声表面波谐振器型无源无线温度传感器

The Pa ss ive W ireless Tem pera ture Sen sor of the SAW Resona tor
L i P ing W en Yum ei H uang Shang lian
(T he K ey L abora tory f or Op to2electron ic T echnology & System s of N EM Co llege of O p to 2electron ic Engineering, Chongqing U n iversity, Chongqing 400044, Ch ina)
为参考温度 T 0
下
i 阶温度系数。经合理设计
可以实现线性的温度和固有频率的关系。 如法国国家
科学研究中心物理计量实验室设计的有源有线 SAW
振荡器[3], 采用 L ST 切型石英, 从- 25℃～ 100℃温度
范围内温度系数为:
Α(1) f
=
31×10-
6
℃,
Α(2) f
=
-
2. 1×
10- 14 ℃2, 非线性为: 0. 1℃。 当温度发生变化, 固有频
∃ f= - 17. 8+ 0. 718×T + 0. 0034×T 2
(7)
从该表达式可知, 该传感器的固有频率与发射频
率的偏差和温度关系近似为线性。
图 4 温度测量系统测得的温度与频率的关系
5 结 论
理论分析和实验表明, 采用间歇式正弦信号激励 单端口声表面波谐振器, 其反射波是一幅度衰减的信 号, 其振荡的中心频率是固有频率。利用间歇正弦信号 无线激励声表面波器件, 得到的回波信号频率来确定 随温度等参数变化的固有频率的方法, 提高了遥感测 量的距离和灵敏度。 目前, 可在超过 10 米距离准确地 测量出无源无线传感器的固有频率, 从而确定出环境 的温度。声表面波不仅能感知温度的变化, 经合理设计 后, 而且能测量应力、应变、加速度、位移、化学量和生 物量等众多参量。声表面波无源、无线温度传感器是一 种没有传感器供电, 没有任何物理联线的传感器。它特 别适用于许多复杂恶劣的环境、不能有电池供电的场 合, 这为无源无线传感器用于许多普通传感器无法应 用的特殊环境, 开辟了广泛的应用前景。
1 引 言
无源无线声表面波传感器具有普通传感器没有的 优点, 特别适用于一些不能接触的特定环境下的遥测 和传感。因此, 声表面波无源无线传感器的研究正得到 迅猛的发展[1 ]。
从声表面波遥感的测量原理分, 可分为延迟型和 谐振型两类。 前者输入为高功率、宽频带的射频脉冲, 能够方便进行编码, 但传感距离非常短; 而后者自身损 耗极小, 适应于较远距离的无源无线遥感。 然而, 现有 的文献中采用脉冲冲击信号作为发射信号[1], 由于激 励的宽频带信号只有很窄频带的信号可以反射回来, 因此, 系统损耗很大, 无法在较远距离遥感。
图 3 无线正弦脉冲激励的实际响应波形
对 87. 79M H z 的声表面波谐振器作为无源无线
传感器进行了温度实验, 无线距离在 4 米, 当温度范围
为 30290℃时, 其温度与频率变化的实验数据如图 4
所示。 其拟合曲线可表示为式 7, 均方根误差为: 1. 3。
其灵敏度近似为: 1. 1KH z ℃。
当输入采用间歇正弦脉冲信号:
vi ( t) = co sΞit∏ ( t-
(T T
2) )
(4)
由冲激响应可得间歇脉冲激励信号的响应为:
N
∑ y ( t) = vi ( t) 3 h ( t) = [ T 2 (n- 1) n= 1
∆( t -
2 (n- 1)L ) v0
]3
KW M
(t) 3
W M ( t) 3 [ E0co sΞit∏ ( t-
Abstract T h is p ap er in t roduces a new w ireless sen sing system of the one2po rt SAW tem p era tu re sen so r. It ana lyzes the respon se of the one2po rt SAW excited by in terva l sinu so ida l signa l. T he reflect ing signa l is a decaying signa l and it s frequency is the na tu ra l frequency of the SAW ch ip. T he exp erim en t system w ith h igh efficiency, h igh sp eed and rem o te sen sing ha s been designed and con st ructed. T he exp erim en t in the con st ructed w ireless sen so r system test ifies the va lid ity and fea sib ility of the p rincip le. Key words SAW Pa ssive w ireless sen so r R em o te sen sing
f0=
vs 2L
(1)
其中, vs 为声表面波的在压电材料中的传播速度。
可见, 在接收周期内冲激信号是一幅度衰减的振 荡信号, 其振荡中心频率为器件的固有频率。振荡持续 的时间与器件的品质因素密切相关。 而无线回波振荡 信号的幅度由激励的间歇信号的幅度和占空比决定。 调节激励的间歇信号的占空比, 可改变搜索的频率宽 度, 实现无源无线温度测量。
第 24 卷第 4 期 仪 器 仪 表 学 报 2003 年 8 月
声表面波谐振器型无源无线温度传感器Ξ
李 平 文玉梅 黄尚廉
(重庆大学光电工程学院国家教育部光电技术及系统重点实验室 重庆 400044)
摘要 介绍了一种新型的单端口声表面波谐振器构成的无源无线温度传感器。分析了间歇正弦信号无线激励的单端口声表面波谐 振器的响应特性。该响应为幅度衰减的振荡信号, 振荡的中心频率为声表面波器件固有频率。设计并构造了高效、快速、较远距离自 动无线遥测温度的实验系统, 实验系统验证了测量原理的正确性。 关键词 声表面波 无源无线传感器 遥感测量
第 4 期 声表面波谐振器型无源无线温度传感器
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R 2, 则反射回来的功率信号随距离呈 4 次幂的衰减。可 见, 该反射信号是非常弱的。 此外, 如天线与接收机阻 抗不匹配、馈线有衰减等还将衰减接收信号。
当回波信号的幅度很小, 泄漏的激励信号与回波 信号经过功率收发开关将产生混频, 严重影响回波信 号的质量。为减少发射信号通过功率开关的泄漏影响, 在 R F 功放前端增加了电子开关, 从而增加在接收周 期中对激励信号的隔离。
2 肖鸣三, 宋道仁 1 声表面波器件基础 1 济南: 山东科学技术 出版社, 19801164～ 1661
3 D. H auden. SAW resona to r fo r sen sitive devices. P roc. 34thA nn. F req. Con tro l Sym p. , 1980, 312～ 319.
在系统中, 极化匹配天线满足最大辐射方向与最 大接收方向对准时的雷达测距方程:
P P
r t
=
Ρ
G0tG0r 4Π
[
Κ 4ΠR 1R
2
]2
(6)
式中, P r、P t 分是接收和发射功率; Ρ 是目标的反
射面积; G0t、G0r分别是发射和接收天线增益; R 1、R 2 分
别是发射和接收天线与目标间的接收距离。 若 R 1=
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仪 器 仪 表 学 报 第 2 4 卷
当连续的周期正弦信号通过天线加到 ID T 上, 在 压电基片的表面激励出声表面波, 经反射栅反射到 ID T , 转化为电磁波, 发射给接收机。 当激励频率 f 等 于其固有频率 f0 时, 由于传感器的品质因素 Q 值很 高, 该传感器将发生谐振。 固有频率为:
针对上述问题, 提出了一种新的声表面波谐振型 温度传感器测量原理。 分析了单端口声表面波谐振器
响应特性, 采用间歇的正弦脉冲串信号激励单端口谐 振型声表面波器件, 其回波信号为一幅度衰减的信号。 改变间歇正弦脉冲串信号的占空比, 就可有效地控制 频率的搜索。因此, 所构成的系统只要测出反射信号的 频率就可知道随温度变化的器件固有频率。 同时由于 正弦间歇脉冲串信号激励产生的反射效率远比单个冲 击脉冲激励时产生的反射高, 因此有更高的灵敏度。该 传感器对正弦脉冲串的响应特性不仅简化了设计, 而 且提高了信噪比, 信号处理方便。
Fra Baidu bibliotek
替工作的发射和接收两部分。在发射周期, 激励信号较 强, 且间歇正弦信号的持续时间也较长, 因此, 射频放 大器应将信号功率放大至 30dBm 以上。考虑到对未知 谐振信号的查询, 系统采用 500H z 至 5KH z 重复频率、 占空比可调的间歇正弦波激励。因此, 计算机直接控制 收发开关的信号控制电路, 使激励信号成为所需要的 形式经天线发射出去。
率改变。 只需测量出固有频率, 就能知道温度值。
对于声表面波器件, 它的输入为电压信号, 输出为
短路电流。 声表面波谐振器总的冲激响应是:
N
mR
∑ ∑ h ( t) = ejΞ0t R T 2〔l W ( t- 2lΣ0- iΣ0, m L ·Σ0) 〕
l= 0
i= 0
(3)
其中: m L 为换能器中叉指的对数: Σ0 = 1 2f0; 窗函数 W ( t, m L Σ0) = u ( t) - u ( t- m L Σ0)。
(T T
2) ) ]
(5)
图 2 单端口无源无线声表面波传感器系统示意图
该 无 源 无 线 传 感 器 分 别 采 用 了 87. 79M H z 和 144. 20M H z 等数种石英声表面波谐振器作为无源无 线传感器, 其品质因素Q 均大于 3000。 天线采用小尺 寸的偶极子天线。
谐振型无源无线温度传感器系统分为在时序上交
在接收周期, 收发开关将从无源无线声表面波反 射回来的信号, 经放大后, 下变频到 1M H z 以下的解 调信号, 经计算机的数据采集后, 送计算机实时分析处 理。回波在其频率与固有频率接近时, 调制波的幅度很 大; 当其频率与固有频率相差较远, 调制波的幅度衰减 非常快。 由于无源无线传感器反射的能量非常小, 因 此, 发射频率与固有频率非常接近。
3 无源温度传感器系统的工作原理
无源无线温度传感器系统的组成如图 2 所示。
图 1 单端口无源无线声表面波传感器结构示意图
由 SAW 的温度和固有频率的关系[2]:
f0 (T ) =
f0 (T 0) [ 1+
Α(1) f
(T
-
T 0) +
Α(2) f
(T
-
T 0) 2+ …]
(2)
式中:
Α( i) f
2 SAW 传感器的结构和工作原理
单端口声表面波无源传感器如图 1 所示。 在该结 构中, 每一电极的间距是相等的, 为L。其中, 声反射镜 构成一个声学谐振腔, 而叉指换能器 ( ID T ) 将激励的 能量引入并将谐振腔中能量经天线发射出去。
Ξ 本文于 2001 年 8 月收到, 系国家自然科学基金 (69974044) 及国家教育部留学回国人员基金资助项目。
参考文献
1 A lfred Poh l. A R eview of W ireless SAW Sen so rs. IEEE T ran saction s on U ltra son ic, Ferroelectrics, and F requency Con tro l, 2000, 47 (2) : 317～ 332.
4 实 验
采用标称谐振频率为 f0= 144. 20M H z, 频宽范围 f0 ±80kH z 的声表面波谐振器, 通过无源匹配网络和 偶极子天线相连, 在 100cm 以内观察它对无线激励信 号的 响 应。 当 用 正 弦 脉 冲 激 励, 激 励 频 率 f = fδ700kH z, 脉冲周期 1kH z, 占空比 50%。 无线返回的响 应信号通过放大和用 fδ作本振下变频后的波形如图 3。