DE60015986T2 - Vorrichtung zum abfragen einer passiven fühleranordnung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren zum Abfragen einer passiven Fühleranordnung und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, ein Gerät und ein Verfahren zum Untersuchen einer passiven Fühleranordnung, die ein Oberflächenschallwellengerät (SAW) inkorporiert.
• Die Verwendung von Oberflächenschallwellengeräten zum Monitoring von Parametern, wie zum Beispiel Temperatur, Druck und Dehnung, ist wohlbekannt. Derartige Vorrichtungen bestehen aus einer Mikrostruktur, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist. Die Anordnung ist eingerichtet, um wenigstens ein Paar von verschachtelten kammartigen Elektroden zu bilden. Typischerweise werden die Elektroden aus Aluminium gefertigt (obgleich andere gute Leiter verwendet werden können) und weisen eine Dicke in dem Bereich von 100 Ångström auf. Das piezoelektrische Substrat wird typischerweise aus Keramik oder aus einem Quarzmaterial gefertigt.
• Bei Verwendung verursacht das Anlegen eines elektrischen Impulssignals an eine Elektrode des Elektrodenpaares, dass das angeschlossene SAW-Gerät als ein Wandler wirkt. Das elektrische Eingangssignal wird in eine Schallwelle umgewandelt, die über das Substrat zu der anderen Elektrode des Elektrodenpaares übertragen wird. Bei Eintreffen der Schallwelle an der anderen Elektrode wird der Umwandlungsprozess umgekehrt und ein elektrisches Ausgangssignal wird erzeugt. Dieses Ausgangssignal hat eine charakteristische Resonanzfrequenz, die von einer Reihe von Faktoren, einschließlich der Geometrie der Mikrostrukturanordnung (z. B. dem Abstand zwischen den verschachtelten Elektroden) abhängt. Da der Abstand der verschachtelten Elektroden innerhalb eines Elektrodenpaares, während das Substrat verformt wird, variiert (z. B. auf Grund von Temperaturschwankungen der Anwendung einer mechanischen Kraft), kann eine Änderung des Zustands eines SAW-Gerätes durch das Monitoring der Resonanzfrequenz bestimmt werden. Auf diese Art und Weise können Parameter, wie zum Beispiel Temperatur, Druck und Dehnung, die den Zustand des SAW-Gerätes beeinflussen, gemessen werden. Wenn beispielsweise die Temperatur eines SAW-Gerätes verringert wird, verringert sich das piezoelektrische Substrat in der Größe und die verschachtelten Elektro den bewegen sich näher aufeinander zu. Im Ergebnis erhöht sich die Resonanzfrequenz des SAW-Gerätes. Diese Erhöhung kann gemessen und kalibriert werden, um eine Anzeige der Temperaturänderung bereitzustellen.
• In Systemen zum Abfragen eines SAW-Gerätes nach dem Stand der Technik wird durch die Abfragevorrichtung ein Eingangssignal in Form eines Erregungsimpulses (typischerweise mit einer Periode von 10 μs) an eine der Elektroden des Gerätes angelegt, um die Resonanz zu initiieren.
• Der Beendung des Erregungsimpulses folgend, durchläuft das durch das SAW-Gerät erzeugte Ausgangssignal eine Übergangsphase, bevor es sich für einen kurzen Zeitraum auf der Resonanzfrequenz stabilisiert. In dem Zeitraum, den das Ausgangssignal zum Stabilisieren braucht, schaltet die Abfragevorrichtung von einem Signalübertragungsmodus auf einen Signalempfangsmodus um. Das Ausgangssignal des SAW-Gerätes kann dann durch die Abfragevorrichtung empfangen und adäquat analysiert werden, um auf diese Art und Weise die Ausgangssignalfrequenz zu bestimmen. Die Frequenz des Ausgangssignals ist gleich der Resonanzfrequenz des SAW-Gerätes.
• Jedoch können das Erfordernis, dem Ausgangssignal aus dem SAW-Gerät zu ermöglichen, sich zu stabilisieren und das Erfordernis, die Abfragevorrichtung zwischen dem Übertragungs- und Empfangsmodus hin- und herzuschalten, einen Untersuchungsvorgang unangemessen verlängern, insbesondere unter Umständen, bei denen eine große Anzahl von passiven Fühleranordnungen durch die gleiche Abfragevorrichtung abzufragen ist.
• Dies ist ein anerkanntes Problem bei den Systemen nach dem Stand der Technik.
• Das Dokument nach dem Stand der Technik, US 5.227.789 , legt ein Abfragesystem, das eine Durchlaufsignalquelle, die durch die Resonanzfrequenz eines passiven Gebers verläuft, verwendet, offen. Der passive Geber bildet eine geringe Impedanzlast, die mittels eines elektromagnetischen Nah- oder Induktionsfeldes magnetisch an eine Empfangsspule gekoppelt ist. Dadurch kann der passive Geber abgefragt werden.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gerät und ein Verfahren bereitzustellen, die die Resonanzfrequenz einer passiven Fühleranordnung auf eine bequeme und schnelle Art und Weise bestimmen können.
• Es ist außerdem ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gerät und ein Verfahren zum Abfragen von zwei oder mehr Fühleranordnungen, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen arbeiten, bereitzustellen.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein System bereit, das ein passives Oberflächenschallwellengerät und eine Vorrichtung zum Abfragen des Oberflächenschallwellengerätes umfasst, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Mittel zum Senden von Funksignalen mit einer Mehrzahl von Frequenzen mittels einer Antenne zu dem passiven Oberflächenschallwellengerät, Mittel zum Empfangen von Signalen von dem passiven Oberflächenschallwellengerät gleichzeitig mit dem Senden von Signalen, Mittel zum Vergleichen der empfangenen Signale mit den gesendeten Signalen, um eine charakteristische Änderung in der Beziehung zwischen den empfangenen Signalen und den gesendeten Signalen, die dann auftritt, wenn das passive Oberflächenschallwellengerät auf seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird, zu identifizieren und Mittel zum Ermitteln der Frequenz des gesendeten Signals in dem Moment, in dem der Vergleich anzeigt, dass das passive Oberflächenschallwellengerät auf seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird.
• Folglich überträgt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Ansteuersignal an ein passives SAW-Fühlergerät und empfängt gleichzeitig das Signal, das durch die Fühleranordnung in Reaktion auf das Ansteuersignal erzeugt wird. Das durch die Abfragevorrichtung empfangene Rücksignal wird dann mit dem gesendeten Signal verglichen. Das übertragene Signal und das empfangene Signal werden eine Phasenbeziehung aufweisen, die wenigstens teilweise durch die wechselseitigen Abstände des Gebers, des Empfängers und des Fühlers bestimmt ist. Für jeden bestimmten Abstand wird die Phasenbeziehung von der Phasenbeziehung zwischen dem Signal, das die Fühleranordnung ansteuert, und dem Signal, das durch die Fühleranordnung in Reaktion auf das Ansteuersignal erzeugt wird, abhängen. Diese Phasenbeziehung zwischen dem Ansteuersignal und dem durch die Fühleranordnung in Reaktion auf das Ansteuersignal erzeugten Signal wird sich bei der Resonanzfrequenz der Fühleranordnung ändern.
• Durch das Vergleichen des empfangenen Signals mit dem gesendeten Signal während die Frequenz des gesendeten Signals variiert, jedoch der Abstand zwischen dem Geber, dem Empfänger und der Fühleranordnung in Wesentlichen konstant bleibt, kann die Phasenänderung in dem durch die Fühleranordnung in Reaktion auf das Ansteuersignal erzeugten Signal detektiert werden. Die Frequenz, mit der der Geber die Fühleranordnung in dem Moment, in dem die Resonanz detektiert wird, ansteuert, wird die Resonanzfrequenz der Fühleranordnung sein und infolgedessen kann die Resonanzfrequenz, wenn die Resonanz wie zuvor beschrieben detektiert wird, durch das Ermitteln der Frequenz, mit der der Geber die Fühleranordnung ansteuert, direkt gewonnen werden.
• Vorzugsweise ist das gesendete Signal ein Funkfrequenzsignal, das mit einem durchlaufenden Bereich von Frequenzen, der die erwartete Resonanzfrequenz des passiven Oberflächenschallwellengerätes überspannt, frequenzmoduliert wird. Das gesendete Signal ist Idealerweise ein Funksignal, das Impulse mit einem sequenziellen Bereich von separaten Frequenzen, der die erwartete Resonanzfrequenz des passiven Oberflächenschallwellengerätes überspannt, umfasst. Des Weiteren kann das passive Oberflächenschallwellengerät eine Antenne enthalten. Vorzugsweise enthält das Gerät eine Einzelantenne sowohl zum Senden von Signalen zu dem passiven Oberflächenschallwellengerät als auch zum Empfangen des resultierenden Signals aus dem passiven Oberflächenschallwellengerät. Es ist ebenso erwünscht, dass der Vergleich der gesendeten und der empfangenen Signale ein Phasenvergleich ist. Ebenso kann der Vergleich der gesendeten und der empfangenen Signale ein Amplitudenvergleich sein. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich der gesendeten und der empfangenen Signale durch einen Homodynempfänger.
• Im Folgenden wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen
• 1 ein Blockdiagramm der Abfragevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und einer damit verbundenen passiven Fühleranordnung ist und
• 2 ein schematisches Schaltbild der Mittel zum Senden und Empfangen eines Signals ist.
• Die Grundstruktur der Abfragevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird als ein Blockdiagramm in der 1 der begleitenden Zeichnungen gezeigt. Die 1 zeigt die Abfragevorrichtung 1, die mit einer passiven Fühleranordnung 2, wie zum Beispiel einem SAW-Gerät, mittels Funksignalen kommuniziert. Dementsprechend sind sowohl die Abfragevorrichtung als auch die passive Fühleranordnung mit einer angemessenen Antenne 3 und 4 versehen. Obwohl in der 2 nur eine einzelne passive Fühleranordnung dargestellt ist, kann die Abfragevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eine Vielzahl von Fühleranordnungen, die desselben Typs oder nicht sein können, abzufragen. Beispielsweise können hohe „Q"-passive Fühleranordnungen (z. B. SAW-Geräte) in Verbindung mit tiefen „Q"-passiven Fühleranordnungen abgefragt werden.
• Die in der 1 gezeigte Abfragevorrichtung inkorporiert eine RF-Quelle 5 zum Erzeugen eines Funkfrequenzsignals. Die Betriebsfrequenzen der RF-Quelle können innerhalb der ISM-Frequenzbereiche (d. h. 868 MHz oder 2,45 GHz) oder andernfalls wie adäquat sein. Die Art des durch die RF-Quelle erzeugten RF-Signals wird durch einen adäquaten Prozessor/Controller 6 bestimmt.
• Die bei Anweisung aus dem Prozessor/Controller 6 erzeugten Funkfrequenzsignale werden über den Sende-/Empfangsschaltkreis (TX/TR-Schaltung), der in der Lage ist, Funkfrequenzsignale simultan zu senden und zu empfangen, an die abzufragende Fühleranordnung gesendet.
• Die in der Abfragevorrichtung der 1 bereitgestellte TX/TR-Schaltung ist in der 2 der begleitenden Zeichnungen schematisch dargestellt. Die in der 2 gezeigte TX/TR-Schaltung empfängt von der RF-Quelle 5 einen RF-Eingang. Der Eingang wird an einen Richtkoppler 9 angelegt, der den Großteil des RF-Signals an einen Eingang 11 und einen kleinen Anteil des RF-Signals an den Ausgang 10 weitergibt. Der Großteil des Signals an Ausgang 11 geht durch einen Quadraturhybrideinrichtung 12, um ein Ansteuersignal über einen Ausgang an die Antenne 3 bereitzustellen.
• Das RF-Signal an dem Kopplerausgang 10 geht durch einen Quadraturhybriden 14, um ein Eingangsreferenzsignal an einen Homodyndetektor 16 bereitzustellen. Der andere Eingang zu dem Homodyndetektor wird über eine Leitung 15 von dem Quadraturhybri den 12 abgeleitet. Der Quadraturhybrid 12 richtet das von der Antenne empfangene Signal an den Leistungsteilereingang des Homodyndetektors. Für weitere Informationen über den Betrieb des Homodyndetektors wird auf die Schrift mit dem Titel Measuring microwave field directly with an optically modulated scatterer von G. Hygate und J. F. Nye, veröffentlicht in Measurement Science and Technology, 1990, S. 703–709 verwiesen.
• Dass durch die passive Fühleranordnung 2 in Reaktion auf ein durch die RF-Quelle erzeugtes Ansteuersignal erzeugte Funkfrequenzsignal wird, sobald es von der Abfragevorrichtung empfangen wird, durch die TX/TR-Schaltung 7 mit dem ursprünglich übertragenen Funkfrequenzausgangssignal kombiniert. Typischerweise erfolgt ein Vergleich der Phasen und/oder der Amplituden des Ausgangssignals (d. h. des gesendeten Signals) und des Eingangssignals (d. h. des empfangenen Signals). Das durch die TX/RX-Schaltung 7 erzeugte kombinierte Signal wird als Eingang zu dem Prozessor/Controller 6, der bestimmt, ob die passive Fühleranordnung mit ihrer Resonanzfrequenz angesteuert oder nicht angesteuert wird, bereitgestellt.
• Bei Anwendung erzeugt die RF-Quelle 5 ein Ansteuersignal mit einem sequentiellen Bereich von Frequenzen, der die erwartete Resonanzfrequenz der abzufragenden Fühleranordnung überspannt. Der Bereich der Frequenzen kann als eine diskrete Gruppe von Frequenzimpulsen verschiedener Frequenzen oder als eine sich kontinuierlich ändernde Frequenz erzeugt werden. Vorzugsweise erzeugt die RF-Quelle 5 ein RF-Signal, dass frequenzmoduliert ist, um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von Ansteuerfrequenzen, der die erwartete Resonanzfrequenz der Fühleranordnung überspannt, bereitzustellen.
• Wenn die Fühleranordnung 2 mit einer Frequenz, die geringer als ihre Resonanzfrequenz ist, angesteuert wird, wird das Signal, das sie in Reaktion auf ein Ansteuersignal erzeugt, typischerweise gegenüber dem Ansteuersignal phasenverzögert sein. Wenn die Fühleranordnung 2 mit einer Frequenz, die größer als ihre Resonanzfrequenz ist, angesteuert wird, wird das Signal, das sie in Reaktion auf ein Ansteuersignal erzeugt, typischerweise gegenüber dem Ansteuersignal Phasenvoreilung aufweisen. Im Moment der Resonanz werden das Ansteuersignal und das resultierende Signal typischerweise phasengleich oder 180° gegenphasig sein. Durch das Monitoring der Phasenbeziehung zwischen dem empfangenen Signal und dem gesendeten Signal, während das gesendete Signal durch die Resonanzfrequenz durchläuft, kann an der TX/TR-Schaltung die bei Resonanz auftretende Phasenänderung detektiert werden. Alternativ kann die Amplitude des aus der Fühleranordnung 2 an der TX/RX-Schaltung empfangenen Signals mit der Amplitude des gesendeten Ansteuersignals verglichen werden. Im Moment der Resonanz wird sich die Amplitude des empfangenen Signals verringern und dies kann durch den Vergleich der Amplituden des empfangenen und des gesendeten Signals detektiert werden. Der Prozessor/Controller kann dann die Resonanzfrequenz durch Bezugnahme auf die Frequenz des Ausgangssignals bestimmen und in Übereinstimmung mit Kalibrierungsdaten der bestimmten Fühleranordnung, die abgefragt wird, einen adäquaten Parameter (z. B. die Temperatur) bereitstellen.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezielle Ausführung oder das Verfahren, die oben beschrieben wurden, beschränkt. Für einen Leser, der ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet dieser Technik ist, werden alternative Anordnungen und geeignete Materialien offensichtlich sein.

Claims (8)

1. System, das ein passives Oberflächenschallwellengerät (2) und eine Vorrichtung (1) zum Abfragen des genannten Oberflächenschallwellengerätes (2) umfasst; wobei die genannte Vorrichtung (1) Folgendes umfasst: ein Mittel (7) zum Senden von Funksignalen mit einer Mehrzahl von Frequenzen mittels einer Antenne (3) zu dem genannten passiven Oberflächenschallwellengerät (2); Mittel (7) zum Empfangen von Signalen von dem genannten passiven Oberflächenschallwellengerät (2) gleichzeitig mit dem genannten Senden von Signalen; Mittel (16) zum Vergleichen der empfangenen Signale mit den gesendeten Signalen, um eine charakteristische Änderung in der Beziehung zwischen den empfangenen Signalen und den gesendeten Signalen zu identifizieren, die dann auftritt, wenn das passive Oberflächenschallwellengerät auf seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird, und Mittel zum Ermitteln der Frequenz des gesendeten Signals in dem Moment, in dem der Vergleich anzeigt, dass das passive Oberflächenschallwellengerät auf seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird.
2. System nach Anspruch 1, bei dem das gesendete Signal ein Funkfrequenzsignal ist, das mit einem durchlaufenden Bereich von Frequenzen frequenzmoduliert wird, die die erwartete Resonanzfrequenz des passiven Oberflächenschallwellengerätes (2) überspannt.
3. System nach Anspruch 1, bei dem das gesendete Signal ein Funkfrequenzsignal ist, das Impulse mit einem sequenziellen Bereich von separaten Frequenzen umfasst, der die erwartete Resonanzfrequenz des passiven Oberflächenschallwellengerätes (2) überspannt.
4. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte passive Oberflächenschallwellengerät (2) eine Antenne (4) beinhaltet.
5. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannte Vorrichtung (1) die Verwendung einer einzelnen Antenne (3) sowohl zum Senden von Signalen zu dem passiven Oberflächenschallwellengerät (2) als auch zum Empfangen des resultierenden Signals von dem passiven Oberflächenschallwellengerät (2) beinhaltet.
6. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vergleich der gesendeten und empfangenen Signale ein Phasenvergleich ist.
7. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vergleich der gesendeten und empfangenen Signale ein Amplitudenvergleich ist.
8. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vergleich der gesendeten und empfangenen Signale mit einem Homodynempfänger erfolgt.