、大规模阵列传感器应用。这种系统电路结构复杂、控制灵活性较差。

声表面波谐振器用作传感器，被传感量主要引起谐振器自然谐振频率的变化。在专业文献Pohl Alfred，Ostermayer Gerald，Seifert Franz，“用振荡器电路锁定远程高Q值声表面波谐振器的无线传感”/IEEETransactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and FrequencyControl/1998，45(5)：1261-1268中，采用门控锁相环检测技术，锁定提取回波信号的振荡频率，并由此得到相应的传感信息。该系统电路复杂，难于调试和控制，并且闭环带宽窄，不能应用于传感器阵列所要求的宽频带控制。

为了能够识别在多传感器或者阵列传感器中的各个传感单元或者传感器，已有和公开报到的技术主要是采用编码器型声表面波器件。例如德国西门子公司在中国申请的发明专利(申请号：97117768.6)采用脉冲时间间隔编码。美国专利采用线性调频换能器的无源声表面波标识器(Passive SAW-IDTags Using Chirp Transducer，Patent Number：5469170，Nov.，21，1995)采用声表面波线性调频编码器。这些传感器系统的实现可采用和图一相似的信号查询、接收采集单元。其中采用线性调频编码时，图1中的本振必须是一扫频信号源。仪器系统运用传统雷达技术，采用外差接收机结构，通过对回波信号幅度、相位信息的提取得到多个被测参量或目标身份识别和传感信息。然而，在所有的编码标识器和传感器中，都仅仅利用收发间的时延和相位不同来编码，传感量也由时延和相位改变来确定。因此，信号较弱，传感量的变化非常小。

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，该系统不仅有谐振式无源无线传感器距离远的优点，而且，具有延迟型大规模编码的优点，还可用于无源无线的目标识别。

                        发明内容

本发明的总体构思是：用作传感器或标识器的无源声表面波谐振器经延迟线和天线连接，或者经过无源阻抗匹配网络和天线连接，直接从无线发射的查询信号中获取能量，并返回携带传感信息的射频信号。传感器或标识器本身不包含有源器件，无需电源(交、直流电源、电池等)供电。该传感器可用于传感温度、压力、应力、应变、加速度、流量等物理参量，也可以通过在敏感元件(声表面波谐振器)基片上，对声表面波传播路径覆盖选择性的化学吸附膜、生物膜来传感相应的物理及化学参量、生物参量。传感仪器系统用编码识别的方法，用同一仪器系统可以查询并获取在同一监测环境中的若干个这种敏感元件的传感信号，经过信号调理、转换获取传感信号，并用数字信号处理得到相应传感参量或标识器的输出。在同一个传感或标识器系统中用作敏感元件的谐振器的谐振频率分布可在不同的频率点上，也可工作在相同的频率点上。任何一个传感器和标识器的选定由编码信号决定，而谐振器在受到物理、化学、生物参量的影响反应为固有谐振频率的变化。

本谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统包括传感部分和信号查询、接收及处理两部分。其中，传感部分是用谐振频率分布可以相同也可不同的频率点上的声表面波谐振器和不同延迟时间的延迟线构成的多个不相同编码排列的多个传感器或标识器，放置在相同的或者不同的空间位置，各个传感器用于测量相同或者不同的被传感量，标识器则可自动识别被标识物体。

每一个编码谐振传感器或标识器单元可以是分离的声表面波和其它无源器件组成，也可在一个基片上加工而成单片结构。在分离结构中，最典型的由声表面谐振器、延迟线和天线相连，或者通过无源阻抗耦合匹配器件实现各部分的连接，如图2所示。延迟线的延迟时间将决定编码。单片结构可以有许多的形式，如图3和4。在图3中，IDT与不同距离的反射栅就构成了不同延迟时间的谐振器，IDT可以是一个频率点，也可以是多个频率点组成的扫频IDT，每组反射栅的工作频率可以是相同，也可不同，如图3中f₁、f₂、f₃。在图4中，传感器由天线、二极管组、单向叉指换能器、接收IDT和反射栅组成。天线接收的信号由二极管组控制流向，保证该信号加在单向叉指换能器上，在单向叉指换能器上激励的声表面波经基片单向传向接收IDT，声表面波在单向叉指换能器与反射栅间构成谐振器。接收IDT是一个可编码的IDT组，图中为PSK编码IDT(也可为其它编码)，当激励信号的激励编码与接收IDT的编码相同时，才能选通该接收IDT，将声表面波转换成电磁波，然后经二极管组加到天线上发射出去。

其信号的激励方式可以是间歇正弦信号、ASK信号、FSK信号和PSK信号，由于激励的不同，其响应也有所不同。其中，PSK信号有更强的抗干扰能力和更小的误码率。编码信号由延迟器件的延迟时间和谐振器振荡持续时间共同决定。在多个传感器的阵列系统中，谐振器振荡持续时间越长，信号的幅度越大。

整个系统可以是如下几种形式：如图5所示，传感部分的每一个声表面传感器通过无源阻抗匹配器件和一个延迟线、一副天线相连，与信号查询、接收及处理部分构成整个系统。也可以是传感部分由多个传感器共用一副天线，与信号查询、接收及处理部分构成整个系统，如图6所示。还可以是传感部分采用一个谐振器和多个延迟线相连后与一个或多个天线相连，与信号查询、接收及处理部分构成整个系统，如图7和8所示。

本系统的信号查询、接收及处理部分电路如图9示，它由计算机的输出接口连接一个可调本振，该可调本振依次连接功率放大器，接收发送开关和天线，发出查询信号，查询信号的回波经由天线和发送接收开关输入射频放大器，再依次连接带通滤波器和A/D转换器后接入计算机。

信号查询、接收及处理部分的另一种实现形式如图10所示，它包含两个本振，即除可调本振外，查询信号的回波经射频放大器后，还连接一固定本振和混频器，再依次连接低通滤波器、放大器、A/D转换器，最后接入计算机。这样，接收到的传感响应信号和一固定本振混频下变频后，再进行数字化。

这部分最好的实现方式如图11所示，它是在图10所示的基础上，在可调本振输出端也接一混频器，固定本振接于两混频器之间。两本振其中一个为固定频率振荡源，另一个为频率可以由计算机编程控制的可变频率、相位和幅度的振荡源。这样就可以通过计算机控制产生不同振荡频率、相位和幅度的查询信号，而在传感器端，只有响应范围包含查询信号频率和相位的传感器才有响应输出。因此，多(阵列)传感器中的各个传感器被传感仪器系统唯一识别。同时，声表面波传感器对无线查询信号的回波被接收后，经过和固定本振混频，通过低通滤波，实现了下变频，使得可以以低采样率采集传感数据，由计算机处理计算出相应的传感量值。

另外，本系统还可以用计数器代替电路中的模拟/数字转换器(A/D)实现传感信号的数字化。即接收到的信号经混频、放大后，输入到整形电路，产生的输出作为定时、计数器电路的输入，或者作为时钟信号，或者作为门控信号，计数器的输出输入到计算机。

本发明的实施步骤如下：

1.确定多(阵列)传感器系统中用作传感器(传感单元)的声表面波谐振器和延迟线的个数，并保证各个谐振器的在延迟时间上或工作频带无重叠。

2.这些谐振器和延迟线可以是独立的单个元件，即在不同的压电基片上，独立封装的元件；也可以是在同一压电基片上，分区域制作具有不同谐振频率或延迟时间的谐振器阵列。

3.每个传感器(或者传感单元)包含一个谐振器(谐振器单元)、延迟线、匹配网络和一副天线，谐振器的输入、输出端经延迟线和天线直接连接，或者再通过无源阻抗匹配元件和天线连接；也可以所有的、或者部分的传感器的输入输出端口连接在一起，和一个或者多个天线连接，或者通过无源阻抗匹配元件和一个或者多个天线连接；也可以采用一个谐振器经多个延迟线与一个或多个天线相连。

4.根据所选定的传感器(传感单元个数)和工作频带范围，确定仪器中可调本振的频率变化范围。可调本振的频率变化范围至少是从所有谐振器中的最低工作频率到最高工作频率。

5.根据传感器的结构的特点，确定发射的编码信号的形式，如采用间歇正弦信号和间歇PSK信号，并且决定接收端的对相位、幅度的延迟时间的测量方案和反映传感量变化的频率处理方法。不同的信号的延迟决定了各个传感器的编码，而谐振信号的频率的值反映了传感量的大小。

6.在查询传感信号时，计算机按照系统中的各个谐振器的工作频带，控制可以调节本振。在一个查询周期里，控制产生的查询信号的频率，在系统中一个谐振器的工作频带内。在图9、图10所示的系统中，查询信号的频率就是本振的频率；在图11所示的系统中，就是固定本振和可调本振的频率之和。在对应的接收周期里，接收到的回波信号来自工作频带覆盖这一频率的谐振器。

7.在下一个查询周期里，可以保持发射这一频率的查询信号，那么所有工作在这一频率点的传感器产生响应，但每一个传感器的响应时间延迟各不相同，根据延迟响应的不同可确定相同频率的不同传感器的值；也可以控制产生新的扫频查询信号，该频率是为跟踪由于传感量变化引起的谐振频率的变化，因此，查询信号是一个频率、相位和幅度都在变化的信号。

8.计算机可以在多个查询周期里，顺序产生不同频率的查询信号，捕捉并获取多传感器或者阵列传感器中所有传感器的传感响应；也可以连续若干个查询周期，只产生同一频率的查询信号，获取一个固定频率点附近传感器的传感响应。

本系统的优点是：传感器采用低损耗的谐振型声表面波器件和声表面波延迟线相结合，用间歇的PSK信号或其它间歇信号激励。其回波信号为一延迟的、幅度和相位都发生变化的特殊的PSK振荡信号或其它类型的振荡信号，其振荡信号的中心频率直接反映随温度变化的谐振型声表面波器件的固有频率，而振荡信号产生延迟的PSK信号可进行编码，接收系统可根据不同的传感器的回波延迟编码不同和固有频率的变化，区别出不同传感器的传感量的值。因此，该系统既有谐振式无源无线传感器距离远的优势，又有延迟型大规模编码的长处，能实现大规模阵列分布和较远距离的测量。

                        附图说明

图1为现有的典型的用于无源无线声表面传感器的信号查询、接收采集、处理系统原理框图。

图2是本系统传感部分的编码谐振传感器或标识器单元典型的分离结构图；

图3和图4是本系统的传感部分编码谐振传感器或标识器单元的单片结构图；

图5、图6、图7和图8是本系统的各种整体结构示意图；

图9为本系统信号接收与处理部分的一种实现方式的结构图。

图10为本系统信号接收与处理部分的另一种实现方式的结构图。

图11为本系统信号接收与处理部分的一种最优实现方式的结构图。

                       具体实施方式

实施例1：用空间离散分布的声表面波谐振器和延迟线实现无源无线多点温度传感。

采用图2、图5和图11所示的结构，选用谐振频率分布在业余无线电频段433MHz的声表面波谐振器用作温度敏感元件。若测量温度在-10℃-200℃之间变化，将引起谐振器的谐振频率在300KHz以内变化，因此在此发射时的频率区间为432.7MHz-433.3MHz。激励信号采用间歇周期为2ms的PSK信号激励，而传感器用50个相同的声表面波谐振器作为敏感元件，各个谐振器的端口通过不同延迟时间的延迟线1-延迟线50及匹配网络和天线连接。此系统中，固定本振选用谐振频率为432MHz的石英晶体谐振器，可调本振为一数字频率源，选用NI5401 16MHz PCI接口函数发生器，接入PIII600个人计算机中，它输出的正弦波频率在0到16MHz内连续可调，实际只在0到1.5MHz范围调节。A/D转换器选用NI5102 20Ms/s PCI接口数字化转换器，接入上述的个人计算机中。带通滤波器的通带是430MHz到440MHz；低通滤波器的通带是0到2MHz。功率放大器选用Max2601 DC-1GHZ+30dbm功率放大器，开关选用0-500MHz单刀双置开关，射频放器选用Max 2650 DC-微波段低噪声放大器。

实施例2：无线查询的声表面波阵列传感器

采用图3、图6和图11所示的结构，在同一压电基片上，分区域制作具有不同谐振频率的谐振器和不同延迟时间的延迟线。这些谐振频率相互间有一定的频率间隔。所有这些谐振器的端口经延迟线和同一副天线相连。该系统中，固定本振的振荡频率可选为大于(或者小于)所有的谐振器频率。可调本振为一频率可调的数字频率源，计算机控制可调本振自动捕捉所有谐振器对间歇正弦信号的反射响应。

Claims (8)

1.谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，包括传感部分和信号查询、接收及处理部分，其特征在于传感部分由谐振频率分布在相同或不同的频率点上的声表面波谐振器和不同延迟时间的延迟线构成的多个不相同编码排列的多个传感器或标识器单元放置在相同的或者不同的空间位置构成；信号查询、接收及处理部分是由计算机的输出接口连接一个可调本振，该可调本振依次连接功率放大器、接收发送开关和天线，发出查询信号，查询信号的回波经由天线和发送接收开关输入射频放大器，再依次连接带通滤波器和A/D转换器后接入计算机。

2.根据权利要求1所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于所述的每一个传感器或标识器单元是由分离的声表面波谐振器和无源器件组成。

3.根据权利要求2所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于所述的每一个传感器或标识器单元是由声表面波谐振器、延迟线和天线相连构成。

4.根据权利要求3所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于所述的每一个传感器或标识器单元是由声表面波谐振器、无源阻抗耦合匹配器、延迟线和天线相连构成。

5.根据权利要求1所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于所述的每一个传感器或标识器单元是在一个基片上加工而成的单片结构。

6.根据权利要求1所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于查询信号的回波经射频放大器后，还连接一固定本振和混频器，再依次连接低通滤波器、放大器、A/D转换器，最后至接入计算机。

7.根据权利要求6所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于在可调本振输出端也接有一混频器，固定本振接于两混频器之间。

8.根据权利要求1、6或7所述的谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于所述A/D转换其由整形电路和计数器取代，整形电路产生的输出作为定时、计数器电路的输入，或者作为时钟信号，或者作为门控信号，计数器的输出最后连接到计算机。

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