RU2585911C1 - Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации - Google Patents
Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2585911C1 RU2585911C1 RU2015111779/28A RU2015111779A RU2585911C1 RU 2585911 C1 RU2585911 C1 RU 2585911C1 RU 2015111779/28 A RU2015111779/28 A RU 2015111779/28A RU 2015111779 A RU2015111779 A RU 2015111779A RU 2585911 C1 RU2585911 C1 RU 2585911C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- reflector
- reflectors
- sensors
- delay time
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
Использование: для мониторинга состояния объектов с целью предупреждения аварийных ситуаций при контроле физических величин. Сущность изобретения: по предлагаемому способу формируют набор из N датчиков на линиях задержки на поверхностных акустических волнах, рефлекторы датчиков располагают на пьезоэлектрических подложках в следующем порядке: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, ..., первый рефлектор N-го датчика, затем второй рефлектор первого датчика, второй рефлектор второго датчика, ..., второй рефлектор N-го датчика, третий рефлектор первого датчика, третий рефлектор второго датчика, …, третий рефлектор N-го датчика, проводят опрос датчиков, принимают сигналы откликов датчиков и проводят их обработку, при этом последовательно для каждого датчика определяют время задержки сигнала между первым и третьим рефлекторами, определяют разность фаз для виртуального времени задержки, разность фаз для времени задержки между первым и вторым рефлекторами и разность фаз между первым и третьим рефлекторами, по которой определяют значение контролируемой физической величины, полученные значения передают на устройство сбора данных. Технический результат: повышение стабильности показаний контролируемой физической величины во всем диапазоне ее изменения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в системах мониторинга состояния объектов с целью предупреждения аварийных ситуаций при контроле физических величин, в частности температуры.
Известна идентификационная на поверхностных акустических волнах (ПАВ) метка, имеющая встречно-штыревой преобразователь, делающий возможным разделение по кодовому признаку, и способы ее использования и изготовления (ЕА 007777 (B1)) [1], данная метка содержит пьезоэлектрическую подложку, снабженную несколькими рефлекторами, распределенными по группе слотов, размещенных на этой подложке в соответствии с импульсными характеристиками и фазовыми характеристиками, для кодирования некоторого числа в соответствии с импульсными и фазовыми характеристиками, и встречно-штыревой преобразователь (ВШП), размещенный на этой подложке, для генерирования кодированного импульса опроса. Считывание меток из набора происходит путем корреляционной обработки.
Однако такая конструкция метки не позволяет получить набор датчиков температуры без коллизии, обеспечивающих высокую стабильность показаний контролируемой физической величины.
Известны датчик на ПАВ-линии задержки, способ и система, повышающие точность обнаружения (CN 102313614) [2], согласно способу определяют соответствие задержки и температуры; определяют величину приращения задержки в зависимости от изменения температуры; определяют соответствие между разностью фаз в зависимости от приращения температуры. Таким образом, измерение температуры определяют по количеству циклов фазы между первым и третьим рефлекторами, причем первые два рефлектора служат для калибровки и устраняют проблему фазовой неоднозначности. Считывающее устройство принимает радиосигнал отклика датчика и производит его обработку.
Такой датчик имеет схожие конструктивные признаки в части топологии с заявляемым изобретением, однако в условиях низкого соотношения сигнал-шум не обеспечивает необходимой стабильности показаний датчика. В данном аналоге проблема коллизии не рассматривается.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является многоцелевой способ антиколлизии датчиков физических величин на ПАВ-линиях задержки (CN 103471631 - прототип) [3], в котором проблему коллизии решают посредством разделения сигналов датчиков во времени. В соответствии со способом, на поверхности пьезоэлектрической подложки каждого датчика размещают не менее трех рефлекторов, первый рефлектор - τ1, второй рефлектор - τ2, третий рефлектор - τ3 так, что рефлекторы различных датчиков смещены на различное расстояние относительно ВШП.
Размещение рефлекторов датчиков происходит в следующих последовательностях:
Первая последовательность расположения рефлекторов на пьезоэлектрических подложках датчиков: первый рефлектор и второй рефлектор первого датчика, первый рефлектор и второй рефлектор второго датчика, …, первый рефлектор и второй рефлектор N-го датчика, затем третий рефлектор первого датчика, третий рефлектор второго датчика, …, третий рефлектор N-го датчика.
Вторая последовательность расположения рефлекторов на подложках датчиков: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, …, первый рефлектор N-го датчика, второй рефлектор и третий рефлектор первого датчика, второй рефлектор и третий рефлектор второго датчика, …, второй рефлектор и третий рефлектор N-го датчика.
Также решается проблема фазовой неоднозначности и используется ограниченное количество датчиков. Однако данная топология (конструкция) датчиков, где τ1 и τ2, по положению которых производят калибровку, расположены на меньшем друг от друга расстоянии, чем совместно к τ3, который, в свою очередь, обеспечивает требуемую чувствительность датчика, не обеспечивает стабильность показаний датчика, поскольку разность фаз между калибровочными рефлекторами во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины составляет более 2π.
Соответственно, недостатком прототипа, по отношению к заявляемому техническому решению, является невозможность решения задачи коллизии датчиков, обеспечивающих стабильность показаний контролируемой физической величины.
Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение коллизии в наборе датчиков, обеспечивающих повышение стабильности показаний контролируемой физической величины во всем диапазоне ее изменения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе устранения коллизии в наборе датчиков, согласно которому посредством разделения сигналов откликов по времени формируют набор из N датчиков на ПАВ-линиях задержки, согласно изобретению рефлекторы датчиков располагают на пьезоэлектрических подложках в следующем порядке: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, …, первый рефлектор N-го датчика, затем второй рефлектор первого датчика, второй рефлектор второго датчика, …, второй рефлектор N-го датчика, третий рефлектор первого датчика, третий рефлектор второго датчика, …, третий рефлектор N-го датчика, проводят опрос датчиков, принимают сигналы откликов датчиков и проводят их обработку, при этом последовательно для каждого датчика определяют время задержки сигнала между первым и третьим рефлекторами, определяют разность фаз для виртуального времени задержки, разность фаз для времени задержки между первым и вторым рефлекторами и разность фаз между первым и третьим рефлекторами, по которой определяют значение контролируемой физической величины, полученные значения передают на устройство сбора данных.
Устройство для реализации способа, выполненное в виде датчика на ПАВ-линии задержки, содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно встречно-штыревого преобразователя, отличается тем, что первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки, таким образом, что их взаимное расположение определяет виртуальное время задержки, для которого приращение фазы составляет не более 2π во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины.
Краткое пояснение чертежей:
Фиг. 1 иллюстрирует положение рефлекторов на пьезоэлектрической подложке датчика;
На Фиг. 2 изображен набор N датчиков;
Фиг. 3 иллюстрирует определение количества циклов фазы между первым и третьим рефлекторами;
На Фиг. 4 представлен результат моделирования градуировочной характеристики датчика (зависимость разности фаз между первым и третьим рефлекторами от температуры);
На Фиг. 5 представлен результат работы датчика из набора в количестве N штук.
В системе мониторинга состояния объектов при контроле физической величины в качестве датчиков применяют линии задержки на ПАВ. Набор из N датчиков с разделением сигналов откликов по времени формируют (например, с помощью вычислительных средств) по следующим параметрам:
1) Количество одновременно считываемых датчиков;
2) Диапазон изменений контролируемой физической величины;
3) Фиксированное смещение во времени откликов датчиков относительно друг друга;
4) Минимальное время задержки между откликами последних двух датчиков в заданном диапазоне изменений контролируемой физической величины.
Контрольно производится моделирование влияния сигналов датчиков друг на друга, где критерием отсутствия коллизии датчиков является наличие линейной зависимости разности фаз между первым и третьим рефлекторами для всех датчиков. В случае наличия коллизии увеличивают значение фиксированного смещения во времени между откликами датчиков в п. 3.
В результате имеют набор из N датчиков (Фиг. 1, Фиг. 2), рефлекторы которых располагают на пьезоэлектрической подложке, соблюдая последовательность: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, …, первый рефлектор N-го датчика, затем второй рефлектор первого датчика, второй рефлектор второго датчика, …, второй рефлектор N-го датчика, третий рефлектор первого датчика, третий рефлектор второго датчика, …, третий рефлектор N-го датчика.
Таким образом, получают набор датчиков, в котором за каждым откликом рефлектора последующего датчика получают отклик рефлектора с таким же порядковым номером следующего датчика.
Полученные датчики размещают на объектах контроля, находящихся в зоне опроса считывающего устройства. Посредством считывающего устройства, формирующего сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), производят опрос датчиков и принимают сигнал откликов датчиков.
Устройство для реализации способа, выполненное в виде датчика на ПАВ-линии задержки, содержит пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены ВШП и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно ВШП.
При воздействии радиосигнала считывателя на ВШП за счет обратного пьезоэффекта происходит преобразование электромагнитного колебания в акустическую волну, которая распространяется вдоль поверхности пьезоэлектрической подложки, затем отражается от соответствующих рефлекторов и возвращается обратно на ВШП, где, за счет прямого пьезоэффекта, происходит преобразование акустической волны в электромагнитную.
Однако для определения количества циклов фазы между рефлекторами необходимо решение проблемы фазовой неоднозначности в виду того, что разность фаз определяется с точностью 2π.
Эта проблема решается следующим образом:
Определим фазовый набег для времени задержки τ с учетом влияния физической величины X согласно следующей формуле:
где f - начальная частота ЛЧМ-сигнала, МГц;
τ - время задержки в нижней точке диапазона контролируемой физической величины, [нс];
XCD - коэффициент расширения пьезоэлектрической подложки под действием физической величины, ppm/[Х];
ΔХ - приращение физической величины, [X];
Тогда из формулы (1) приращение фазы вследствие изменения внешней физической величины определяется следующим образом:
Таким образом, чтобы величина виртуального времени задержки составляла не более 2π в заданном диапазоне температур, необходимо выполнение следующего условия:
В связи с тем, что на практике время задержки τ соответствует расстоянию между рефлекторами, которое меньше допустимой дистанции между двумя рефлекторами при размещении их на пьезоэлектрической подложке, выбираются такие взаимные положения рефлекторов, которые определяют виртуальное время задержки τ3121.
Таким образом, расположение рефлекторов на пьезоэлектрической подложке: для первого рефлектора наименьшее время задержки τ1, второй рефлектор в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки с временем задержки τ2 и третий рефлектор на конце пьезоэлектрической подложки с виртуальным временем задержки τ3 так, чтобы для τ3121 выполнялось следующее соотношение:
где τ3121 имеет приращение не более 2π во всем диапазоне изменения физической величины.
После того как считыватель принял сигнал откликов датчиков, проводят обработку полученных откликов сигналов датчиков. При этом для каждого датчика выполняют последовательность действий:
1: Определяют время задержки сигнала между первым и третьим рефлекторами τ13;
2: Основываясь на τ13 (τ13→φ3121), определяют разность фаз для виртуального времени задержки φ3121;
3: Основываясь на φ3121 (φ3121→φ21), определяют разность фаз между первым и вторым рефлекторами φ21;
4: Основываясь на φ21 (φ21→φ31), определяют разность фаз между первым и третьим рефлекторами φ31;
5: Основываясь на разности фаз между первым и третьим рефлекторами φ31, определяют значение контролируемой физической величины X, которое передают на устройство сбора данных.
Из Фиг. 3 видно, что определение разности фаз на шагах 1-3 позволяет однозначно определить количество циклов фазы между рефлекторами, тем самым решается проблема фазовой неоднозначности между первым и третьим рефлекторами.
Пример
Задав конкретные значения, докажем справедливость для заявляемого, в качестве изобретения, технического решения:
Для датчиков температуры на ПАВ-линиях задержки, работающих в диапазоне температур от -30 до 120°C, с пьезоэлектрической подложкой из ниобата лития среза Y-X 128°, имеющего температурный коэффициент расширения 75 ppm, и считывающего устройства, формирующего зондирующий ЛЧМ-сигнал в диапазоне частот 2400…2483 МГц, определим, подставляя значения в (3), величину виртуального времени задержки τ3121:
Для первого датчика (из заданного количества одновременно считываемых) выберем расположение рефлекторов на пьезоэлектрической подложке, удовлетворяющих соотношению (4):
Тогда время задержки τ3121:
что согласуется с условием (3).
Сформируем набор одновременно контролируемых датчиков без коллизии в количестве 9 штук. Используя данные о задержках рефлекторов первого датчика и данных из Таблицы 1, проведем анализ на отсутствие коллизии датчиков:
Определим возможное минимальное время задержки между сигналами откликов датчиков в заданном температурном диапазоне, которое равно минимальному времени задержки между третьим рефлектором 8-го датчика температуры, находящегося при максимальной температуре, и третьим рефлектором 9-го датчика температуры, находящего при минимальной температуре. Для этого найдем время задержки третьего рефлектора для таких датчиков температуры:
Определим минимальную задержку между сигналами датчиков:
Проверим отсутствие коллизии между датчиками путем моделирования работы одного из датчиков, в условиях присутствия стороннего датчика, сигналы которого смещены во времени на τmin. Результат моделирования работы датчика отображен на Фиг. 4, из которого видно, что зависимость разности фаз между первым и третьим рефлекторами от температуры для датчика является линейной, таким образом, сторонний датчик не оказывает влияния на его работу и обеспечивается отсутствие коллизии между ними. Поскольку τmin является минимальным временем задержки между сигналами для всего набора датчиков во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины, получаем отсутствие коллизии в зоне опроса считывающего устройства для набора таких датчиков во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины.
Заявителем проводились испытания таких датчиков на ПАВ-линиях задержки. Результаты работы датчиков в реальном масштабе времени представлены на Фиг. 5.
Список использованной литературы
1. ЕА 007777 (В1) «Идентификационная ПАВ-метка, имеющая встречно-штыревой преобразователь, делающий возможным кодовое различение, и способы ее использования и изготовления», МПК: G06K 19/067; H01L 41/08; Н03Н 9/64, Патентообладатель: RF SAW COMPONENTS INC (US).
2. CN 102313614 «Датчик на ПАВ-линии задержки в линии задержки, способ и система, повышающие точность обнаружения», МПК: G01K 11/22, Патентообладатель: UNIV CHONGQING.
3. CN 103471631 «Многоцелевой способ антиколлизии датчика на ПАВ-линии задержки», МПК: G01D 5/48, Патентообладатель: SALISENSE TECHNOLOGY СО LTD (CN).
Claims (2)
1. Способ устранения коллизии в наборе датчиков, согласно которому посредством разделения сигналов откликов по времени формируют набор из N датчиков на линиях задержки на поверхностных акустических волнах, отличающийся тем, что рефлекторы датчиков располагают на пьезоэлектрических подложках в следующем порядке: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, ..., первый рефлектор N-го датчика, затем второй рефлектор первого датчика, второй рефлектор второго датчика, ..., второй рефлектор N-го датчика, третий рефлектор первого датчика, третий рефлектор второго датчика, …, третий рефлектор N-го датчика, проводят опрос датчиков, принимают сигналы откликов датчиков и проводят их обработку, при этом последовательно для каждого датчика определяют время задержки сигнала между первым и третьим рефлекторами, определяют разность фаз для виртуального времени задержки, разность фаз для времени задержки между первым и вторым рефлекторами и разность фаз между первым и третьим рефлекторами, по которой определяют значение контролируемой физической величины, полученные значения передают на устройство сбора данных.
2. Устройство для реализации способа, выполненное в виде датчика на линии задержки на поверхностных акустических волнах, содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно встречно-штыревого преобразователя, отличающееся тем, что первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки, таким образом, что их взаимное расположение определяет виртуальное время задержки, для которого приращение фазы составляет не более 2π во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015111779/28A RU2585911C1 (ru) | 2015-03-31 | 2015-03-31 | Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015111779/28A RU2585911C1 (ru) | 2015-03-31 | 2015-03-31 | Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2585911C1 true RU2585911C1 (ru) | 2016-06-10 |
Family
ID=56115174
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015111779/28A RU2585911C1 (ru) | 2015-03-31 | 2015-03-31 | Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2585911C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU179933U1 (ru) * | 2017-11-20 | 2018-05-29 | Александр Васильевич Сорокин | Пассивный антиколизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием |
RU2665496C1 (ru) * | 2017-11-20 | 2018-08-30 | Александр Васильевич Сорокин | Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием |
WO2019240609A1 (ru) * | 2018-06-15 | 2019-12-19 | Научно-Технический Центр "Радиотехнических Устройств И Систем" С Ограниченной Ответственностью | Мониторинг температуры на основе пассивных линий задержки на поверхностных акустических волнах с функцией антиколлизии |
CN111295770A (zh) * | 2017-07-07 | 2020-06-16 | 艾维亚纳分子技术有限公司 | 具有延迟线编码的多路复用表面声波传感器 |
RU204272U1 (ru) * | 2020-07-03 | 2021-05-18 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Беспроводной датчик измерения температуры шин электрических шкафов |
RU2748868C1 (ru) * | 2020-07-15 | 2021-06-01 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Система измерения температуры шин электрических шкафов |
-
2015
- 2015-03-31 RU RU2015111779/28A patent/RU2585911C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.Ю. Юркин, Т. И. Мохсени, Иерархические подходы к самоорганизации в беспроводных сверхширокополосных сенсорных сетях на основе хаотических радиоимпульсов, ТРУДЫ МФТИ. —? 2012. —? Том 4, . Гуреева О.,Система радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах, Компоненты и нанотехнологии, N6, 2005. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111295770A (zh) * | 2017-07-07 | 2020-06-16 | 艾维亚纳分子技术有限公司 | 具有延迟线编码的多路复用表面声波传感器 |
RU179933U1 (ru) * | 2017-11-20 | 2018-05-29 | Александр Васильевич Сорокин | Пассивный антиколизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием |
RU2665496C1 (ru) * | 2017-11-20 | 2018-08-30 | Александр Васильевич Сорокин | Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием |
WO2019240609A1 (ru) * | 2018-06-15 | 2019-12-19 | Научно-Технический Центр "Радиотехнических Устройств И Систем" С Ограниченной Ответственностью | Мониторинг температуры на основе пассивных линий задержки на поверхностных акустических волнах с функцией антиколлизии |
RU2756413C1 (ru) * | 2018-06-15 | 2021-09-30 | Научно-Технический Центр "Радиотехнических Устройств И Систем" С Ограниченной Ответственностью | Способ и устройство мониторинга температуры на основе пассивных линий задержки на поверхностных акустических волнах с функцией антиколлизии |
RU204272U1 (ru) * | 2020-07-03 | 2021-05-18 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Беспроводной датчик измерения температуры шин электрических шкафов |
RU2748868C1 (ru) * | 2020-07-15 | 2021-06-01 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Система измерения температуры шин электрических шкафов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2585911C1 (ru) | Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации | |
Reindl et al. | Wireless measurement of temperature using surface acoustic waves sensors | |
JP5362004B2 (ja) | 複合多勾配fmチャープ波形を用いた自動車レーダー | |
CN107329142B (zh) | 基于多频相位差的saw rfid标签测距方法 | |
CN1867813B (zh) | 用于测量距离的磁致伸缩传感器 | |
Tao et al. | Estimation of PRI stagger in case of missing observations | |
US10782391B2 (en) | Processing received radiation reflected from a target | |
Sorokin et al. | Comparative characteristics of anti-collision processing of radio signal from identification tags on surface acoustic waves | |
RU2486665C1 (ru) | Радиочастотное устройство идентификации на поверхностных акустических волнах | |
RU2688921C2 (ru) | Способ измерения дальности и радиальной скорости в РЛС с зондирующим составным псевдослучайным ЛЧМ импульсом | |
Shrena et al. | High-precision signal processing algorithm to evaluate SAW properties as a function of temperature | |
CN105136334A (zh) | 一种具有防碰撞功能的声表面波延迟线型无线传感器系统 | |
US20210011142A1 (en) | Method for calibrating an acoustic antenna | |
RU2665496C1 (ru) | Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием | |
Reindl et al. | High precision wireless measurement of temperature by using surface acoustic waves sensors | |
KR101988478B1 (ko) | Mimo 레이더의 안테나 정보 추정 장치 및 방법 | |
RU2756413C1 (ru) | Способ и устройство мониторинга температуры на основе пассивных линий задержки на поверхностных акустических волнах с функцией антиколлизии | |
JP2002372578A (ja) | 距離計 | |
RU179933U1 (ru) | Пассивный антиколизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием | |
Afacan | A new search method for costas arrays by using difference triangle analysis | |
Smirnov et al. | Network of SAW sensors with hyperbolically frequency-modulated reflecting gratings | |
Aliew | An Approach for Precise Distance Measuring Using Ultrasonic Sensors. Eng. Proc. 2022, 24, 8 | |
RU2756034C1 (ru) | Способ однозначной первичной дальнометрии группы целей на фоне узкополосных пассивных помех в режиме высокой частоты повторения импульсов зондирующего сигнала | |
EP4261564A1 (en) | Unambiguous and accurate velocity estimation by frequency-modulated radars | |
RU2668306C1 (ru) | Устройство для геоэлектроразведки |