CN204202745U - 声表面波谐振器型振动传感器以及振动检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声表面波谐振器型振动传感器以及振动检测系统，所述声表面波谐振器型振动传感器，包括第一天线、匹配网络、反射栅、以及叉指换能器，至少所述反射栅以及叉指换能器设置在压电基片上，所述匹配网络包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，所述最佳匹配网络还并联有加速度检测电路，所述加速度检测电路包括若干个相并联的支路，在不同的加速度下并入所述最佳匹配网络的支路个数不同。本实用新型的声表面波谐振器型振动传感器，通过在匹配网络中设置加速度检测电路，电路结构简单，占用空间小，无需增加压电基片的面积，有利于节省成本。

Description

声表面波谐振器型振动传感器以及振动检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种声表面波传感器，具体地说，是涉及一种声表面波谐振器型振动传感器。 

背景技术

声表面波（SAW）传感器按芯片器件的功能可分为谐振器型和延迟线型。单端口声表面波谐振器即属于声表面波传感器类型中的一种，包含一个中心叉指换能器（IDT）以及对称分布叉指换能器两侧的反射栅，中心叉指换能器和分布两侧的反射栅用于构成一个声学谐振腔，叉指换能器用于进行声-电的相互转换。 

声表面波射频识别(RFID，Radio Frequency Identification) 技术是一种应用非接触式标签的技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。声表面波射频识别技术属于延迟线型声表面波传感器。 

在现代物流中，一些货物如陶瓷、玻璃制品、药品等，往往对振动较为敏感，当振动过于剧烈时会导致货物的损坏或失效。对这些货物进行运输过程中的振动状况需要实时监测。尤其需要记录在输运过程中是否发生了超过闽值的振动。一旦振动加速度超过了设定的闽值，记录相应货物发生超振动的发生时刻，或者向监控系统发出报警信号以便采取补救措施。 

专利公布号为CN102889923A的中国专利申请，公开了一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器及其应用，其采用的是声表面波射频标签（RFID）延迟线结构，进行振动加速度的测量。参见图1所示，所述的振动传感器包括声表面波器件和阅读器，声表面波器件包括第一天线301、压电基片1、叉指换能器2、反射栅和弹性元件，所述的第一天线301、叉指换能器2 和反射栅均设置在压电基片1 上，所述的第一天线301 与叉指换能器2 连接。弹性元件与测量反射栅连接并构成常开回路。当所感应的振动加速度超过所设定阈值，则测量反射栅与弹性元件及匹配网络共同构成闭合回路。该专利采用声表面波射频标签（RFID）延迟线结构，反射栅位于叉指换能器的一侧。该种结构的缺点是：1、通过将弹性元件设置在反射栅上，一个反射栅只能监测一个加速度值，当需要监测多个加速度值时，需要设置多个反射栅，相应的需要较大面积的压电基片用于安装反射栅，一方面提高了传感器的制造成本，另外一方面增加了传感器的体积，不适合市场对产品的小型化需求。2、声表面波延迟线结构具有双向能量损耗。声表面波向叉指换能器两侧传播能量时，由于声表面波RFID延迟线结构一侧没有反射栅，一侧的声表面波能量被损耗掉，另一侧声表面波能量随着反射栅距离叉指换能器越来越远，能量也不能高效地反射回叉指换能器，这样就带来插入损耗高的问题，相应的灵敏度和可靠性均会降低，其阅读器无线询问距离也会相应缩短。 

发明内容

本实用新型为了解决现有声表面波传感器占用体积大的技术问题，提供了一种声表面波谐振器型振动传感器。 

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现： 

一种声表面波谐振器型振动传感器，包括第一天线、匹配网络、反射栅、以及叉指换能器，至少所述反射栅以及叉指换能器设置在压电基片上，所述匹配网络包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，所述最佳匹配网络还并联有加速度检测电路，所述加速度检测电路包括若干个相并联的支路，在不同的加速度下并入所述最佳匹配网络的支路个数不同。

进一步的，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述最佳匹配网络组成的串联支路的两端。 

或者，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电容（C1）的两端。 

或者，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电感（L1）的两端。 

进一步的，所述压电基片以及在所述压电基片上设置的反射栅和叉指换能器组成的声表面波谐振器并联在所述第一电容（C1）的两端。 

或者，所述压电基片以及在所述压电基片上设置的反射栅和叉指换能器组成的声表面波谐振器并联在所述第一电感（L1）的两端。 

又进一步的，所述加速度检测电路的各支路上设置有弹性开关元件。 

再进一步的，所述弹性开关元件为弹簧或者簧片，所述弹簧或者簧片的形变方向上的加速度达到阈值时，所述弹簧或者簧片产生形变将其所在的支路导通。 

优选的，所述的加速度检测电路的各支路上串联有若干个电容和/或电感。 

基于上述的一种声表面波谐振器型振动传感器，本实用新型同时提供了一种声表面波谐振器型振动检测系统，包括阅读器、信号处理模块、以及振动传感器，所述阅读器上设置有第二天线，还包括如前面所述的声表面波谐振器型振动传感器。 

进一步的，还包括用于监控振动传感器反馈信号的监控平台，所示监控平台接收信号处理模块发送的信息。 

又进一步的，还包括与所示监控平台连接的报警装置。 

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的声表面波谐振器型振动传感器，通过在匹配网络中设置加速度检测电路，电路结构简单，占用空间小，无需增加压电基片的面积，有利于节省成本。 

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是现有技术中的一种振动传感器结构示意图； 

图2是本实用新型所提出的声表面波谐振器型振动传感器一种实施例结构示意图；

图3是图2中振动传感器的电路原理方框图；

图4是本实用新型所提出的声表面波谐振器型振动传感器中弹性开关元件的一种实施例结构示意图；

图5是图3中匹配网络的一种实施例电路原理图；

图6是图5中匹配网络电路的等效电路模型图；

图7是实施例三中谐振器等效电路模型图；

图8是本实用新型所提出的声表面波谐振器型振动检测系统的一种实施例系统方框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

实施例一，参见图2所示，本实施例提供了一种声表面波谐振器型振动传感器，包括第一天线101、匹配网络102、反射栅103、以及叉指换能器104，至少反射栅103以及叉指换能器104设置在压电基片105上，参见图3所示，匹配网络102包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，该最佳匹配网络还并联有加速度检测电路，加速度检测电路包括若干个相并联的支路，在不同的加速度下并入所述最佳匹配网络的支路个数不同。本实施例的声表面波谐振器型振动传感器的工作原理是：第一天线101接收激励信号，通过在匹配网络上增设加速度检测电路，当被测对象在某一方向上的加速度达到阈值时，加速度检测电路并入特定的该加速度相对应的支路，因此通过加速度检测电路在不同的加速度下并入网络的支路数不同，进而改变匹配网络接入至叉指换能器信号的中心频率，因此，信号经反射栅反射后由叉指换能器发射出去的信号中心频率相应改变，由于加速度检测电路在特定加速度下并入的支路是确定的，其所能够对信号中心频率的改变量也是相应确定的，通过检测振动传感器发出信号的中心频率，即可分析出加速度值。本实施例的声表面波谐振器型振动传感器，通过在匹配网络中设置加速度检测电路，电路结构简单，占用空间小，无需增加压电基片的面积，有利于节省成本。 

需要说明的是，匹配网络102在电路中的作用是，在例如本实施例的传感器无源无线测量中, 反射栅103以及叉指换能器104组成谐振器，谐振器需要与第一天线101进行阻抗匹配,将第一天线101接收的激励信号发送至谐振器，否则会造成极大的能量损耗,严重影响传输效率和信号的品质，因此在第一天线和谐振器间需要匹配网络，匹配网络一般由电感和电容并联组成。谐振器接收匹配网络发送的经过匹配的激励信号，叉指换能器进行电-声转换，产生声表面波向两边传播，声表面波遇到反射栅时产生反射，并进行叠加，会在谐振腔内形成驻波。谐振器在外部信号激励时存储能量，当外部激励信号撤出后，叉指换能器进行声-电转换，将谐振器响应信号释放出去。谐振器的组成结构简单，只需采用一个叉指换能器以及叉指换能器的两侧分别设置一个反射栅即可，占用压电基片的空间小。 

实施例二，本实施例给出了一种声表面波谐振器型振动传感器的一种电路原理图，参见图3所示，最佳匹配网络由第一电容C0和第一电感L0相并联组成，加速度检测电路并联在所述最佳匹配网络组成的并联电路的两端。 

作为一个优选实施例，所述加速度检测电路的各支路上设置有弹性开关元件。参见图4所示，弹性开关元件为弹簧或者簧片，弹簧或者簧片的形变方向上的加速度达到阈值时，该弹簧或者簧片产生形变将其所在的支路导通。当然，弹簧或者簧片所能使其所在支路导通的加速度阈值是固定的，而且，各支路上的弹性开关元件的阈值各不相同。 

加速度检测电路的各支路上串联有若干个能够使得信号中心频率发生变化的电容和/或电感。电容或电感的组合方式以及个数可以根据阅读器能准确读取谐振器中心频率变化需求设定。 

实施例三，本实施例给出了一种声表面波谐振器型振动传感器的一种电路原理图，参见图5所示，最佳匹配网络由第一电容C1和第一电感L1相并联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电感L1的两端。 

在本实施例中，加速度检测电路包括若干个并联的支路，其中，由左至右第一个支路由一弹性开关元件K1和一电容C2相串联，第二个支路由一弹性开关元件K2和一电感L2相串联，第三个支路由一弹性开关元件K3和电容C3以及电感L3相串联。本实施例中，弹性开关元件K1-K3均选取无源加速度传感器中的弹簧。弹性开关元件K1-K3与电抗性元件连接并构成常开回路。且三个弹性开关元件K1-K3水平方向临界加速度分别是a1 = 3g, a2 = 4g, a3 = 5g，当所感应的振动加速度达到某一弹性开关元件的设定阈值时，则该弹性开关元件与电抗性元件及匹配网络共同构成可闭合回路。比如当被测对象在水平方向上的振动加速度小于3g时，K1、K2、K3都处于断开的状态，测量的谐振中心频率不会发生变化。当被测对象在水平方向上的振动加速度大于3g并小于4g时，对应的K1处于闭合状态，形成闭合回路，K2、K3处于断开状态，由于匹配网络中的电抗元件值发生变化，导致测量的谐振中心频率发生了变化Δf1；当被测对象在水平方向上的振动加速度大于4g并小于5g时，对应的K1、K2处于闭合状态，形成闭合回路，弹簧K3处于断开状态，此时测量的谐振中心频率会发生变化Δf2；当被测对象在水平方向上的振动加速度大于5g时，对应的K1、K2、K3都处于闭合状态，形成闭合回路，此时测量的谐振中心频率会发生变化Δf3。 

参见图6所示，为该匹配网络组成结构为C′与L′串联，声表面波谐振器与L1并联。 

谐振器的通用近谐振器等效电路模型如图7所示，图7中Ｃ与Ｌ分别为由于压电基片弹性和惯性引起的动态电容和电感，Ｒ为阻尼引起的动态电阻，Ｃ0为叉指换能器的静态电容，Ｒ0为引线电阻。谐振器的等效电路参数包括Ｒ0，Ｒ，Ｌ，Ｃ，Ｃ0五个参数。 

谐振器的阻抗为Zeq1的计算方法为： 

                            （1）

                                     （2）

Zeq2为谐振器Zeq1与L1并联的阻抗值，因此

                                     （3）

整个结构的总阻抗值Zeq为Zeq2与电容C1串联值

                                             （4）

一般情况下，常用传输线的特性阻抗为50Ω，匹配点对应S11的中心频率，即幅度最小的频率，反射系数为：

                                     （5）

由公式（1~5）可得到S11与频率f的关系图，反射系数最小对应的频率即f取f0对应谐振器的中心频率。匹配网络中，电抗元件电容或电感的并入网络，会导致C1或L1的等效值改变，最终影响S11的曲线图，幅度最小的频率f0即为整个谐振器结构的中心频率会发生相应的改变。

同样道理的，若所述最佳匹配网络由第一电容C1和第一电感L1相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电容C1的两端。通过设置不同的加速度检测电路支路，改变C1的等效值，进而改变整个谐振器结构的中心频率。 

实施例四，本实施例基于实施例三中的一种声表面波谐振器型振动传感器，提供了一种声表面波谐振器型振动检测系统，参见图8所示，包括阅读器、信号处理模块、以及振动传感器，所述阅读器上设置有第二天线201，振动传感器上设置有第一天线101，两者通过天线进行通信，参见图2所示，振动传感器还包括匹配网络102、反射栅103、以及叉指换能器104，至少反射栅103以及叉指换能器104设置在压电基片105上，参见图3所示，匹配网络102包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，该最佳匹配网络还并联有加速度检测电路，加速度检测电路包括若干个相并联的支路，在不同的加速度下并入所述最佳匹配网络的支路个数不同。本实施例的声表面波谐振器型振动检测系统的工作原理是：阅读器通过第二天线201向振动传感器发送激励信号，振动传感器通过第一天线101接收激励信号，振动传感器在匹配网络上增设加速度检测电路，当被测对象在某一方向上的加速度达到阈值时，加速度检测电路并入特定的该加速度相对应的支路，因此在不同的加速度下并入匹配网络的支路数不同，进而改变匹配网络接入至叉指换能器信号的中心频率，因此，信号经反射栅反射后由叉指换能器发射出去的信号中心频率相应改变，叉指换能器104将谐振后的信号发送至阅读器，由阅读器将该信号发送至信号处理中心处理，信号处理中心根据外界环境温度，进行温度补偿后（外界环境的温度变化会对SAW谐振器传感器带来频率漂移），最终测得的谐振频率变化，由于加速度检测电路在特定加速度下并入的支路是确定的，其所能够对信号中心频率的改变量也是相应确定的，通过检测振动传感器发出信号的中心频率，即可分析出振动传感器的加速度值。 

为了实现对振动传感器的加速度进行监测，还包括用于监控振动传感器反馈信号的监控平台，所示监控平台接收信号处理模块发送的信息。此外，还包括与所示监控平台连接的报警装置。当振动传感器的加速度超过设定阈值时，进行报警提示。 

下面仍以实施例三中的振动传感器为例进行说明。 

参见图5所示，本实施例中的振动传感器的最佳匹配网络由第一电容C1和第一电感L1相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电感L1的两端，加速度检测电路包括若干个并联的支路，其中，由左至右第一个支路由一弹性开关元件K1和一电容C2相串联，第二个支路由一弹性开关元件K2和一电感L2相串联，第三个支路由一弹性开关元件K3和电容C3以及电感L3相串联。本实施例中，弹性开关元件K1-K3均选取无源加速度传感器中的弹簧。弹性开关元件K1-K3与电抗性元件连接并构成常开回路。且三个弹性开关元件K1-K3水平方向临界加速度分别是a1 = 3g, a2 = 4g, a3 = 5g，当所感应的振动加速度达到某一弹性开关元件的设定阈值时，则该弹性开关元件与电抗性元件及匹配网络共同构成可闭合回路。比如当被测对象在水平方向上的振动加速度小于3g时，K1、K2、K3都处于断开的状态，测量的谐振中心频率不会发生变化。当被测对象在水平方向上的振动加速度大于3g并小于4g时，对应的K1处于闭合状态，形成闭合回路，K2、K3处于断开状态，由于匹配网络中的电抗元件值发生变化，导致测量的谐振中心频率发生了变化Δf1，这时监控平台认为被测对象的振动状况处在可接受的正常范围内；当被测对象在水平方向上的振动加速度大于4g并小于5g时，对应的K1、K2处于闭合状态，形成闭合回路，弹簧K3处于断开状态，此时测量的谐振中心频率会发生变化Δf2，这时监控平台仍认为被测对象的振动状况仍处在可接受的正常范围内；当被测对象在水平方向上的振动加速度大于5g时，对应的K1、K2、K3都处于闭合状态，形成闭合回路，此时测量的谐振中心频率会发生变化Δf3，信号处理中心根据外界环境温度，进行温度补偿后（外界环境的温度变化会对SAW谐振器传感器带来频率漂移），最终测得的谐振频率变化，与已储存的加速度所对应的频率值信息进行比较处理，将处理结果反馈到监测平台，监测平台对反馈结果振动加速度进行监测，水平加速度超过了5g，出现加速度有异常变化，则报警装置会发出报警响应，报警方式采取常规的报警即可，比如，可以通过采用声光报警。 

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。 

Claims (12)

1.一种声表面波谐振器型振动传感器，包括第一天线、匹配网络、反射栅、以及叉指换能器，至少所述反射栅以及叉指换能器设置在压电基片上，其特征在于，所述匹配网络包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，所述最佳匹配网络还并联有加速度检测电路，所述加速度检测电路包括若干个相并联的支路，在不同的加速度下并入所述最佳匹配网络的支路个数不同。

2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述最佳匹配网络组成的串联支路的两端。

3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电容（C1）的两端。

4.根据权利要求1所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相并联组成，所述加速度检测电路并联在所述第一电感（L1）的两端。

5.根据权利要求2-4所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述压电基片以及在所述压电基片上设置的反射栅和叉指换能器组成的声表面波谐振器并联在所述第一电容（C1）的两端。

6.根据权利要求2-4所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述压电基片以及在所述压电基片上设置的反射栅和叉指换能器组成的声表面波谐振器并联在所述第一电感（L1）的两端。

7.根据权利要求1-4任一项所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述加速度检测电路的各支路上设置有弹性开关元件。

8.根据权利要求7所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述弹性开关元件为弹簧或者簧片，所述弹簧或者簧片的形变方向上的加速度达到阈值时，所述弹簧或者簧片产生形变将其所在的支路导通。

9.根据权利要求8所述的声表面波谐振器型振动传感器，其特征在于，所述的加速度检测电路的各支路上串联有若干个电容和/或电感。

10.一种声表面波谐振器型振动检测系统，其特征在于，包括阅读器、信号处理模块、以及振动传感器，所述阅读器上设置有第二天线，还包括如权利要求1-9任一项权利要求所述的声表面波谐振器型振动传感器。

11.根据权利要求10所述的声表面波谐振器型振动检测系统，其特征在于，还包括用于监控振动传感器反馈信号的监控平台，所示监控平台接收信号处理模块发送的信息。

12.根据权利要求11所述的声表面波谐振器型振动检测系统，其特征在于，还包括与所示监控平台连接的报警装置。