TWI690720B - 非接觸式振動感測器 - Google Patents

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Abstract

一種非接觸式振動感測器包含一無線收發裝置、一濾波器及一振幅解調單元，該無線收發裝置用以發出一發射訊號至一物體，並接收由該物體反射之一反射訊號，且該無線收發裝置被該反射訊號注入鎖定而產生一自我注入鎖定訊號，該濾波器電性連接該無線收發裝置以接收該自我注入鎖定訊號，且該濾波器將該自我注入鎖定訊號由頻率調制轉換為振幅調制而輸出一振幅調制訊號，該振幅解調單元電性連接該濾波器以接收該振幅調制訊號，且該振幅解調單元對該振幅調制訊號進行振幅解調而輸出一解調訊號。

Description

非接觸式振動感測器
本發明是關於一種振動感測器，特別是關於一種非接觸式振動感測器。
非接觸式振動感測器具有遠距離量測物體振動的功效，已成為振動感測器的研究重點，非接觸式振動感測器大致上可分為直接轉頻雷達(Direct-conversion radar)及自我注入鎖定雷達(Self-injection locked radar)。其中，自我注入鎖定雷達透過無線訊號的都普勒效應以及振盪器的自我注入鎖定現象進行物體振動的偵測，且由於自我注入鎖定雷達對於物體之振動具有極高的靈敏度，而相當適用於偵測生物體的生命徵象。請參閱台灣專利申請102116921及101120769號，該兩個前案揭露以自我注入鎖定雷達進行生物體之生命徵象的感測，一般而言，自我注入鎖定雷達是藉由頻率解調單元對注入鎖定訊號進行頻率解調，而測得生物體的生理徵象。
本發明的主要目的是藉由濾波器將無線收發裝置輸出之自我注入鎖定訊號由頻率調制轉換為振幅調制，而可透過振幅解調測得物體之振動，可讓非接觸式振動感測器之解調單元的結構設計較為簡單。
本發明之一種非接觸式振動感測器包含一無線收發裝置、一濾波器及一振幅解調單元，該無線收發裝置用以發出一發射訊號至一物體，並接收由該物體反射之一反射訊號，且該無線收發裝置被該反射訊號注入鎖定而產生一自我注入鎖定訊號，該濾波器電性連接該無線收發裝置以接收該自我注入鎖定訊號，且該濾波器將該自我注入鎖定訊號由頻率調制轉換為振幅調制而輸出一振幅調制訊號，該振幅解調單元電性連接該濾波器以接收該振幅調制訊號，且該振幅解調單元對該振幅調制訊號進行振幅解調而輸出一解調訊號。
本發明藉由該濾波器將該自我注入鎖定訊號的頻率調制轉換為振幅調制，而可透過振幅解調單元進行振幅解調，使得該非接觸式振動感測器之解調單元的設計可較為簡單。
請參閱第1圖，其為本發明之一實施例，一種非接觸式振動感測器100的功能方塊圖，該非接觸式振動感測器100具有一無線收發裝置110、一濾波器120及一振幅解調單元130，該濾波器120電性連接該無線收發裝置110，該振幅解調單元130電性連接該濾波器120，其中，該無線收發裝置110為一自我注入鎖定無線收發裝置，其用以發出一發射訊號S T至一物體O，並接收由該物體O反射之一反射訊號S R，該無線收發裝置110被該反射訊號S R注入鎖定而產生一自我注入鎖定訊號S SIL。
其中，若該物體O與該無線收發裝置110之間有著相對位移時，相對位移會對該發射訊號S T產生都普勒效應(Doppler effect)，這使得該反射訊號S R含有相對位移造成的都普勒相移成份，因此，該無線收發裝置110被該反射訊號S R自我注入鎖定後，其輸出之該自我注入鎖定訊號S SIL的頻率變化量會與都普勒相移的大小成正比。請參閱第2圖，在本發明之一第一實施例中，該無線收發裝置110具有一自我注入鎖定振盪器111及一收發天線112，在本實施例中，該自我注入鎖定振盪器111為一壓控振盪器，其接收一輸入電壓(圖未繪出)，該自我注入鎖定振盪器111產生一振盪訊號S O，該振盪訊號S O之一中心振盪頻率是由該輸入電壓控制，該收發天線112接收該振盪訊號S O並將其發射為該發射訊號S T至該物體O，該收發天線112接收該物體O反射之該反射訊號S R為一注入訊號S I，且該注入訊號S I注入該自我注入鎖定振盪器111，使該自我注入鎖定振盪器111處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)。該收發天線112可為單天線系統由同一天線收發訊號，或是雙天線系統而由不同天線進行收發訊號，本發明不在此限。
請參閱第1圖，該濾波器120電性連接該無線收發裝置110以接收該自我注入鎖定訊號S SIL，該濾波器120可選自為一低通濾波器、一帶通濾波器或一高通濾波器。其中，請參閱第2圖，在第一實施例中，該濾波器120為一表面聲波濾波器(Surface acoustic wave filter)且具有陡峭衰減斜率(Roll-off rate)之特性，該無線收發裝置110發出之該發射訊號S T的一中心振盪頻率操作於該濾波器120之一禁帶(Stop band)上，在本實施例中，該無線收發裝置110輸出之該自我注入鎖定訊號S SIL因為反射訊號S R之都普勒相移成份所產生的頻率變化也在該濾波器120之該禁帶上，這會讓該濾波器120因該自我注入鎖定訊號S SIL頻率變化而輸出不同振幅之訊號，使得頻率變化量可經由該濾波器120轉換為振幅變化，因此，該濾波器120可將該自我注入鎖定訊號S SIL由頻率調制轉換為振幅調制而輸出一振幅調制訊號S AM。較佳的，在本實施例中，該濾波器120是經由一緩衝器接收該無線收發裝置110輸出之該自我注入鎖定訊號S SIL，而可避免該濾波器120反射訊號至該無線收發裝置110而影響該無線收發裝置110的自我注入鎖定。
請參閱第1圖，該振幅解調單元130電性連接該濾波器120以接收該振幅調制訊號S AM，且該振幅解調單元130對該振幅調制訊號S AM進行振幅解調而輸出一解調訊號S demod。請參閱第2圖，在第一實施例中，該振幅解調單元130為為一包絡檢波器(Envelope detector)，其用以檢測該振幅調制訊號S AM的功率變化而達成振幅解調，並得到該物體O與該無線收發裝置110之間的相對位移，完成物體O振動之偵測。
請參閱第3圖，其為本發明之一第二實施例，相同地，該無線收發裝置110為一自我注入鎖定無線收發裝置，該振幅解調單元130亦為一包絡檢波器。第二實施例與第一實施例的主要差異在於該濾波器120為一柴比雪夫濾波器(Chebyshev filter)，使得該濾波器120之一通帶(Pass band)具有波紋波動之特性，在本實施例中，該發射訊號S T的一中心振盪頻率可操作於該濾波器120之一通帶上，由於該濾波器120之該通帶具有波紋波動之特性，因此，該濾波器120因該自我注入鎖定訊號S SIL頻率變化而輸出不同振幅之訊號，使得頻率變化量可經由該濾波器120轉換為振幅變化，相同地，該濾波器120可將該自我注入鎖定訊號S SIL由頻率調制轉換為振幅調制而輸出該振幅調制訊號S AM。
本發明藉由該濾波器120將該自我注入鎖定訊號S SIL的頻率調制轉換為振幅調制，而可透過振幅解調單元130進行振幅解調，使得該非接觸式振動感測器100之解調單元的設計可較為簡單。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100:非接觸式振動感測器 110:無線收發裝置 111:自我注入鎖定振盪器 112:收發天線 120:濾波器 130:振幅解調單元 O:物體 ST:發射訊號 SR:反射訊號 SSIL:自我注入鎖定訊號 SAM:振幅調制訊號 Sdemod:解調訊號 SO:振盪訊號 SI:注入訊號
第1圖： 依據本發明之一實施例，一非接觸式振動感測器的功能方塊圖。 第2圖： 依據本發明之一第一實施例，一非接觸式振動感測器的電路圖。 第3圖： 依據本發明之一第二實施例，一非接觸式振動感測器的電路圖。
100:非接觸式振動感測器
110:無線收發裝置
120:濾波器
130:振幅解調單元
ST:發射訊號
SR:反射訊號
SSIL:自我注入鎖定訊號
SAM:振幅調制訊號
Sdemod:解調訊號
O:物體

Claims (10)

  1. 一種非接觸式振動感測器，其包含：一無線收發裝置，用以發出一發射訊號至一物體，並接收由該物體反射之一反射訊號，且該無線收發裝置被該反射訊號注入鎖定而產生一自我注入鎖定訊號；一濾波器，電性連接該無線收發裝置以接收該自我注入鎖定訊號，且該濾波器將該自我注入鎖定訊號由頻率調制轉換為振幅調制而輸出一振幅調制訊號；以及一振幅解調單元，電性連接該濾波器以接收該振幅調制訊號，且該振幅解調單元對該振幅調制訊號進行振幅解調而輸出一解調訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式振動感測器，其中該發射訊號的一中心振盪頻率操作於該濾波器之一禁帶(Stop band)上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式振動感測器，其中該濾波器可選自為一低通濾波器、一帶通濾波器或一高通濾波器。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之非接觸式振動感測器，其中該濾波器具有陡峭衰減斜率(Roll-off rate)。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之非接觸式振動感測器，其中該濾波器為一表面聲波濾波器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式振動感測器，其中該濾波器之一通帶具有波紋波動之特性。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式振動感測器，其中該濾波器為一柴比雪夫濾波器(Chebyshev filter)。
  8. 如申請專利範圍第6或7項所述之非接觸式振動感測器，其中該發射訊號的一中心振盪頻率操作於該濾波器之一通帶上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式振動感測器，其中該無線收發裝置具有一自我注入鎖定振盪器及一收發天線，該自我注入鎖定振盪器用以產生一振盪訊號，該收發天線接收該振盪訊號並將發射為該發射訊號，且該收發天線接收該反射訊號為一注入訊號，該注入訊號注入該自我注入鎖定振盪器，使該自我注入鎖定振盪器處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式振動感測器，其中該振幅解調單元為一包絡檢波器(Envelope detector)。
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