[发明专利]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

说明书

【技术领域】

本发明涉及声表面波无线传感器，特别涉及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。

【背景技术】

电力网设备温度实时监控，是智能电网的基础手段，市场需求迫切。由于电力网的特殊环境，常规温度传感器无法应用，采用声表面波无线传感器遥测技术是国际公认较优方案。

近年来开发的基于雷达原理的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)无线传感器，不需外界电源，抗干扰能力强，能在各种恶劣环境(例如高温、强电磁干扰和核辐射等)中可靠工作，是常用IC传感器的补充，必将成为物联网的基础元件，在现代工业、农业、交通和环境保护等领域中发挥其独特作用。

SAW无线传感器的工作原理是：传感器的探头(应答器)周围环境物理量、化学量和生物量的变化会引起其中SAW传感芯片电气特性的偏移，通过检测这些偏移就能监测周围环境物理量、化学量和生物量等参量，在个体识别(标签)、物理、化学、生物传感器系统中将有极大应用前景。

例如，2008年初全国电力系统因雪灾造成的直接经济损失约为400亿元，占全国雪灾损失的22.3％。如果能采用SAW无线温度传感器直接监测电力网架空输电线温度，并采取有力预防措施，就可大大减小这些损失。特别是2011年日本核电站事故，使人们认识到在恶劣环境中能正常工作的传感器是多么的重要。如果核电站布局了SAW无线传感器，随时实时检测危险区域温度，就能使核电站运行有效和安全，推进未来核能源的广泛应用。

除非特别说明，在不会产生误解时，本说明书将把“无线传感器”中“无线”两字省略。

不失一般性，我们以最常采用的温度传感器为例，说明本发明相关事项。

现今，声表面波传感器系统，均采用雷达原理，由阅读器、应答器及后台处理三部分组成，图1示意了其基本框图。应答器即传感器探头，仅由声表面波传感芯片，微型天线和适用封装件构成，是无源无线部件。阅读器由激励脉冲产生发射、回波信号接收处理、后台接口及控制等电路和收发天线组成。后台处理是系统应用层。目前，阅读器发射的询问脉冲是矩形单频载波脉冲，芯片上实现电-声-电转换功能的换能器是相应的常规均匀叉指换能器，其长度配合脉冲宽度。

传感器系统的工作原理如下：阅读器主动发射询问脉冲，被应答器微型接收天线接收后，馈电到声表面波传感芯片的输入叉指换能器。当询问脉冲参数与输入叉指换能器参数相近时，由于(逆)压电效应，会产生高频回波，并由应答器微型发射天线发回到阅读器。由于回波特性(频率、相位、延时等)易受传感芯片所处环境影响，故被阅读器接收的回波已携带有传感器探头所处环境特征，例如温度等。所以处理回波特性，即可达到实时遥测目的。

根据声表面波传感芯片产生回波的机制，声表面波无线传感器芯片可分为三种：

第一种是声表面波谐振器型(图2)，其应答器芯片就是一个有适当温度特性的声表面波谐振器，它利用了声表面波谐振器的高Q谐振特性，此时应答器微型天线收发共用。

谐振型芯片，在被与其谐振频率相近的询问脉冲受迫激励时，会积累声能在叉指换能器与反射栅阵组成的声谐振结构中。在询问脉冲停止后，所积累的声能会转换为电磁波，并向外发射出衰减高频回波。此衰减高频回波的频率，是声表面波谐振器的固有谐振频率，与谐振器芯片所处环境特征有关，由接收到的频率比对其温度特性，即可实现遥测温度功能。

另外两种是声表面波延迟型，由于声速比电磁波速低得多，阅读器接收到的传感电磁回波，比发射的询问脉冲延迟较长时间(大于1us)，明显提高了阅读器的抗干扰性能(图1)。

其一，即第二种，是声表面波延迟反射型(图3)，其应答器芯片由一个叉指换能器和多个距离较远的金属条阵反射栅(反射栅组)构成。叉指换能器同时作为输入/输出声电换能元件，而金属条阵反射栅根数很少，反射率也小，是声回波产生结构。阅读器发射询问脉冲，被应答器接收天线接收后，激励芯片叉指换能器后产生的声脉冲，延迟传播到金属条阵处，被反射后，产生多个声回波脉冲，并返回到叉指换能器再转变为高频电磁回波，发回阅读器。此时收发天线是共有的，回波为多个反射峰串。由于芯片会受到所处环境影响，反射特性(例如反射峰间距)会随之变化，阅读器分析回波的反射特性变化，就可实现遥测功能。