JP2022021010A - 無線測定システム - Google Patents
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Abstract
【課題】センサからの応答信号にノイズが混入する環境下や位相候補が複数ある場合でも、正常な応答信号のみを判別して検知対象物の温度等の物理量を正確に測定可能な無線測定システムを提供する。【解決手段】マスタ装置１０からの駆動信号により弾性表面波素子が弾性表面波を励起して、検知対象物に作用する物理量に応じた伝搬特性の応答信号を生成するセンサ２０を備え、マスタ装置１０が、駆動信号及び応答信号を送受信する送受信手段１１～１３と、応答信号から検出した伝搬特性の変化から物理量を算出する算出手段１４とを有する無線測定システムにおいて、算出手段１４は、駆動信号と応答信号との差分信号を離散フーリエ変換した計測信号から得られる受信強度と雑音強度との比が、所定の閾値を下回った場合の当該差分信号に対応する応答信号をノイズ混入信号と判定し、このノイズ混入信号を除いて物理量を算出する。【選択図】図１
Description
本発明は、弾性表面波素子を用いて、検知対象物に作用する温度や圧力等の物理量を無線通信により測定する無線測定システムに関する。
従来、温度や圧力等の物理量により弾性表面波（SAW：Surface Acoustic Wave）の伝搬特性が変化することを利用して、これらの物理量を測定するセンサや測定装置が種々提供されている。
例えば、特許文献１に記載された圧力センサ及び圧力測定装置は、検知対象物に設置された無線無給電センサである圧力センサに対して、マスタ装置としてのコンピュータから読取装置、アンテナを介して駆動信号を無線にて送信し、圧力センサからの応答信号を読取装置が受信してコンピュータにより検知対象物に加わるガス圧（空気圧）を検出している。
例えば、特許文献１に記載された圧力センサ及び圧力測定装置は、検知対象物に設置された無線無給電センサである圧力センサに対して、マスタ装置としてのコンピュータから読取装置、アンテナを介して駆動信号を無線にて送信し、圧力センサからの応答信号を読取装置が受信してコンピュータにより検知対象物に加わるガス圧（空気圧）を検出している。
上記従来技術では、コンピュータからの駆動信号を受信した圧力センサ内の櫛歯電極が弾性表面波を励起し、この弾性表面波が圧力基板上を伝搬して複数の反射電極により櫛歯電極方向に反射されると共に、櫛歯電極は、反射電極からの信号を応答信号に変換し、アンテナ及び読取装置を介してコンピュータに返信する。
ここで、検知対象物に加わる圧力が変化すると、圧力センサにおける弾性表面波の伝搬速度が変化し、これが応答信号に位相の変化として現れるため、コンピュータでは、駆動信号と応答信号との位相差（時間差）に基づいて検知対象物に加わった圧力を検知することができる。
ここで、検知対象物に加わる圧力が変化すると、圧力センサにおける弾性表面波の伝搬速度が変化し、これが応答信号に位相の変化として現れるため、コンピュータでは、駆動信号と応答信号との位相差（時間差）に基づいて検知対象物に加わった圧力を検知することができる。
また、特許文献２，３に記載された弾性表面波センサは、特許文献１と同様の原理により、弾性表面波の位相が変化することを利用して検知対象物の歪みや温度、液体の濃度を検知するために使用されている。
上述した特許文献１，２，３に開示された従来技術は、何れも位相の変化を検出して物理量を測定しているため、その信号処理方法としては、マスタ装置からセンサに対して送信した駆動信号とセンサからの応答信号とを比較して位相や周波数を解析する方法を採用している。
特許文献１～３に記載された従来技術では、センサからの応答信号と同じタイミングで同一周波数帯域のノイズ（不要電波）が混入すると、応答信号に含まれる位相情報が乱れてしまい、物理量の測定が困難になるという問題がある。
また、これらの従来技術では、前述したごとく、弾性表面波の位相の変化から検知対象物の物理量の変化を検出しており、高い測定精度を確保したい場合には、弾性表面波の位相が２π［ｒａｄ］を超える測定レンジを設定することとなる。
また、これらの従来技術では、前述したごとく、弾性表面波の位相の変化から検知対象物の物理量の変化を検出しており、高い測定精度を確保したい場合には、弾性表面波の位相が２π［ｒａｄ］を超える測定レンジを設定することとなる。
ここで、図５は、弾性表面波センサにおける温度と伝播時間情報ｔ及び伝播位相情報ｐとの関係の一例を示す特性図である。弾性表面波センサとしての温度センサから受信した反射信号が増幅され、温度算出回路等の信号処理によって得られる計測信号には、伝播時間情報ｔ及び伝播位相情報ｐが含まれている。
図示するように、伝播時間情報ｔは、温度に対してほぼ線形に変化するがバラツキが大きく、位相伝播情報ｐでは、－π［ｒａｄ］からπ［ｒａｄ］へ変化する時に不連続点が出現する。
すなわち、計測信号に含まれる位相は、現在位相値Ｘから次位相値Ｙへ変化する際、その範囲が－π［ｒａｄ］からπ［ｒａｄ］にわたる。このため、既に確定している現在位相値Ｘからある値だけ温度が変化した候補としての次位相値Ｙは、Ｙ±２×ｎ×π（ｎは整数）のように複数候補存在することになり、結果として測定値を確定することが困難になる。
図示するように、伝播時間情報ｔは、温度に対してほぼ線形に変化するがバラツキが大きく、位相伝播情報ｐでは、－π［ｒａｄ］からπ［ｒａｄ］へ変化する時に不連続点が出現する。
すなわち、計測信号に含まれる位相は、現在位相値Ｘから次位相値Ｙへ変化する際、その範囲が－π［ｒａｄ］からπ［ｒａｄ］にわたる。このため、既に確定している現在位相値Ｘからある値だけ温度が変化した候補としての次位相値Ｙは、Ｙ±２×ｎ×π（ｎは整数）のように複数候補存在することになり、結果として測定値を確定することが困難になる。
そこで、本発明の解決課題は、例えば検知対象物の温度等の物理量を弾性表面波の伝搬特性の変化に基づいて測定する無線温度測定システムにおいて、センサからの応答信号にノイズが混入する環境下や位相候補が複数ある場合でも、正常な応答信号のみを判別して検知対象物の温度等の物理量を正確に測定可能な無線測定システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、マスタ装置から送信された駆動信号により弾性表面波素子が弾性表面波を励起して、検知対象物に作用する物理量に応じた伝搬特性の応答信号を生成するセンサを備え、
前記マスタ装置が、前記駆動信号を送信して前記応答信号を受信する送受信手段と、前記応答信号から検出した前記伝搬特性の変化から前記物理量を算出する算出手段と、を有する無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、
前記駆動信号と前記応答信号との差分である差分信号を離散フーリエ変換した計測信号から得られる受信強度と雑音強度との比が所定の閾値を下回った場合の当該差分信号に対応する前記応答信号をノイズ混入信号と判定し、前記ノイズ混入信号を除く応答信号を用いて前記物理量を算出することを特徴とする。
前記マスタ装置が、前記駆動信号を送信して前記応答信号を受信する送受信手段と、前記応答信号から検出した前記伝搬特性の変化から前記物理量を算出する算出手段と、を有する無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、
前記駆動信号と前記応答信号との差分である差分信号を離散フーリエ変換した計測信号から得られる受信強度と雑音強度との比が所定の閾値を下回った場合の当該差分信号に対応する前記応答信号をノイズ混入信号と判定し、前記ノイズ混入信号を除く応答信号を用いて前記物理量を算出することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、前記計測信号から伝播時間情報及び伝播位相情報を取得し、前記伝播時間情報から算出した前記物理量を一定期間サンプリングすると共にヒストグラム処理を実行してその中心を前記物理量の絶対値領域として設定し、前記絶対値領域において複数の前記伝播位相情報から前記物理量の絶対値をそれぞれ算出し、これらの複数の絶対値が全て一致した時の当該絶対値から前記物理量を確定することを特徴とする。
前記算出手段は、前記計測信号から伝播時間情報及び伝播位相情報を取得し、前記伝播時間情報から算出した前記物理量を一定期間サンプリングすると共にヒストグラム処理を実行してその中心を前記物理量の絶対値領域として設定し、前記絶対値領域において複数の前記伝播位相情報から前記物理量の絶対値をそれぞれ算出し、これらの複数の絶対値が全て一致した時の当該絶対値から前記物理量を確定することを特徴とする。
本発明によれば，センタ装置からセンサに送信した駆動信号とセンサからの応答信号との差分信号に対し離散フーリエ変換等を行って計測信号を取得し、この計測信号の受信強度と雑音強度との比を算出して所定の閾値と比較することにより、高ノイズ環境下においても、正常な応答信号（計測信号）を判別して検知対象物に作用する物理量を正確に測定することができる。
また、伝搬時間情報のばらつきが大きい場合でも、計測開始前に、ヒストグラム処理を行ってその中心を絶対値領域に設定し、複数の伝搬位相情報からそれぞれ算出した複数の絶対値が全て一致した時の当該絶対値から、検知対象物に作用する物理量を正確に測定することができる。
また、伝搬時間情報のばらつきが大きい場合でも、計測開始前に、ヒストグラム処理を行ってその中心を絶対値領域に設定し、複数の伝搬位相情報からそれぞれ算出した複数の絶対値が全て一致した時の当該絶対値から、検知対象物に作用する物理量を正確に測定することができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。この実施形態は、弾性表面波素子を用いて検知対象物の温度を測定する無線測定システムに関するものである。
図１は、本実施形態に係る無線測定システムの全体構成図であり、図２は図１における弾性表面波素子の構成を示す模式図である。なお、無線測定システムや弾性表面波素子の構成は図示例に何ら限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜、変更することができる。
図１は、本実施形態に係る無線測定システムの全体構成図であり、図２は図１における弾性表面波素子の構成を示す模式図である。なお、無線測定システムや弾性表面波素子の構成は図示例に何ら限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜、変更することができる。
図１の無線測定システムは、マイクロコンピュータ等からなるマスタ装置１０と、弾性表面波素子２２を備えた温度測定用の無線無給電センサ（以下、単にセンサという）２０と、これらの両者間で電波を送受信するためのアンテナ１１，２１と、を備えている。なお、センサ２０は温度を検知するべき検知対象物に設置されている。
マスタ装置１０は、駆動回路１２と増幅回路１３と算出回路１４とを備えている。
駆動回路１２は、一定周期の送信タイミングにより高周波の駆動信号を発振し、この駆動信号は、アンテナ１１，２１を介してセンサ２０内の弾性表面波素子２２により受信される。
増幅回路１３は、駆動回路１２からアンテナ１１を介して送信した駆動信号とセンサ２０からアンテナ２１，１１を介して受信した応答信号との差分信号を増幅し、算出回路１４に出力する。
駆動回路１２は、一定周期の送信タイミングにより高周波の駆動信号を発振し、この駆動信号は、アンテナ１１，２１を介してセンサ２０内の弾性表面波素子２２により受信される。
増幅回路１３は、駆動回路１２からアンテナ１１を介して送信した駆動信号とセンサ２０からアンテナ２１，１１を介して受信した応答信号との差分信号を増幅し、算出回路１４に出力する。
算出回路１４は、入力された増幅後の差分信号に基づいて検知対象物の温度を測定する。
上記差分信号は、弾性表面波素子２２により発生した弾性表面波の伝搬特性を反映しており、この伝搬特性の変化は検知対象物の温度変化に依存しているため、上記差分信号の伝搬特性から検知対象物の温度を測定することができる。なお、上記伝搬特性としては、駆動信号と応答信号との差分信号のほか、速度、位相、周波数、遅延時間等を用いてもよい。
上記差分信号は、弾性表面波素子２２により発生した弾性表面波の伝搬特性を反映しており、この伝搬特性の変化は検知対象物の温度変化に依存しているため、上記差分信号の伝搬特性から検知対象物の温度を測定することができる。なお、上記伝搬特性としては、駆動信号と応答信号との差分信号のほか、速度、位相、周波数、遅延時間等を用いてもよい。
駆動回路１２、増幅回路１３及び算出回路１４における各種の動作は、プロセッサやメモリ等によって実行される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory)、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つまたは複数の記憶媒体によって構成されている。これらのメモリには、後述するようにノイズの有無を判定するための複数のテンプレート信号や、応答信号の伝搬特性の算出時に基準となる伝搬特性を示す各種パラメータ、更には、応答信号の伝搬特性と検知対象物の温度との対応関係等をデータベースとして記憶しておいてもよい。
センサ２０内の弾性表面波素子２２は、図２に示すように、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板２２１の表面に、ＩＤＴ（Inter Digital Transducers）電極２２２と反射電極２２３とを所定の間隔を置いて配置することにより構成されている。圧電基板２２１には、弾性表面波として、基板表面に対し垂直に振動するレーリー波を発生するものに限らず、基板表面に沿って進行方向に対し垂直に振動するＳＨ波や板波を発生するものを用いてもよい。
圧電基板２２１の材質としては、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）等のリチウム化合物や水晶、ランガサイトを用いることができる。また、圧電機能を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と薄膜を保持する基板であるサファイアとを組み合わせたものでもよい。
ＩＤＴ電極２２２は、一対の櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂを対向させ、一方の櫛歯電極２２２ａの電極片の間に他方の櫛歯電極２２２ｂの電極片を配置した構造を有し、一方の櫛歯電極２２２ａはアンテナ２１に接続され、他方の櫛歯電極２２２ｂは接地されている。ＩＤＴ電極２２２の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、金、プラチナ等が用いられる。なお、櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂの個々の電極片の数、幅、電極片相互のピッチ等は特に限定されるものではなく、励起効率を考慮して適宜変更することが可能である。
マスタ装置１０からの駆動信号がアンテナ２１を介してＩＤＴ電極２２２に入力されると、このＩＤＴ電極２２２において弾性表面波が励起される。
マスタ装置１０からの駆動信号がアンテナ２１を介してＩＤＴ電極２２２に入力されると、このＩＤＴ電極２２２において弾性表面波が励起される。
反射電極２２３は、上記櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂの各電極片と平行になるように複数の電極片を並置して構成されている。この反射電極２２３は、ＩＤＴ電極２２２から圧電基板２２１の表面を介して伝搬した弾性表面波をＩＤＴ電極２２２に向けて反射させる機能を有する。この弾性表面波の伝搬中に、検知対象物の状態、例えば温度に応じて弾性表面波の伝搬速度等の伝搬特性が変化し、反射電極２２３により反射した弾性表面波がＩＤＴ電極２２２に入力されることにより、センサ２０からマスタ装置１０に送信する応答信号が生成される。
反射電極２２３の個々の電極片の数、幅、電極片相互のピッチ等は特に限定されず、反射効率を考慮して適宜変更することが可能であるが、本実施形態の特徴を活かすためには、反射電極を３個以上設けることが望ましい。反射電極２２３の材質には、前記ＩＤＴ電極２２２と同じものを用いることができる。
反射電極２２３の個々の電極片の数、幅、電極片相互のピッチ等は特に限定されず、反射効率を考慮して適宜変更することが可能であるが、本実施形態の特徴を活かすためには、反射電極を３個以上設けることが望ましい。反射電極２２３の材質には、前記ＩＤＴ電極２２２と同じものを用いることができる。
以下、図３及び図４を参照しつつ、本実施形態により検知対象物の温度を測定する手順について説明する。
図３は、本実施形態の動作を示すフローチャートであり、図４は、マスタ装置１０内の駆動回路１２により生成された駆動信号とセンサ２０からの応答信号との差分信号を増幅し、アナログ－ディジタル変換処理、離散フーリエ変換処理等を行って得た計測信号強度（受信強度、雑音強度）の一例を示す波形図である。
図３は、本実施形態の動作を示すフローチャートであり、図４は、マスタ装置１０内の駆動回路１２により生成された駆動信号とセンサ２０からの応答信号との差分信号を増幅し、アナログ－ディジタル変換処理、離散フーリエ変換処理等を行って得た計測信号強度（受信強度、雑音強度）の一例を示す波形図である。
まず、図１の増幅回路１３は、駆動回路１２により生成された駆動信号とセンサ２０からの応答信号との差分信号を増幅し、算出回路１４は、増幅後の差分信号に対して、所定のサンプリング周波数でアナログ－ディジタル信号変換（ＡＤ変換）処理、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理または高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行う（図３のステップＳ１）。
次に、図４に示すような受信強度と雑音強度との比を算出し（ステップＳ２）、算出した比が所定の閾値を下回っていたら（ステップＳ３ ＮＯ）、その応答信号は除外することとしてステップＳ１に戻り、応答信号のサンプリングを再度行う。
なお、受信強度と雑音強度との比が閾値以下である状態が所定回数に達した場合、測定不能と判定して処理を終了する。
次に、図４に示すような受信強度と雑音強度との比を算出し（ステップＳ２）、算出した比が所定の閾値を下回っていたら（ステップＳ３ ＮＯ）、その応答信号は除外することとしてステップＳ１に戻り、応答信号のサンプリングを再度行う。
なお、受信強度と雑音強度との比が閾値以下である状態が所定回数に達した場合、測定不能と判定して処理を終了する。
受信強度と雑音強度との比が閾値以上である場合（ステップＳ３ ＹＥＳ）、計測前準備動作として、まず、複数回の計測処理によって図５のような伝搬時間情報ｔを得る。この伝搬時間情報ｔは、前述したごとく温度に対してほぼ線形に変化するがバラツキが大きいため、伝搬時間情報ｔから算出した温度を一定時間サンプリングしてヒストグラム処理を行い、その中心値（最も度数が高い温度帯であり、ガウス分布の場合には平均値）を測定温度の絶対値領域として設定する（ステップＳ４）。
その後、以下のように実際の計測を開始する。
その後、以下のように実際の計測を開始する。
計測開始後、例えば３個の反射電極２２３からの伝搬位相情報を取得し、ステップＳ４の計測前準備動作により設定した絶対値領域内で位相の絶対値をそれぞれ求め、これらの絶対値に対応する３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cを算出する（ステップＳ５）。
次に、上記３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cが一致しているか否かを判断し、一致していれば（ステップＳ６ ＹＥＳ）、その温度を確定値として出力し（ステップＳ８）、一致していなければ（ステップＳ６ ＮＯ）、３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cが一致するまで、例えば±２π、±４πだけ増減させた位相絶対値に対応する温度を算出することにより位相調整を行う（ステップＳ７）。
このように、複数の温度、例えば３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cが一致することを条件とすることにより、検知対象物の温度を正確に測定することができる。
次に、上記３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cが一致しているか否かを判断し、一致していれば（ステップＳ６ ＹＥＳ）、その温度を確定値として出力し（ステップＳ８）、一致していなければ（ステップＳ６ ＮＯ）、３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cが一致するまで、例えば±２π、±４πだけ増減させた位相絶対値に対応する温度を算出することにより位相調整を行う（ステップＳ７）。
このように、複数の温度、例えば３つの温度Temp A，Temp B，Temp Cが一致することを条件とすることにより、検知対象物の温度を正確に測定することができる。
なお、本発明によれば、温度だけでなく検知対象物に作用する圧力や歪み等を測定することも可能である。
１０：マスタ装置
１１：アンテナ
１２：駆動回路
１３：増幅回路
１４：算出回路
２０：無線無給電センサ
２１：アンテナ
２２：弾性表面波素子
２２１：圧電基板
２２２：ＩＤＴ電極
２２２ａ，２２２ｂ：櫛歯電極
２２３：反射電極
１１：アンテナ
１２：駆動回路
１３：増幅回路
１４：算出回路
２０：無線無給電センサ
２１：アンテナ
２２：弾性表面波素子
２２１：圧電基板
２２２：ＩＤＴ電極
２２２ａ，２２２ｂ：櫛歯電極
２２３：反射電極
Claims (2)
- マスタ装置から送信された駆動信号により弾性表面波素子が弾性表面波を励起して、検知対象物に作用する物理量に応じた伝搬特性の応答信号を生成するセンサを備え、
前記マスタ装置が、前記駆動信号を送信して前記応答信号を受信する送受信手段と、前記応答信号から検出した前記伝搬特性の変化から前記物理量を算出する算出手段と、を有する無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、
前記駆動信号と前記応答信号との差分である差分信号を離散フーリエ変換した計測信号から得られる受信強度と雑音強度との比が所定の閾値を下回った場合の当該差分信号に対応する前記応答信号をノイズ混入信号と判定し、前記ノイズ混入信号を除く応答信号を用いて前記物理量を算出することを特徴とする無線測定システム。 - 請求項１に記載した無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、前記計測信号から伝播時間情報及び伝播位相情報を取得し、前記伝播時間情報から算出した前記物理量を一定期間サンプリングすると共にヒストグラム処理を実行してその中心を前記物理量の絶対値領域として設定し、前記絶対値領域において複数の前記伝播位相情報から前記物理量の絶対値をそれぞれ算出し、これらの複数の絶対値が全て一致した時の当該絶対値から前記物理量を確定することを特徴とする無線測定システム。
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