CN1499176A - 利用多个驱动信号变种的基于换能器的传感器系统 - Google Patents
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Abstract
一种传感器系统(10)，它包括：多个换能器组(12)，每个换能器组(12)具有多个换能器(12a，12b，12c，12d)。每个组(12)的换能器(12a，12b，12c，12d)适合于被置于与样品材料(14)有效贴近的位置。在每个换能器组(12)中，每个换能器(12a，12b，12c，12d)都可以通过把本机振荡器信号的不同相移变种(30a，30b，30c，30d)加到该换能器上来启动。这样配置该传感器系统、以便对于每个换能器组、在输出处理时选择性地采用本机振荡器信号的相移变种(30a，30b，30c，30d)来抑制在同时激励的各换能器之间发生的换能器交叉干扰。
Description
技术领域
本发明涉及传感器系统，更具体地说，涉及包括多个换能器组、每个换能器组包括多个换能器的传感器系统。
背景技术
换能器装置用在各种应用中在电系统和机械系统之间转换能量。例如，石英晶体微量天平(QCM)就是采用各种结构的压电换能器来实现检测功能的一种基于换能器的技术。QCM技术利用了换能器的谐振频率通常随换能器的有效质量而改变这一事实。于是，当部分样品材料粘附在换能器上时，相对于预定的基准，监测振动质量的谐振频率，就可检测粘附的样品材料的质量。
一种有关的技术是断裂事件扫描(REC)，其中，采用换能器产生机械能，使样品材料中的结合破裂。除了提供能量使结合破裂外，换能器还可用作传感器来分析当结合破裂时可能发生的声学事件(例如压力波)。不同类型的结合具有可产生与众不同的声学事件的独特性能。利用各种技术来研究这些声学事件，就可以鉴别和分析这些结合。
上述的换能器系统通常采用多个特殊的换能器。换能器常设置成阵列，采用某种类型的机械悬挂件将换能器悬挂在与系统基底或其它静止元件相对的适当位置。
虽然许多先有的系统具有多个换能器，但在任何给定时间，通常只有一个换能器被激励。或者，如果多个换能器同时被激励，被激励的各换能器通常要分开相当大的物理距离。原因就是当物理位置邻近的换能器同时激励时发生不希望有的信号耦合。
一种不希望有的耦合起因于在QCM和RES应用中常用在水合生物样品的液体。当一槽液体漫延到多个换能器，或甚至在多换能器配置中对每个换能器采用单独的液体槽，一个换能器产生的机械振动能通过液体(以及通过介入结构)传输到系统中的其它换能器上。于是，当所述各换能器同时被激励时，第二个换能器所检测的电信号就包括了由第一个换能器的振动产生的干扰。把换能器保持在适当位置的机械悬挂也会将振动从一个换能器传送到另一个换能器，即使这种悬挂通常设计成尽可能减少这种效应。最后，当物理位置接近的换能器同时被激励时，寄生电容和其它的间接电耦合也会产生干扰。
由于先有系统通常不提供物理位置接近的换能器的同时激励，所以，它们的处理速度有限，且在需要多个换能器同时工作的应用中不能提供满意的性能水平。
发明内容
根据本发明的一个方面提供一种传感器系统。所述传感器系统包括多个换能器组，每个换能器组包括多个换能器。每组的所述各换能器适合于设置成与样品材料有效贴近。这样配置传感器系统、使得在每个换能器组中每个换能器都配置成通过接收本机振荡器信号的不同的相移变种来启动。还这样配置传感器系统、使得对于每个换能器组、在输出处理时选择性地采用本机振荡器信号的相移变种来抑制在同时激励的换能器之间发生的换能器交叉干扰。
附图说明
图1是基于换能器的传感器系统的实施例的示意图；
图2是包括多个换能器组的换能器阵列的实施例的示意图，所述换能器组可类似于图1所示的换能器组进行配置；
图3叙述按照本发明的多换能器检测方法的示范的实施方案，其中可以同时使用多个换能器。
具体实施方式
图1示出示范的传感器系统10，它包括由换能器12a，12b，12c，和12d组成的换能器组12。所述各换能器可以设置成与诸如样品14的测试材料接触或紧密贴近。可以以蔓延在多个换能器上的连续样品的形式来提供测试材料，也可作以槽、储器或容器中与每个换能器相关联的单独部分14a，14b，14c，和14d的形式来提供测试材料，如所示实例中那样。通常，换能器与例如振荡器子系统16的信号发生器相连接，通过信号发生器将激励信号加到换能器上。换能器通常也与适合于促进检测功能的其它电子元件相连接，以下将作详细说明。
图示的换能器可以采取各式各样的配置，并且可以根据需要和适合于指定的应用场合，以不同的尺寸和形状、用不同的材料来实现。在一些实施例中，所述换能器以压电晶体阵列的形式、或以声表面波器件阵列、表面分离体波器件(surface-skimming bulk wavedevices)或乐甫(Love)波器件的形式在微芯片中实现。图2示出这种示范阵列20，它包括多个换能器组22。正如图1所示的示范组(即组12)的情况一样，图2所示的每个组可包括四个换能器。或者，在各个分组中也可采用任何其它切实可行的换能器数目。在单芯片实施例中，支持电子电路通常至少部分地与换能器处在同一芯片上。
再参考图1，从振荡器子系统16施加的激励信号可使换能器振动或进行其它运动。通常，换能器的运动不仅取决于激励信号的特性，也取决于换能器的物理特性和/或发生在换能器周围的物理现象。例如，换能器对给定的激励信号的响应取决于换能器的谐振频率。而谐振频率又随粘结到换能器上的质量而改变。于是，换能器的振动特性会受到粘结到换能器表面从而改变了换能器的有效质量的物质的影响。此外，在样品14中或在换能器表面上发生的现象也会影响换能器的运动。例如，化学键的破裂会产生声响事件(也称为声学事件)，这会对换能器的振动有影响。
在典型的实施例中，振动和其它运动可在输出线18a，18b，18c，和18d上产生电输出信号。分析这些信号就可产生有关样品14的有价值的信息。例如，这种分析可以产生关于部分样品是否粘结到换能器表面以及粘结程度等信息。例如，通过分析由断裂和其它事件产生的信号，可以获得关于样品是否含有某些类型的物质的信息。
在许多应用中，为了获得足够精确的检测，最好在任一指定的换能器输出线(例如，线18a，18b，18c，或18d)上的信号仅对应于与特定换能器相关联的或与在所述换能器最邻近处的样品14中发生的现象相关联的物理和电现象。但在实际上，不止一个换能器同时工作会在各换能器输出线上产生换能器交叉噪声成分。例如，在非理想的噪声系统中，输出线18a上的电信号会有因换能器12b，12c，或12d的运动而产生的成分。由于这些信号成分通常是不希望有的并且这些成分对应的换能器不是换能器12a，故可以称它们为换能器交叉噪声，或换能器交叉噪声成分。
在许多实施例中，利用机械悬挂件(未示出)把换能器(例如，换能器12a，12b，12c，和12d)相对于基底或其它静止结构(未示出)悬挂起来。通常，所述机械悬挂件连接到所有换能器，但设计成允许每个换能器独立运动。而且，悬挂件的结构具体设计成使这种独立性最大化、从而将串扰或换能器交叉耦合减至最小。虽然换能器基本上相互独立，但是，通过悬挂件结构还常有振动或其它运动的一些不希望有的换能器交叉耦合。例如，换能器12a的振动可能通过机械悬挂件耦合而在换能器12b中产生振动。这就使输出线18b上的电信号具有换能器交叉噪声成分。
通常，与换能器耦合的各种电路至少部分隔离，以便于获得每一个单独的换能器的无噪声的输出信号。但在实际中，在同时激励的换能器的电路之间常有不希望有的电耦合。例如，这可能是寄生电容、寄生互感和/或其它间接的电耦合的结果。例如，输出线18a和18b之间的寄生电容可能导致不希望有的噪声成分进入那些线上的信号中。
在许多情况下，需要采用样品14内或周围的液体。例如，在生物扫描系统中，可以采用液体来使各种类型的样品材料水合。通常，将液体设置在换能器阵列一侧的每部分样品材料内或周围，这样换能器阵列就有“湿侧”和“干侧”之分，如图1的实例所示。使用这样的液体环境是换能器交叉噪声的另一来源，如上所述。
如图1所示，振荡器子系统16可以配置成将振荡器信号的不同变种加到传感器系统10的其它元件上。通常，基本信号是正弦信号，子系统产生所述信号的许多相移变种供传感器系统10使用。正如以下将详细说明的，可以以输入信号的形式施加所述相移变种、以便在换能器中产生振动或其它运动。此外，以下也将详细说明，在处理换能器产生的输出信号时也可采用相移变种。
在所示实施例中，振荡器子系统16配置成输出本机振荡器(LO)正弦信号的四个不同的变种：(1)第一变种30a，它与LO同相，即，具有0°相移；(2)第二变种30b，它与LO具有90°的相位；(3)第三变种30c，它与LO具有180°的相移；以及(4)第四变种30d，它与LO具有270°的相移。这些相移变种通常具有与本机振荡器相同的频率，可分别称为0°变种、90°变种、180°变种和270°变种。
如图1所示，每个所述不同的相移变种可以以输入信号的形式加到对应的一个换能器上。在所示的实例中，0°变种加到换能器12a，90°变种加到换能器12b，依此类推。如下所说明的，在换能器上加不同的相移变种可以使输出处理子系统34能隔离并提取各换能器的输出信号，而没有上述的换能器交叉干扰。
为了抑制换能器交叉干扰，在许多情况下在处理换能器产生的输出信号时最好采用相同的相移变种。确实，示范的输出处理子系统34可以配置成采用所述相移变种来隔离并提取换能器的输出信号。
如在所示的实例中那样，输出处理子系统34可以包括关于每个换能器12a，12b，12c，和12d的相应的混频器部分(分别为36a，36b，36c，和36d)和低通滤波器(分别为38a，38b，38c，和38d)(LPF)。虽然图中所示为单个装置，但各混频器装置可统称为混频器，各滤波器装置可统称为滤波器。确实，各个装置可以合并成一个或多个单个元件，用以处理多个信号。滤波器可用多种结构实现，包括具有无源和/或有源滤波器元件的结构。例如，滤波可以用无源RC网络进行。此外，或者，也可以采用有源元件、例如数字信号处理器来提供滤波。可以基于输入信号的频率和/或相位来进行滤波。确实，在某些实施例中，采用数字信号处理器来进行线性相位处理，以便抑制不希望有的信号成分。为获得所需的信号隔离，数字信号处理器可配置成：对于给定的换能器输出信号，去掉任何异相的稳态成分。
下面将说明所示输出处理子系统示范的的工作方式。具体参考换能器12a，所述换能器可以通过施加本机振荡器正弦信号的0°变种来激励。这就造成了换能器的运动。如上所述，换能器的运动可取决于除输入驱动信号之外的各种因素。例如，部分样品14可能粘结到换能器的表面。这样得到的质量改变(即，与未加载状态相比)会导致换能器12a振动的谐振频率的改变。此外，各种“声学”或“声响”事件也会影响换能器12a的运动。例如，在换能器表面或附近的断裂事件(例如，部分样品14从换能器上的粘结位置脱开，或样品14内的化学键断裂)都会产生作用于换能器上的压力波。
换能器12a的各种不同运动都对出现在输出线18a上的输出信号有影响。如上所述，在多数情况下，最好输出线18a上的信号仅反映换能器12a的物理特性和/或紧靠换能器12a的样品14中发生的事件。但是，如果除换能器12a外的换能器都同时激励，那么，线18a上的信号通常就会包括换能器交叉噪声(即，由其它工作的换能器造成的噪声)。
例如，如上所述，在许多实现方案中，换能器12a和12b(以及12c和12d)借助于共用的机械悬挂件有效地耦合到静止的基底上。假定是一个非理想的机械悬挂件，换能器12a的振动会引起换能器12b振动，和/或反之亦然，这又构成了线18a和18b上电信号的噪声成分。噪声成分也可以由于在液体样品中传播的压力波而产生、由于换能器支持电路中的间接电耦合而产生，如上所述。
在许多先有系统中，避免这些噪声问题的方法是：每次仅激励一个换能器，或者确保同时激励的换能器相互间隔开、以便削弱噪声成分。但这会限制传感器系统的处理能力。例如，限制对换能器的激励通常会限制传感器系统的速度。例如，在生物扫描应用中，使用这样的传感器系统会减慢扫描操作并产生其它处理瓶颈。
当在同一区域的多个换能器同时激励时，如上所述的使用基本驱动信号的不同相移变种有利于获得基本上无噪声的输出信号。再参考换能器12a及其支持电路，线18a上的信号和作为输入驱动信号而加到换能器12a的相同的相移信号30a(0°变种)一起加到混频器部分36a。利用用于驱动换能器的同一变种可以称为输出处理子系统34中的“同步”配置，因为所述变种通常与线18a上的换能器输出信号同步。在36a部分的混频产生了和频率以及差频率，它们由LPF 38a选择性滤波。LPF 38a调谐到仅能通过对应于换能器12a的频率和相位范围。所以在输出线40a上的结果信号基本上没有换能器交叉噪声。
如上所示，可能会发生某种换能器交叉噪声耦合。但是，换能器驱动信号之间预定的相位差使来自其它换能器的噪声具有与所需的基本输出信号有区别的电特性。所述噪声信号的特性使得可以通过在滤波器38a，38b，38c和38d发生的与频率/相位有关的滤波很容易地将噪声所述抑制或去除。例如，假定同时利用换能器12a和12b的各自的相移振荡器变种(例如变种30a和30b)来激励换能器12a和12b。换能器12a的运动，通过样品14中液体所发生的或通过换能器机械悬挂件所发生的压力波耦合，会在换能器12b中产生噪声运动。这将使线18b上的电输出信号具有噪声。此外，或者，寄生电容也可能将噪声耦合到输出线上。但是，用于每个换能器的振荡器信号之间的相位差可以使这种噪声成分以很容易从输出信号中滤除的方式出现。
更具体地说，在某些多换能器实施例中，采用周期信号的不同变种可使任何“非纯”(例如，有噪声)的换能器输出信号具有与无噪声的基本输出信号相区别的频率成分。例如，没有噪声时，指定的输出线上的信号通常具有的频率与基本本机振荡器信号的频率相近或相同。由于指定组内的不同换能器用本机振荡器的不同相移变种来驱动，所以它们的振动输出在时间上就会相互参差不齐。于是，如果不止一个换能器的振动对任何指定的换能器的输出线上的输出信号有影响，那么，所得到的有噪声的输出信号会具有高于无噪声输出信号的频率成分。然后通过混频器部分和基于频率/相位的滤波的联合操作来滤除所述噪声成分。
如上所述，可以用许多不同的方式来实现不同的驱动信号变种的使用。图示的实施例可以例如扩展到多于或少于四个驱动信号变种，所述驱动信号变种的相位均匀分布在基本振荡器信号周期。假定修改后的系统有N个换能器，则可以利用N个相应的驱动信号变种(每一变种用于一个换能器)来实现所述修改后的系统。驱动信号变种可以与本机振荡器有0°，(1/N*360)°，(2/N*360)°，...以及((N-1)/N*360)°的相位差。
向换能器提供信号变种的驱动信号电路也可以用许多不同的方式实现。如图1所示，每个换能器组12可以配备有专用于该换能器组的振荡器子系统16。此外，或者，可以设置全局振荡器发生器96(图2)，以便通过复用、转换和/或其它装置/方法，向各换能器组22提供振荡器信号(及其变种)。
现参考图3说明基于换能器的传感器方法。所述方法可以用多种不同方式实现。以下的说明仅是说明性实例。如图3的60所示，所述方法的示范性实施方案包括将周期信号的第一相移变种加到一个换能器上。所述实施方案还包括将周期信号的第二个不同的变种加到另一个换能器上，如62所示。正如上述实施例的情况一样，在需要和合适的情况下，可以把更多的变种用于指定的应用场合，如64所示。
如上所述，信号变种之间的差异通常会使与两个换能器相关联的信号具有不同的特性。这又会使噪声输出信号(例如，其成分与不止一个换能器相关联的信号)具有与无噪声信号不同的特性。通常，噪声信号和无噪声信号之间的差异表现为频率或频率范围的差异，因此可以通过带通滤波很容易地进行噪声抑制。确实，图示实施方案包括(在66)根据频率对输出信号进行滤波以便去除换能器交叉噪声。而且，如上所述，除了或替代基于频率的滤波外，还可采用相位鉴别法。
显然，所示实施方案可以扩展到多于两个换能器和两个相应的驱动信号变种。例如，和上述示范系统中的情况一样，在利用四个换能器的换能器组的正交方案中，常需要采用四个信号变种(例如，与基本信号分别有0°，90°，180°和270°的相移)。确实，应当指出，所述方法可以结合上述系统来实现，故可以根据在那些系统中所采用的各种不同配置来更改所述方法。但是，显然，本方法广泛适用，不需要结合上述具体的系统来实现。
显然，上述系统和方法适用于需要获得各换能器的相对无噪声的输出信号的各种多换能器应用场合。如上述具体的示范性实施方案所示，将驱动信号的多个变种加到系统中不同的换能器上。利用驱动信号的不同变种就可使来自不同换能器的信号成分具有不同的特性。这样就又便于通过使用滤波或其它技术来抑制噪声分量。
虽然已经具体地图示和说明了本发明的实施例，但是，本专业的技术人员会理解，可以作出许多更改而不会背离在以下权利要求书中所定义的精神和范围。应当把本发明的说明书理解为包括所有新颖的和非明显的上述元件的组合，且对于这些元件的任何新颖的和非明显的组合，在本申请和以后的申请中都可以提出权利要求。权利要求中提到的“一个”或“第一个”元件或类似词语，所述权利要求应理解为包括一个或多个这种元件，既不需要也不排除两个或多个这种元件。
Claims (10)
1.一种传感器系统(10)，它包括：多个换能器组(12)，每个换能器组包括多个换能器(12a，12b，12c，和12d)，配置成处在与样品材料(14)有效贴近的位置，其中，每个换能器组中的每个换能器都配置成通过接收本机振荡器信号的不同的相移变种(30a，30b，30c，和30d)来启动，并且其中这样配置所述传感器系统(10)、以便在输出处理期间选择性地采用所述本机振荡器信号的所述相移变种(30a，30b，30c，和30d)来在抑制同时激励的各换能器之间发生的换能器交叉干扰。
2.如权利要求1所述的传感器系统(10)，其特征在于还包括振荡器子系统(16)，所述振荡器子系统配置成产生相移变种(30a，30b，30c，和30d)并将它们加到每个换能器组(12)的所述换能器(12a，12b，12c，和12d)上，其中在每个换能器组中，与所述本机振荡器信号的相位差为0°的变种(30a)加到第一换能器(12a)，与所述本机振荡器信号的相位差为90°的变种(30b)加到第二换能器(12b)，与所述本机振荡器信号的相位差为180°的变种(30c)加到第三换能器(12c)，而与所述本机振荡器信号的相位差为270°的变种(30d)加到第四换能器(12d)。
3.如权利要求2所述的传感器系统(10)，其特征在于：每个换能器组(12)仅包括四个换能器。
4.如权利要求1所述的传感器系统(10)，其特征在于：在每个换能器组(12)中，所述本机振荡器信号的每个所述相移变种(30a，30b，30c，30d)与在所述换能器组中采用的至少另一个所述相移变种正交。
5.如权利要求1所述的传感器系统(10)，其特征在于：每个换能器组(12)包括输出处理子系统(34)，所述输出处理子系统配置成将所述换能器组(12)中每个所述换能器(12a，12b，12c，12d)的输出信号隔离，其方法是滤除由所述换能器组中其它同时激励的换能器引起的信号成分。
6.如权利要求5所述的传感器系统(10)，其特征在于：对于每一个换能器组(12)中的每个换能器(12a，12b，12c，12d)，所述换能器由所述相移变种(30a，30b，30c，30d)之一驱动，并且在所述换能器的输出信号通路中采用同一个相移变种来促进滤除由所述换能器组中其它同时激励的换能器引起的信号成分。
7.如权利要求6所述的传感器系统(10)，其特征在于：每个换能器组(12)包括四个换能器，所述四个换能器由不同的相移变种(30a，30b，30c，和30d)驱动，所述各相移变种与所述本机振荡器信号的相位差分别是0°、90°、180°和270°。
8.一种基于换能器的传感器方法，所述方法包括：向换能器阵列提供本机振荡器信号的多个不同的相移变种，其中所述提供操作包括：将所述相移变种中的第一相移变种加到(60)所述阵列中的第一换能器；将所述相移变种中的第二相移变种加到(62)阵列中的第二换能器；以及对来自所述阵列中各个换能器的输出信号进行滤波(66)，其中所述滤波操作是根据频率和相位中的至少一个来进行的，以便去除包含换能器交叉噪声的信号成分。
9.一种基于换能器的传感器系统(10)，它包括：包含配置成处在与样品材料(14)有效贴近的位置的多个换能器(12a，12b，12c，12d)的换能器阵列；与所述换能器阵列以有效的方式耦合并且配置成将本机振荡器信号的相移变种(30a，30b，30c，和30d)加到所述多个换能器(12a，12b，12c，12d)上的振荡器网络，其中至少所述多个换能器中的一些换能器利用所述本机振荡器信号的不同相移变种启动；以及输出处理子系统(34)，所述输出处理子系统配置成对从所述换能器阵列中各个换能器(12a，12b，12c，12d)接收的输出信号进行滤波，其中所述输出处理子系统(34)配置成根据频率进行所述滤波操作以便从所述输出信号中去除换能器交叉噪声成分。
10.一种基于换能器的传感器系统(10)，它包括：用于向换能器(12a，12b，12c，12d)的阵列提供本机振荡器信号的多个不同相移变种(30a，30b，30c，30d)的装置，其中该装置包括用于将所述各相移变种中的第一相移变种(30a)加到所述阵列中的第一换能器(12a)上的装置和用于将所述各相移变种中的第二相移变种(30b)加到所述阵列中的第二换能器(12b)上的装置；以及用于对来自所述阵列中的各个换能器的输出信号进行滤波的装置，其中根据频率和相位中的至少一个来进行所述滤波操作以便去除包含换能器交叉噪声的信号成分。
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