CN205484408U - 基于声表面波技术的无线射频加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于声表面波技术的无线射频加速度传感器。包括：设置于压电基片上的声表面波器件、无线射频器件和力转换器件，其中，力转换器件，设置于压电基片的下表面，用于将物体加速度转换为外力作用于压电基片上；声表面波器件，设置于压电基片的上表面，用于将外力作用于压电基片产生的形变量转换为电信号；无线射频器件，设置于压电基片的上表面，与声表面波器件中的天线连接，用于接收和发射电信号。本实用新型解决了由于无法对加速度数值进行检测，导致的无法精确测量加速度的技术问题。

Description

基于声表面波技术的无线射频加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，具体而言，涉及一种基于声表面波技术的无线射频加速度传感器。

背景技术

振动信号通常是由一系列加速度信号相互叠加产生的，因此，利用加速度传感器便可以实现对振动信号的获取和识别。

目前，常用的加速度传感器的种类包括：压阻式、压电式、磁电式等。其中，压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，但其也具有温度效应严重、灵敏度低等缺点。而压电式加速度传感器因其结构简单、牢固、体积小、重量轻，加速度测量范围广、具有较强的抗外磁场干扰能力等优点，但其只适合测量高频变化量，且对后续的信号调理电路要求较高。上述两种加速度传感器均采用有线方式与后续处理电路相连，在现场应用中(尤其是应用于检测开关设备的动作时)，信号传输线会受到外界电磁的干扰，影响测量精度。

无线无源声表面波加速度传感器是一种基于声表面波射频识别技术的加速度传感器。其绝缘性好，不存在供电的安全隐患及更换电池的问题，无需后期的工程维护。此外，无源声表面波加速度传感器实现了固态化，直接输出频率信号、精度高、灵敏度高，特别是它采用了便于批量生产的半导体平面工艺制作，可靠性、一致性很好。

但是，在现有技术当中的无源声表面波加速度传感器，通常是通过测量反射栅与弹性元件及匹配网络共同构成闭合回路的改变，来判断振动加速度是否超过设定的阈值。因此，加速度传感器监测是离散的，无法通过单一的加速度阈值来监测振动状况，不能实时给出具体、精准的加速度数值。并且，还存在不能随时根据实际应用需求改变需要监测的加速度阈值等问题。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种基于声表面波技术的无线射频加速度传感器，以至少解决由于无法对加速度数值进行检测，导致的无法精确测量加速度的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种基于声表面波技术的无线射频加速度传感器，包括：设置于压电基片上的声表面波器件、无线射频器件和力转换器件，其中，力转换器件，设置于压电基片的下表面，用于将物体加速度转换为外力作用于压电基片上；声表面波器件，设置于压电基片的上表面，用于将外力作用于压电基片产生的形变量转换为电信号；无线射频器件，设置于压电基片的上表面，与声表面波器件中的天线连接，用于发射电信号。

进一步地，上述力转换器件包括：悬臂梁、质量块和固定块，质量块和固定块与悬臂梁固定连接，分别设置于悬臂梁同一侧的两端。

进一步地，上述声表面波器件包括：叉指换能器，设置于压电基片上表面的中心位置，与天线连接，用于输出电信号；反射栅，设置于叉指换能器的两侧，用于将外力作用于压电基片产生的形变量转换为电信号。

进一步地，上述反射栅包括：加速度反射栅，设置于叉指换能器的第一侧，用于确定加速度数值。

进一步地，上述反射栅还包括：温度反射栅，设置于叉指换能器的第二侧，用于确定环境温度数值。

进一步地，上述无线射频器件包括：天线和编码反射栅，其中，编码反射栅设置于叉指换能器与温度反射栅之间，用于存储预先设置的编码；天线用于发射叉指换能器输出的电信号。

进一步地，上述编码反射栅的编码方式至少包括：开关键控编码、脉冲位置编码、脉冲相位编码和脉冲位置与相位组合调制编码。

进一步地，上述无线射频加速度传感器包括：6组编码反射栅、2组温度反射栅和1组加速度反射栅。

进一步地，设置编码反射栅与叉指换能器间隔2000微米，温度反射栅与编码反射栅间隔1000微米，加速度反射栅与叉指换能器间隔7000微米。

进一步地，上述叉指换能器与加速度反射栅的孔径相同，编码反射栅和温度反射栅的孔径为叉指换能器的一半。

进一步地，上述叉指换能器的膜厚度为2600埃米。

进一步地，上述压电基片的材质为：铌酸锂、钽酸锂、石英晶体或者硅酸镓镧晶体。

在本实用新型实施例中，通过设置于压电基片上的声表面波器件、无线射频器件和力转换器件，其中，力转换器件，设置于压电基片的下表面，用于将物体加速度转换为外力作用于压电基片上；声表面波器件，设置于压电基片的上表面，用于将外力作用于压电基片产生的形变量转换为电信号；无线射频器件，设置于压电基片的上表面，与声表面波器件中的天线连接，用于发射电信号，达到了对于加速度量的无源化检测的技术效果，实现了对加速度数量进行检测，并通过无线射频器件进行发射的目的，进而解决了由于无法对加速度数值进行检测，导致的无法精确测量加速度的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种可选的基于声表面波技术的无线射频加速度传感器的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选的基于声表面波技术的无线射频加速度传感器的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的一种可选的基于声表面波技术的无线射频加速度传感器的结构示意图；以及

图4是根据本实用新型实施例的一种可选的基于声表面波技术的无线射频加速度传感器的时域图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种基于声表面波技术的无线射频加速度传感器的实施例，图1是根据本实用新型实施例的基于声表面波技术的无线射频加速度传感器，如图1所示，该无线射频加速度传感器包括：设置于压电基片10上的声表面波器件20、无线射频器件30和力转换器件40。

其中，力转换器件40，设置于压电基片10的下表面，用于将物体加速度转换为外力作用于压电基片10上；声表面波器件20，设置于压电基片10的上表面，用于将外力作用于压电基片10产生的形变量转换为电信号；无线射频器件30，设置于压电基片10的上表面，与声表面波器件20中的天线连接，用于接收和发射电信号

具体的，在上述设置于压电基片10上的声表面波器件20、无线射频器件30和力转换器件40中，通过力转换器件40根据待测加速度点的位移变化量以及相应的加速度，以外力的形式作用于压电基片10上，使压电基片10根据外力的大小而产生不同程度的形变。通过声表面波器件20对在压电基片10上产生的形变量进行采集，并转化为相应的电信号，进一步可以根压电基片10在单位时间内的变化率计算得到相应的加速度。最终由无线射频器件30对生成的电信号进行发射。从而达到了对于加速度量的无源化检测的技术效果，实现了对加速度数量进行检测，并通过无线射频器件进行发射的目的，进而解决了现有技术中由于无法对加速度数值进行检测，导致的无法精确测量加速度的技术问题。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，力转换器件40包括：悬臂梁401、质量块402和固定块403，质量块402和固定块403与悬臂梁401固定连接，分别设置于悬臂梁401同一侧的两端。

具体的，悬臂梁401结构一部分与底外壳通过固定块403连接，另一端悬空，并且在悬空侧的悬臂梁401下部连接质量块402。不管有无加速度输入，悬臂梁401与底座外壳通过固定块403连接的悬臂梁4结构不发生弯曲。当有加速度输入时，质量块402本身具有的惯性和相对于固定块403的惯性力矩，使得悬臂梁401绕固定块403挠曲变形，导致声表面波器件20的反射栅响应发生相位变化，从而根据测量相位的变化，得到待测加速度点的加速度。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，悬臂梁401、质量块402和固定块403的厚度相同，悬臂梁401、质量块402和固定块402分立制作，最后将质量块402和固定块402分别粘接于在的悬臂梁401第一侧,压电基片10固定于悬臂梁401的第二侧。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，在悬臂梁401的第二侧的两端位置，可以设置吸声胶404。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，声表面波器件20包括：叉指换能器201和反射栅203。

其中，叉指换能器201，设置于压电基片10上表面的中心位置，与天线301连接，用于输出电信号；反射栅203，设置于叉指换能器201的两侧，用于将振动转换为电信号。

作为一种可选的实施方式，叉指反射器201的电极和反射栅203的电极材质可以采用：铝、铜、铂、铱或者金。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，反射栅203包括：加速度反射栅2031，设置于叉指换能器201的第一侧，用于确定加速度数值。

作为一种可选的实施方式，反射栅203还包括：温度反射栅2033，设置于叉指换能器的第二侧，用于确定环境温度数值。

具体的，利用声表面波延迟线接触测温点，由于热胀冷缩，将导致声表面波延迟线连接的温度反射栅响应发生相位变化，从而根据测量相位的变化量，计算得到待测温度点的温度值。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，无线射频器件30包括：天线301和编码反射栅303，其中，

编码反射栅303设置于叉指换能器201与温度反射栅2033之间，用于存储预先设置的编码；天线301用于发射叉指换能器201输出的电信号。

作为一种可选的实施方式，在实际应用当中，叉指换能器通过天线收到阅读器发出的询问脉冲信号，向两侧发出声表面波信号，一侧声表面波信号遇到编码反射栅返回编码信号，遇到温度反射栅返回温度信号，另一侧声表面波信号遇到加速度反射栅，返回加速度信号和温度信号，叉指换能器将所有返回的信号再通过天线发送回阅读器。

作为一种可选的实施方式，上述编码反射栅303的编码方式至少包括：开关键控编码、脉冲位置编码、脉冲相位编码和脉冲位置与相位组合调制编码。

作为一种可选的实施方式，在上述无线射频加速度传感器中，包括：6组编码反射栅303、2组温度反射栅2033和1组加速度反射栅2031。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，设置编码反射栅303与叉指换能器201间隔2000微米，温度反射栅2033与编码反射栅303间隔1000微米，加速度反射栅2031与叉指换能器201间隔7000微米。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，叉指换能器201与加速度反射栅2031的孔径相同，编码反射栅303和温度反射栅2033的孔径为叉指换能器201的一半。

作为一种可选的实施方式，叉指换能器201的膜厚度为2600埃米。

作为一种可选的实施方式，压电基片10的材质为：铌酸锂、钽酸锂、石英晶体或者硅酸镓镧晶体。

作为一种可选的实施方式，在实际应用当中，无线射频加速度传感器中，共包含6组编码反射栅、2组温度反射栅和1组加速度反射栅，通过上述无线射频加速度传感器生成的感应信号中，如图3所示，共包含6个ID编码信息的时域脉冲，2个温度信息的时域脉冲和1个加速度信息的时域脉冲，可以从反馈时域信号中提取正常的反射峰对应的时域时延/相位响应。其中，悬臂梁优选采用ST石英晶体，叉指频率选可以在433MHz的ISM频段内。叉指换能器的膜厚2600埃米，左边共设置6个RFID编码反射栅，RFID编码反射栅中各个反射删距离叉指换能器最左边的叉指的距离依次为d1=2000um，d2=2400um，d3=2800um，d4=3200um，d5=3600um，d6=4000um，温度反射栅中的各个反射删距离叉指换能器最左边的叉指的距离依次为d7=5000um，d8=5400um。加速度反射栅距离叉指换能器最右边的叉指的距离为d9=7000um。当安装上质量块后，有加速度输入时，6个ID编码信息的时域脉冲，2个温度信息的时域脉冲在相同温度环境下时，相位不发生改变，而加速度反射栅由于发生和加速度相对应的形变，导致时域脉冲发生相信相位变化，经过温度相位补偿后，通过与已知拟合的相位变化与加速度的关系曲线，即可得到当前状态下的加速度值。

在上述可选实时例中，时域反射系数的响应曲线如图4所示，上述无线射频加速度传感器的静态时域图中先可忽略质量块对悬臂梁的固有作用力。通过天线发射的波形中9个反射峰与9个反射栅一一对应。其中，与编码反射栅和温度反射栅对应的反射风峰具有较为均一的损耗与信噪比，响应时域损耗为40～47dB。第1反射峰到第9个反射峰分别来自于编码反射栅、温度反射栅和加速度反射栅，编码反射栅中应的第一个反射峰的时延为1345ns，第二个反射峰对应时延为1558 ns，第三个反射峰对应时延为1784 ns，第四个反射峰对应时延为2000 ns，第五个反射峰对应时延为2207ns，第六个反射峰对应时延为2430 ns，温度反射栅中第一个反射峰对应时延为3250 ns，第二个反射峰对应时延为3465ns，加速度反射栅反射峰对应时延为4513 ns。通过对上述时延信号进行处理，可提取相应的ID、温度和加速度参数。

作为一种可选的实施方式，当压电基片为ST-X石英压电材料时，压电基片的膜厚为0.2um，中心频率为433MHz，相应的声表面波波长为7.2um，叉指指条宽度为 1.8um，叉指指条间隔为1.8um，叉指指条长度为440um，叉指换能器孔径400um，叉指换能器20对，反射栅的指条对数都为55对，处于短路状态。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于声表面波技术的无线射频加速度传感器，其特征在于，包括：设置于压电基片上的声表面波器件、无线射频器件和力转换器件，其中，

所述力转换器件，设置于所述压电基片的下表面，用于将物体加速度转换为外力作用于所述压电基片上；

所述声表面波器件，设置于所述压电基片的上表面，用于将外力作用于所述压电基片产生的形变量转换为电信号；

所述无线射频器件，设置于所述压电基片的所述上表面，与所述声表面波器件中的天线连接，用于接收和发射所述电信号。

2.根据权利要求1所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述力转换器件包括：悬臂梁、质量块和固定块，所述质量块和所述固定块与所述悬臂梁固定连接，分别设置于所述悬臂梁同一侧的两端。

3.根据权利要求2所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述声表面波器件包括：

叉指换能器，设置于所述压电基片上表面的中心位置，与所述天线连接，用于输出所述电信号；

反射栅，设置于所述叉指换能器的两侧，用于将外力作用于所述压电基片产生的形变量转换为所述电信号。

4.根据权利要求3所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述反射栅包括：

加速度反射栅，设置于所述叉指换能器的第一侧，用于确定加速度数值。

5.根据权利要求4所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述反射栅还包括：

温度反射栅，设置于所述叉指换能器的第二侧，用于确定环境温度数值。

6.根据权利要求5所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述无线射频器件包括：所述天线和编码反射栅，其中，

所述编码反射栅设置于所述叉指换能器与所述温度反射栅之间，用于存储预先设置的编码；

所述天线用于发射所述叉指换能器输出的所述电信号。

7.根据权利要求6所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述编码反射栅的编码方式至少包括：开关键控编码、脉冲位置编码、脉冲相位编码和脉冲位置与相位组合调制编码。

8.根据权利要求6所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述无线射频加速度传感器包括：6组所述编码反射栅、2组所述温度反射栅和1组所述加速度反射栅。

9.根据权利要求8所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，设置所述编码反射栅与所述叉指换能器间隔2000微米，所述温度反射栅与所述编码反射栅间隔1000微米，所述加速度反射栅与所述叉指换能器间隔7000微米。

10.根据权利要求9所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述叉指换能器与所述加速度反射栅的孔径相同，所述编码反射栅和温度反射栅的孔径为所述叉指换能器的一半。

11.根据权利要求3所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述叉指换能器的膜厚度为2600埃米。

12.根据权利要求1至9中任意一项所述的无线射频加速度传感器，其特征在于，所述压电基片的材质为：铌酸锂、钽酸锂、石英晶体或者硅酸镓镧晶体。