JP7226275B2 - Wireless measurement system for physical quantities - Google Patents
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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。 The present invention relates to a wireless measurement system that uses a surface acoustic wave device to measure physical quantities such as temperature and pressure acting on an object to be sensed by wireless communication.
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。
2. Description of the Related Art Conventionally, various sensors and measuring devices for measuring physical quantities such as temperature and pressure are provided by taking advantage of changes in the propagation characteristics of surface acoustic waves (SAWs) due to physical quantities such as temperature and pressure.
For example, the pressure sensor and pressure measuring device described in Patent Document 1 are driven from a computer as a master device via a reading device and an antenna to a pressure sensor that is a wireless parasitic sensor installed on a detection target. A signal is transmitted wirelessly, a reading device receives a response signal from the pressure sensor, and a computer detects the gas pressure (air pressure) applied to the object to be detected.
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。
In the above-described prior art, the comb-teeth electrode in the pressure sensor receives a drive signal from a computer and excites a surface acoustic wave. As it is reflected, the comb electrodes convert the signal from the reflective electrode into a response signal and send it back to the computer via the antenna and reader.
Here, when the pressure applied to the object to be detected changes, the propagation speed of the surface acoustic wave in the pressure sensor changes, and this changes the phase of the response signal. The pressure applied to the object to be detected can be detected based on the time difference).
また、特許文献2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及び温度を検知するために使用されている。 In addition, the surface acoustic wave sensor described in Patent Document 2 is used to detect the strain and temperature of the object to be detected by utilizing the fact that the surface acoustic wave phase changes based on the same principle as in Patent Document 1. It is
上述した特許文献1,2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。 Since the conventional technologies disclosed in the above-mentioned Patent Documents 1 and 2 both detect the phase change and measure the physical quantity, the signal processing method is the drive signal transmitted from the master device to the sensor. and the response signal from the sensor to analyze the phase and frequency.
特許文献1,2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、上述したノイズの影響を低減するには、マスタ装置が応答信号を平均化処理する等の方法が考えられるが、平均化回数を多くすると平均化処理による時間遅れが増加して物理量の変化を迅速に把握することができなくなる。
In the conventional techniques described in Patent Documents 1 and 2, when noise (unnecessary radio waves) in the same frequency band is mixed at the same timing as the response signal from the sensor, the phase information included in the response signal is disturbed, and the physical quantity is measured. is difficult.
In order to reduce the effect of the above-mentioned noise, it is conceivable that the master device averages the response signals. cannot be grasped quickly.
そこで、本発明の解決課題は、センサからの応答信号にノイズが混入するような環境下においても、正常な応答信号のみを判別して高精度かつ迅速に物理量を測定可能とした物理量の無線測定システムを提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is wireless measurement of physical quantities that can measure physical quantities with high accuracy and speed by distinguishing only normal response signals even in an environment where noise is mixed in the response signal from the sensor. It is to provide a system.
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と、予め記憶されたテンプレート信号と、を逐次比較し、前記差分信号と前記テンプレート信号との差分が所定の閾値を超えたとき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すると共に、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。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 excites a surface acoustic wave in a surface acoustic wave element by a drive signal transmitted from a master device, and modulates the propagation characteristics according to the physical quantity acting on the object to be detected. with a sensor that produces a response signal,
In a wireless measurement system in which the master device includes transmission/reception means for transmitting the drive signal and receiving the response signal, and calculation means for calculating the physical quantity from the change in the propagation characteristic detected from the response signal,
The calculation means is
successively comparing a difference signal, which is a difference between the drive signal and the response signal, with a pre-stored template signal, and when the difference between the difference signal and the template signal exceeds a predetermined threshold; A response signal corresponding to a signal is determined to be a noise-containing signal, and the physical quantity is calculated using the response signal excluding the noise-containing signal.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した物理量の無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、前記差分信号の振幅と前記テンプレート信号の振幅との差分が所定の閾値を超えたとき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することを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the physical quantity wireless measurement system according to claim 1,
The calculating means is characterized in that, when the difference between the amplitude of the differential signal and the amplitude of the template signal exceeds a predetermined threshold, the response signal corresponding to the differential signal is determined as the noise mixed signal.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した物理量の無線測定システムにおいて、
前記物理量が温度であり、前記算出手段は、周囲温度に応じて予め記憶された複数の前記テンプレート信号の中から測定時の周囲温度に対応するテンプレート信号を選択して前記差分信号との比較に用いることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the physical quantity wireless measurement system according to claim 1 or 2,
The physical quantity is temperature, and the calculation means selects a template signal corresponding to the ambient temperature at the time of measurement from among a plurality of the template signals stored in advance according to the ambient temperature, and compares the template signal with the difference signal. It is characterized by using
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と、基準になるテンプレート信号とを逐次比較し、両者の差分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、平均化処理等を行なわなくても応答信号の高SN比(信号対雑音比)を確保できるため、物理量をほぼリアルタイムに測定することができる。 According to the present invention, the difference signal between the drive signal sent from the center device to the sensor and the response signal from the sensor is sequentially compared with the reference template signal, and the difference between the two is calculated and compared with a predetermined threshold value. By doing so, it is possible to distinguish a normal response signal even in a high noise environment and accurately measure the physical quantity acting on the object to be detected. Moreover, since a high SN ratio (signal-to-noise ratio) of the response signal can be ensured without performing averaging processing or the like, the physical quantity can be measured almost in real time.
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。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment relates to a wireless measurement system that measures the temperature of a sensing target using a surface acoustic wave device.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a wireless measurement system according to this embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a surface acoustic wave device in FIG. The configurations of the wireless measurement system and the surface acoustic wave device are not limited to the illustrated examples, and can be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention.
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。
The wireless measurement system shown in FIG. 1 includes a
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。
The
The
The
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。
The
The difference signal reflects the propagation characteristics of the surface acoustic waves generated by the surface
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。
Various operations in the
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(Interdigital 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波を発生するものを用いてもよい。
As shown in FIG. 2, the surface
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を用いることができる。
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。
As the material of the
The
When a drive signal from the
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り、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。
The
The number and width of individual electrode pieces of the
次に、図3~図6を参照して、センサ20からマスタ装置10への応答信号にノイズが含まれる環境下においても、このノイズの影響を受けずに検知対象物の温度を正確に測定する手順について説明する。
図3は、増幅回路13により増幅された差分信号の振幅、及びこの差分信号に基づいて算出回路14が算出する応答信号の強度を示す波形図、図4は、応答信号にノイズが混入した場合の差分信号の振幅、及びこの差分信号に基づく応答信号の強度を示す波形図、図5は算出回路14が用いるテンプレート信号の振幅を示す波形図、図6は本実施形態の動作を示すフローチャートである。
Next, referring to FIGS. 3 to 6, even in an environment where the response signal from the
FIG. 3 is a waveform diagram showing the amplitude of the difference signal amplified by the
まず、マスタ装置10の駆動回路12から送信された駆動信号に対するセンサ20からの応答信号が、算出回路14に読み込まれる(図6のステップS1)。次に、応答信号の最大振幅が第1の閾値を超えていたら(S2 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。
応答信号の最大振幅が第1の閾値以下である場合(S2 YES)、例えば、メモリ内の複数のテンプレート信号の中からその時の周囲温度に応じて選択したテンプレート信号を算出回路14に読み込む(S3a)。
First, a response signal from the
If the maximum amplitude of the response signal is equal to or less than the first threshold (S2 YES), for example, a template signal selected from a plurality of template signals in the memory according to the ambient temperature at that time is read into the calculation circuit 14 (S3a ).
次いで、算出回路14は駆動信号と応答信号との差分を求め、この差分信号とテンプレート信号との差分または移動標準偏差を算出し、その結果を所定のサンプリング周波数にてアナログ-ディジタル変換する(S3)。
ここで、応答信号にノイズが混入していない場合の差分信号が、例えば図3(a)に示すような時系列データであるとすると、この差分信号はその時の周囲温度に基づいて選択したテンプレート信号(一例を図5に示す)とほぼ同じ波形になる。また、この時の上記差分信号に基づいて演算した応答信号の強度は、図3(b)に示すようにSN比が大きく、後に抽出される位相情報等のばらつき、ひいては温度測定値のばらつきも小さいものとなる。
Next, the
Here, if the difference signal when noise is not mixed in the response signal is, for example, time-series data as shown in FIG. It has almost the same waveform as the signal (an example is shown in FIG. 5). Further, the intensity of the response signal calculated based on the difference signal at this time has a large SN ratio as shown in FIG. becomes small.
これに対し、無線温度測定システムが使用している電波と同一周波数帯域の不要電波が混入するようなノイズ環境下では、差分信号が例えば図4(a)に示すようになり、これに基づく応答信号の強度も図4(b)のようになる。
すなわち、応答信号はノイズの影響を受けることでSN比が小さくなり、抽出される位相情報等のばらつき、ひいては温度測定値のばらつきが大きくなる。検知対象物の温度を正確に測定するためには、このようにノイズが混入した差分信号、言い換えれば応答信号を除外する必要がある。
On the other hand, in a noise environment in which unwanted radio waves in the same frequency band as the radio waves used by the wireless temperature measurement system are mixed, the difference signal becomes, for example, as shown in FIG. The intensity of the signal is also as shown in FIG. 4(b).
That is, the SN ratio of the response signal is reduced due to the influence of noise, and variations in extracted phase information and the like, and thus variations in temperature measurement values, increase. In order to accurately measure the temperature of the object to be sensed, it is necessary to remove the differential signal mixed with noise, in other words, the response signal.
そこで、本実施形態では、前述のステップS3により算出した差分または移動標準偏差を第2の閾値と比較し、第2の閾値を超える場合には(S4 NO)、応答信号にノイズが混入していると判断してステップS1に戻り、応答信号のサンプリングを再度行うこととし、差分または移動標準偏差が第2の閾値以下である場合の応答信号(ノイズ混入信号ではない正常な応答信号)のみを温度測定に用いることとした(S4 YES)。 Therefore, in the present embodiment, the difference or moving standard deviation calculated in step S3 described above is compared with a second threshold, and if it exceeds the second threshold (S4 NO), noise is mixed in the response signal. Then, the process returns to step S1, and sampling of the response signal is performed again. It was decided to use it for temperature measurement (S4 YES).
算出回路14は、ノイズが混入していない応答信号を対象として、FFT(高速フーリエ変換)等の演算処理により応答信号のピークを探索してその強度を算出し(S5)、センサ20における弾性表面波の伝搬時間や伝搬位相情報等を抽出する(S6)。そして、これらの情報とメモリに記憶された各種パラメータとを用いて、センサ20により検出した検知対象物の温度を算出する(S7)。
The
なお、本発明は、検知対象物の温度だけでなく、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。 It should be noted that the present invention can measure not only the temperature of the object to be detected, but also the pressure, strain, etc. acting on the object to be detected.
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: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
10: Master Device 11: Antenna 12: Drive Circuit 13: Amplifier Circuit 14: Calculation Circuit 20: Sensor 21: Antenna 22: Surface Acoustic Wave Element 221: Piezoelectric Substrate 222:
Claims (3)
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、を有する物理量の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と、予め記憶されたテンプレート信号と、を逐次比較し、前記差分信号と前記テンプレート信号との差分が所定の閾値を超えたとき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すると共に、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物理量の無線測定システム。 a sensor for generating a response signal having a propagation characteristic corresponding to a physical quantity acting on an object to be sensed by exciting a surface acoustic wave from a surface acoustic wave element in response to a drive signal transmitted from the master device;
A physical quantity wireless measurement system in which the master device includes a transmitting/receiving means for transmitting the driving signal and receiving the response signal, and a calculating means for calculating the physical quantity from the change in the propagation characteristic detected from the response signal. in
The calculation means is
successively comparing a difference signal, which is a difference between the drive signal and the response signal, with a pre-stored template signal, and when the difference between the difference signal and the template signal exceeds a predetermined threshold; A physical quantity wireless measurement system, wherein a response signal corresponding to a signal is determined as a noise-containing signal, and the physical quantity is calculated using the response signal excluding the noise-containing signal.
前記算出手段は、前記差分信号の振幅と前記テンプレート信号の振幅との差分が所定の閾値を超えたとき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することを特徴とする物理量の無線測定システム。 In the physical quantity wireless measurement system according to claim 1,
wherein the calculating means determines a response signal corresponding to the difference signal when the difference between the amplitude of the difference signal and the amplitude of the template signal exceeds a predetermined threshold as a noise-containing signal. Radio measurement system.
前記物理量が温度であり、
前記算出手段は、周囲温度に応じて予め記憶された複数の前記テンプレート信号の中から測定時の周囲温度に対応するテンプレート信号を選択して前記差分信号との比較に用いることを特徴とする物理量の無線測定システム。 In the physical quantity wireless measurement system according to claim 1 or 2,
the physical quantity is temperature;
The physical quantity, wherein the calculating means selects a template signal corresponding to the ambient temperature at the time of measurement from among the plurality of template signals stored in advance according to the ambient temperature, and uses the template signal for comparison with the difference signal. radio measurement system.
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