WO2008037547A2 - Dispositif d'interrogation d'un capteur passif de type a ondes acoustiques de surface - Google Patents

Dispositif d'interrogation d'un capteur passif de type a ondes acoustiques de surface Download PDF

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Gilles Martin
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    • G06K7/082—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by means detecting the change of an electrostatic or magnetic field, e.g. by detecting change of capacitance between electrodes using inductive or magnetic sensors
    • G06K7/083—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by means detecting the change of an electrostatic or magnetic field, e.g. by detecting change of capacitance between electrodes using inductive or magnetic sensors inductive
    • G06K7/086—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by means detecting the change of an electrostatic or magnetic field, e.g. by detecting change of capacitance between electrodes using inductive or magnetic sensors inductive sensing passive circuit, e.g. resonant circuit transponders

Definitions

  • the field of the invention is that of passive sensor interrogation devices and in particular surface acoustic wave sensor.
  • FIG. 1 illustrates an example of a sensor comprising two transducers T 1 and T 2 with interdigital electrode combs placed between reflecting arrays Rn, R 12 , R 2 i, R 22 - the reflector gratings behave like mirrors and there exists therefore resonant frequencies for which the return path in the cavity is equal to an integer number of wavelengths. The resonance modes for these frequencies are excited by the transducer placed between the mirrors.
  • This type of sensor can be interrogated remotely, by connecting the transducer input to an RF radio frequency antenna.
  • the antenna receives an electromagnetic signal, it gives rise to waves on the surface of the substrate which are themselves converted into electromagnetic energy on the antenna.
  • the device consisting of a set of resonators connected to an antenna has a response to the resonant resonance frequencies that can be measured remotely. It is thus possible to carry out remote interrogable sensors. This possibility is an important advantage of surface acoustic waves and can be used especially in the context of pneumatic pressure sensors. It is indeed interesting in this type of application to be able to place the sensor in the tire while the interrogation electronics is on board the vehicle.
  • remote interrogation systems use interrogation signals in the form of pulses (typically with a period of about 10 ⁇ s) which pass via a transmitting antenna towards a receiving antenna connected to the wave sensor.
  • interrogation signals typically in the form of pulses (typically with a period of about 10 ⁇ s) which pass via a transmitting antenna towards a receiving antenna connected to the wave sensor.
  • An alternative solution of the known art consists in replacing the coupler by a mixer: in this case the cancellation of the direct signal is obtained by mixing with a signal in quadrature thus imposing a phase shift of 90 °. In this case, a more efficient result is achieved but only phase information from the sensor is also obtained.
  • the present invention proposes a solution comprising the use of a continuous interrogation signal combined with the use of a frequency demodulator allowing not only the determination of the phase of the received signal but also its amplitude.
  • the subject of the invention is a device for remote interrogation of the resonance frequency of a passive sensor, said device comprising means for transmitting an interrogation signal at a plurality of frequencies towards said passive sensor, means for receiving a signal comprising the resonant frequencies of the passive sensor, means for analyzing said frequencies, characterized in that the transmission signal is a continuous signal and said device further comprises a demodulator and a so-called low-pass filter, allowing selecting at least one frequency band centered on at least one resonant frequency of the passive sensor.
  • the demodulator coupled to the filter makes it possible to collect, at the level of the signal received, only the frequency band around the interrogation frequency and thus to get rid of the set of ambient parasitic elements not related to the intrinsic response of the sensor. passive.
  • the low-pass filter has a cutoff frequency of less than 10 Khertz.
  • the device comprises a first coupler for separating the interrogation signal into a signal to be sent towards the passive sensor and a reference signal.
  • the device further comprises a phase shifter for varying the phase shift of the reference signal.
  • the remote interrogation device comprises means for applying series of four different phase shifts so as to compensate for variations in distance between the means for transmitting a signal and the passive sensor.
  • the means for transmitting an interrogation signal comprise a radiofrequency generator.
  • the interrogation device comprises a voltage controllable oscillator for generating signals whose frequencies vary according to the control voltages applied to it.
  • the device comprises an antenna for transmitting the interrogation signal and a second coupler for sending a part of the interrogation signal towards said transmitting antenna.
  • FIG. 1 illustrates a SAW type passive sensor intended to be interrogated by the interrogation device of the invention
  • FIG. 2 illustrates an example of a device for remote interrogation of a passive sensor according to the invention
  • FIGS. 3a, 3b, 3c show response curves obtained with different phase shift values applied to the reference signal
  • FIG. 4 illustrates in more detail an example of an interrogation signal generator used in an exemplary device for remote interrogation of a passive sensor according to the invention.
  • the remote interrogation device of the invention is particularly well suited to the detection of information from a surface acoustic wave sensor whose resonant frequencies are typically located in the so-called ISM frequency band (Industrial Scientific Medical) and corresponding to frequencies between about 868 MHz and 2.45 GHz.
  • ISM frequency band Industrial Scientific Medical
  • RF radio frequency generator is used to interrogate this type of sensor.
  • FIG. 2 illustrates a diagram of the device of the invention, comprising a reference RF generator 1, of variable frequency in the ISM band used, a first coupler 2 making it possible to separate a part of the interrogation signal in a first signal 10 and a reference signal 11
  • the signal 10 is directed towards a second coupler 3, making it possible to send part of this interrogation signal via a transmitting antenna 7 towards a SAW passive sensor (comprising at least one resonator 9), coupled to an antenna 8.
  • the response of the passive sensor results in the transmission of a response signal 12, via the antennas 8 and 7 which is sent towards a demodulator 5.
  • the reference signal is as for him sent in a phase-shifter 4 to generate a reference signal which can be out of phase 13.
  • the demodulator 5 receives both the phase-shifted reference signal 13 and the signal 12 from the SAW sensor. It allows at the output to obtain information on the phase difference between the signal of reference and the received signal as well as amplitude variation information.
  • the demodulator is coupled to a low pass filter 6 and provides a low frequency signal characteristic of the impedance disturbance of the coupled coupler path by the resonator.
  • a good signal-to-noise ratio of the data acquired at the output of the demodulator in order to efficiently identify the peaks requires a bandpass filtering of the signal coming from the demodulator.
  • the demodulator is also coupled to the low-pass filter 6 making it possible to filter the frequencies of the received signal over a very low frequency range.
  • the bandwidth used may be about 10 kHertz.
  • this low-pass filter can be put in series with a second low-pass filter 6 to improve performance.
  • two bandpass filters in series provide an output gain of 2 x 20 dB and filtering between 50 Hz and 10OkHz.
  • the phase shifter in the reference arm has the function of compensating the phase shift associated with the propagation time of the interrogator antenna to the resonator and thus always obtaining at the output of the demodulator a signal of given shape (for example with positive peaks ). Indeed, the Applicant has observed that for each interrogation frequency, varying the phase-shifter between four values (0, 90, 180 and 270 degrees) ensures that at least one curve has the form required for an automatic search processing. maxima of energy returned by the interrogated resonator.
  • FIGS. 3a, 3b, 3c show the evolution of the recorded responses as a function of phase shifts applied at the level of the reference signal.
  • the continuous upper curves are relative to the interrogation signal
  • the lower curves are relative to the SAW sensor responses, and give as a function of the frequency the intensity of the transmitted and received signal and this for 3 values of different phase shift.
  • phase shifts are relative, we can nevertheless define an evolution between the 3 curves of 90 degrees: 0, 90 and 180 degrees.
  • FIG. 4 illustrates in more detail an example of an RF generator used in an interrogation device according to the invention.
  • the interrogation frequency can be provided by a frequency synthesizer 20, which slaves a reference oscillator 21.
  • the assembly is coupled to a frequency multiplication group comprising a device 22 called PPL (Phase Locked Loop) which is a circuit conventional frequency multiplication: from a high frequency output HF from the frequency synthesizer (which can only operate up to 60 MHz), this frequency is multiplied by 8 to reach the ISM band at 433 MHz, and a voltage controllable oscillator 23 (VCO) for delivering continuous frequencies in the frequency range of the considered ISM band.
  • PPL Phase Locked Loop
  • the principle of the PLL is to compare the generated signal with a reference oscillator at a lower frequency than the signal from the PLL: here the phase is compared between the output signal whose frequency is divided by 8 to the reference signal. The result is to generate a signal at 8 times the reference frequency by the VCO, 23 enslaved on the output of the comparison.
  • the presence of additional lines in the transmitted spectrum is only associated with the frequency sweeps of this interrogation source: a sufficiently slow or continuous sweep guarantees the respect of the ISM standard even close to the limits of the aurorated band.
  • the problem of the presence of stray lines is only associated with the interrogation algorithm of the resonator (identification of its resonant frequency) and therefore the refresh rate of the information.
  • the low-pass filter 6 is advantageously connected in series with a second low-pass filter, to deliver a signal sent to a data acquisition and control processor 60 capable of analyzing the phase and data information. amplitude of the signal emitted by the SAW sensor.
  • the phase shifter 4 is, for its part, controlled by voltage by means 40.
  • the remote interrogation device of the invention makes it possible to ensure greater spectral purity in the absence of cutting of the transmission since it comprises a transmission keep on going.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'interrogation à distance des fréquences de résonance d'un capteur passif, ledit dispositif comprenant des moyens pour émettre un signal d'interrogation à une pluralité de fréquences en direction dudit capteur passif, des moyens pour recevoir un signal comportant les fréquences de résonance du capteur passif, des moyens pour analyser lesdites fréquences, dans lequel le signal d'émission est un signal continu et comprenant en outre un démodulateur et un filtre dit passe-bas, permettant de sélectionner une bande de fréquences centrées sur la fréquence de résonance du capteur passif.

Description

Dispositif d'interrogation d'un capteur passif de type à ondes acoustiques de surface
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs d'interrogation de capteur passif et notamment de capteur à ondes acoustiques de surface.
Ces capteurs sont connus pour être utilisés par exemple comme capteur de température ou de pression et comprennent généralement au moins un résonateur comportant une micro-structure déposée à la surface d'un substrat piézoélectrique. La figure 1 illustre un exemple de capteur comportant deux transducteurs T1 et T2 à peignes d'électrodes interdigitées placés entre des réseaux réflecteurs Rn, R12, R2i,R22- Les réseaux réflecteurs se comportent comme des miroirs et il existe donc des fréquences de résonance pour lesquelles le trajet retour dans la cavité est égal à un nombre entier de longueurs d'onde. Les modes de résonance pour ces fréquences sont excités par le transducteur placé entre les miroirs.
Ce type de capteur peut être interrogé à distance, en connectant l'entrée du transducteur à une antenne radiofréquence RF. Lorsque l'antenne reçoit un signal électromagnétique, celui-ci donne naissance à des ondes sur la surface du substrat qui sont elles-mêmes reconverties en énergie électromagnétique sur l'antenne. Ainsi, le dispositif constitué d'un ensemble de résonateurs connecté à une antenne a une réponse aux fréquences de résonance des résonateurs qu'il est possible de mesurer à distance. On peut ainsi réaliser des capteurs interrogeables à distance. Cette possibilité est un avantage important des ondes acoustiques de surface et peut être utilisée notamment dans le cadre des capteurs de pression pneumatiques. Il est en effet intéressant dans ce type d'application de pouvoir placer le capteur dans le pneumatique alors que l'électronique d'interrogation est embarquée à bord du véhicule.
Selon l'art connu, des systèmes d'interrogation à distance utilisent des signaux d'interrogation sous forme de puise (typiquement de période environ 10 μs) qui transite via une antenne émettrice en direction d'une antenne réceptrice connectée au capteur à ondes de surface dénommé ci- après dans la description, capteur SAW.
Selon une première approche, il a déjà été proposé, de découper le signal émis en l'interrompant lors d'une phase d'écoute de la réponse du capteur. Selon une approche plus récente, il a été proposé d'annuler le signal émis par interférences destructrices au niveau de l'amplificateur de réception et ainsi ne conserver que le signal transmis par le capteur. En éliminant le découpage il est possible de considérablement réduire les raies indésirables associées au découpage. Cependant la difficulté majeure associée à cette alternative, réside dans la capacité à annuler efficacement et de façon fiable le signal direct.
C'est pourquoi, il a été proposé, pour pallier le problème de l'annulation du signal direct, d'utiliser un déphaseur de 180° et une sommation par coupleur. La mise en pratique d'un tel circuit présente cependant des limitations, puisque l'efficacité de l'annulation, évaluée à environ 30 dB conduit à une amplification insuffisante au niveau de l'étage de réception pour atteindre une portée raisonnable.
Une solution alternative de l'art connu consiste à remplacer le coupleur par un mélangeur : dans ce cas l'annulation du signal direct est obtenue par mélange avec un signal en quadrature donc imposant un déphasage de 90°. Dans ce cas, un résultat plus performant est atteint mais seule une information de phase en provenance du capteur est également obtenue. Dans ce contexte, la présente invention propose une solution comprenant l'utilisation d'un signal d'interrogation continu combinée à l'utilisation d'un démodulateur de fréquence permettant non seulement la détermination de la phase du signal reçu mais également son amplitude.
Ceci permet d'une part de réduire le risque de fausses alarmes en dupliquant les signaux caractéristiques de la présence d'un résonateur (par exemple un signal issu d'un émetteur autre que le dispositif d'interrogation de l'invention se traduira par un signal d'amplitude mais également par une phase incohérente), et d'autre part de tirer une information de distance du dispositif puisque le signal de phase peut être rendu indépendant de la distance (par le contrôle de gain automatique inclus dans le démodulateur tandis que le signal d'amplitude décroît avec la distance.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif d'interrogation à distance de la fréquence de résonance d'un capteur passif, ledit dispositif comprenant des moyens pour émettre un signal d'interrogation à une pluralité de fréquences en direction dudit capteur passif, des moyens pour recevoir un signal comportant les fréquences de résonance du capteur passif, des moyens pour analyser lesdites fréquences, caractérisé en ce que le signal d'émission est un signal continu et que ledit dispositif comprend en outre un démodulateur et un filtre dit passe-bas, permettant de sélectionner au moins une bande de fréquences centrées sur au moins une fréquence de résonance du capteur passif.
Le démodulateur couplé au filtre, permet de prélever au niveau du signal reçu, uniquement la bande de fréquence autour de la fréquence d'interrogation et ainsi de s'affranchir de l'ensemble d'éléments parasites ambiants non liés à la réponse intrinsèque du capteur passif.
Selon une variante de l'invention, le filtre passe-bas présente une fréquence de coupure inférieure à 10 Khertz.
Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend un premier coupleur permettant de séparer le signal d'interrogation en un signal à envoyer en direction du capteur passif et en un signal de référence.
Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend en outre un déphaseur permettant de faire varier le déphasage du signal de référence.
Selon une variante de l'invention, le dispositif d'interrogation à distance comprend des moyens pour appliquer des séries de quatre déphasages différents de manière à compenser des variations de distance entre les moyens pour émettre un signal et le capteur passif.
Selon une variante de l'invention, les moyens pour émettre un signal d interrogation comprennent un générateur radiofréquence.
Selon une variante de l'invention, le dispositif d'interrogation comprend un oscillateur commandable en tension pour générer des signaux dont les fréquences varient en fonction des tensions de commande qui lui sont appliqué.
Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend une antenne d'émission du signal d'interrogation et un second coupleur pour envoyer une partie du signal d'interrogation en direction de ladite antenne d'émission.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre un capteur passif de type SAW destiné à être interrogé par le dispositif d'interrogation de l'invention ; la figure 2 illustre un exemple de dispositif d'interrogation à distance d'un capteur passif selon l'invention ; - les figures 3a, 3b, 3c montrent des courbes de réponse obtenues avec différentes valeurs de déphasage appliquées au signal de référence ; la figure 4 illustre de manière plus détaillée un exemple de générateur de signal d'interrogation utilisé dans un exemple de dispositif d'interrogation à distance d'un capteur passif selon l'invention.
De manière générale, le dispositif d'interrogation à distance de l'invention est particulièrement bien adapté à la détection d'informations issues de capteur à ondes acoustiques de surface dont les fréquences de résonance sont typiquement situées dans la bande de fréquence dite ISM (Industrial Scientific Médical) et correspondant à des fréquences comprises entre environ 868 MHz et 2,45 GHz. Pour interroger ce type de capteur, un générateur radiofréquence RF est utilisé. La figure 2 illustre un schéma du dispositif de l'invention, comprenant un générateur RF référence 1 , de fréquence variable dans la bande ISM utilisée, un premier coupleur 2 permettant de séparer une partie du signal d'interrogation en un premier signal 10 et un signal de référence 11 Le signal 10 est dirigé vers un second coupleur 3, permettant d'envoyer une partie de ce signal d'interrogation via une antenne d'émission 7 en direction d'un capteur passif de type SAW (comprenant au moins un résonateur) 9, couplé à une antenne 8. La réponse du capteur passif se traduit par l'émission d 'un signal de réponse 12, via les antennes 8 et 7 qui est envoyé en direction d'un démodulateur 5. Le signal de référence est quant à lui envoyé dans un déphaseur 4 pour générer un signal de référence pouvant être déphasé 13.
Le démodulateur 5 reçoit à la fois le signal de référence déphasé ou non 13 et le signal 12 en provenance du capteur SAW. Il permet en sortie d'obtenir des informations sur la différence de phase entre le signal de référence et le signal reçu ainsi que des informations de variations d'amplitude.
Le démodulateur est couplé en sortie à un filtre passe-bas 6 et fournit un signal basse fréquence caractéristique de la perturbation de l'impédance de la voie couplée du coupleur par le résonateur.
Un bon rapport signal sur bruit des données acquises en sortie du démodulateur afin d'identifier efficacement les pics nécessite un filtrage en passe-bande du signal issu du démodulateur. C'est pourquoi, le démodulateur est également couplé au filtre passe-bas 6 permettant de filtrer sur une plage de fréquence très faible les fréquences du signal reçu. Typiquement la largeur de bande utilisée peut-être d'environ 10 kHertz. Avantageusement ce filtre passe-bas peut être mis en série avec un second filtre passe-bas 6 pour améliorer les performances. Typiquement, deux filtres passe-bande en série fournissent un gain en sortie de 2 x 20 dB et un filtrage entre 50 Hz et 10OkHz.
Le déphaseur dans le bras de référence a pour fonction de compenser le déphasage associé au temps de propagation de l'antenne de l'interrogateur au résonateur et ainsi de toujours obtenir en sortie du démodulateur un signal de forme donnée (par exemple avec des pics positifs). En effet, la demanderesse a observé que pour chaque fréquence d'interrogation, faire varier le déphaseur entre quatre valeurs (0, 90, 180 et 270 degrés) garantit qu'une courbe au moins présente la forme requise pour un traitement automatique de recherche de maxima d'énergie retournée par le résonateur interrogé. Cette caractéristique est notamment très intéressante dans des applications automobiles pour lesquelles, le capteur passif sert de capteur de pression et est disposé au niveau d'une roue sans cesse en mouvement ; en effet dans ce type d'applications, la distance du capteur passif au système d'interrogation et d'analyse centralisé varie et rend le problème des variations de temps de propagation particulièrement aigu. Pour illustrer ce phénomène, les courbes des figures 3a, 3b, 3c montrent l'évolution des réponses enregistrées en fonction de déphasages appliqués au niveau du signal de référence. Les courbes supérieures continues sont relatives au signal d'interrogation, les courbes inférieures sont relatives aux réponses du capteur SAW, et donnent en fonction de la fréquence l'intensité du signal émis et reçu et ce pour 3 valeurs de déphasage différentes. Ces déphasages sont relatifs, on peut définir néanmoins une évolution entre les 3 courbes de 90 degrés : soit 0, 90 et 180 degrés.
La figure 4 illustre de manière plus détaillée un exemple de générateur RF utilisé dans un dispositif d'interrogation selon l'invention. La fréquence d'interrogation peut être fournie par un synthétiseur de fréquence 20, qui asservit un oscillateur de référence 21. L'ensemble est couplé à un groupe de multiplication de fréquences comportant un dispositif 22 appelé PPL (Phase Locked Loop) qui est un circuit classique de multiplication de fréquence : à partir d'une sortie haute fréquence HF issue du synthétiseur de fréquences (qui ne peut fonctionner que jusqu'à 60 MHz), on multiplie par 8 cette fréquence pour atteindre la bande ISM à 433 MHz, et un oscillateur 23 commandable en tension (VCO) pour délivrer des fréquences continues dans la gamme de fréquence de la bande ISM considérée. Le principe de la PLL est de comparer le signal généré avec un oscillateur de référence à plus basse fréquence que le signal issu de la PLL : ici on compare la phase entre le signal de sortie dont la fréquence est divisée par 8 au signal de référence. Le résultat est de générer un signal à 8 fois la fréquence de référence par le VCO, 23 asservi sur la sortie de la comparaison. La présence de raies additionnelles dans le spectre émis est uniquement associée aux balayages en fréquence de cette source d'interrogation : un balayage suffisamment lent ou continu garantit le respect de la norme ISM même près des limites de la bande aurtorisée. Ainsi, le problème de la présence de raies parasites est uniquement associé à l'algorithme d'interrogation du résonateur (identification de sa fréquence de résonance) et donc à la fréquence de rafraîchissement de l'information.
Dans cet exemple, le filtre passe-bas 6 est avantageusement monté en série avec un second filtre passe-bas, pour délivrer un signal envoyé vers un processeur de contrôle et d'acquisitions de données 60 capable d'analyser les informations de phase et d'amplitude du signal émis par le capteur SAW. Le déphaseur 4 est quant à lui, commandé en tension par des moyens 40.
Il est à noter que de manière générale, le dispositif d'interrogation à distance de l'invention permet d'assurer une plus grande pureté spectrale en l'absence de découpage de l'émission puisqu'il comprend une émission continue. Le travail sur un signal démodulé et donc l'analyse d'une bande de fréquence réduite autour de la fréquence d'interrogation, résulte en une meilleure immunité aux émissions parasites dans la même gamme de fréquence et un meilleur rapport signal sur bruit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'interrogation à distance des fréquences de résonance d'un capteur passif (9), ledit dispositif comprenant des moyens (1 , 3) pour émettre un signal d'interrogation à une pluralité de fréquences en direction dudit capteur passif, des moyens (8) pour recevoir un signal comportant les fréquences de résonance du capteur passif, des moyens (60) pour analyser lesdites fréquences, caractérisé en ce que le signal d'émission est un signal continu et que ledit dispositif comprend en outre un démodulateur (5) et un filtre dit passe-bas (6), permettant de sélectionner une bande de fréquences centrées sur la fréquence de résonance du capteur passif, et en ce qu'il comprend un premier coupleur (2) permettant de séparer le signal d'interrogation en un signal à envoyer en direction du capteur passif et un signal de référence
2. Dispositif d'interrogation à distance selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le filtre passe-bas présente une fréquence de coupure inférieure à 10 khertz.
3. Dispositif d'interrogation à distance selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un déphaseur (4,40) permettant de faire varier le déphasage du signal d'interrogation.
4. Dispositif d'interrogation à distance selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer des séries de quatre déphasages différents de manière à compenser des variations de distance entre les moyens pour émettre un signal et le capteur passif.
5. Dispositif d'interrogation à distance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour émettre un signal d'interrogation comprennent un générateur radiofréquence.
6. Dispositif d'interrogation à distance selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur commandable en tension pour générer des signaux dont les fréquences varient en fonction des tensions de commande qui lui sont appliqué.
7. Dispositif d'interrogation à distance selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une antenne d'émission du signal d'interrogation et un second coupleur pour envoyer une partie du signal d'interrogation en direction de ladite antenne d'émission.
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