[发明专利]多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统及测量方法，其主要特点是与每一个谐振型声表面波传感器的频带相对应，阅读器发射电路通过多个本振源来同时发射多个频点的激励信号，以同时测量多个传感器的谐振频率。并且，阅读器接收电路直接对放大和滤波后的射频回波信号进行带通采样，再对傅里叶变换后的回波频谱信息进行频域插值。本发明与传统的阅读器采用单个本振源、通过轮询方式测量每个传感器的谐振频率相比，其测量实时性得到了大幅度提高，且通过频域插值方法提高了测量精度。除此之外，由于阅读器接收电路采用射频信号直接带通采样的方式，省去了下变频电路，不仅结构简单、成本低，同时还提高了信噪比。

技术领域：

本发明涉及一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统及测量方法，属于无线传感领域。

背景技术：

声表面波器件可用作传感器，从结构上可分为谐振型和延迟型两种，分别如图1和图2所示。谐振型声表面波器件由压电基底、叉指换能器、反射栅构成，叉指换能器两端的反射栅呈密集型阵列布置，以形成声学谐振腔。延迟型声表面波器件由压电基底、输入叉指换能器、输出叉指换能器构成。声表面波器件用作传感器时，根据待测对象引起声表面波传播速度和压电材料参数变化，并进一步导致谐振型声表面波器件的谐振频率变化或延迟型声表面波器件的时延、相位变化来实现传感功能。

在阅读器和天线的配合下，声表面波传感器在无线传感的同时也不需要电源。声表面波传感器最引人注目的便是其无线功能和无源本质，因此获得了极大关注。与延迟型声表面波传感器相比，谐振型声表面波传感器的Q值(品质因数)更高，同等条件下的无线测量距离更远，且电-声和声-电转换通过同一个叉指换能器进行，更易通过同一个天线实现传感器对激励信号的接收和对回波信号的发射功能，因此在无线传感领域的应用更为广泛。

在无线传感的实际应用场合，通常不会只存在单个传感器，而是多个传感器以多个节点的形式同时存在。如针对智能电网的高压开关柜温度检测，需在线实时测量柜内不同位置的节点温度；针对发动机的转轴扭矩检测，需在线实时测量转轴上不同位置的节点扭矩。谐振型声表面波传感器通常采用频分多址的方式以实现多个节点的防碰撞测量，即各个传感器的频带各不相同。在多节点无线测量中，很多节点还以差动型结构成对出现。如在高压开关柜的温度检测中，通过差动型结构以消除天线阻抗变化等其它环境因素对测温结果的影响；在转轴的扭矩检测中，通过差动型结构以消除温度等环境因素对扭矩测量结果的影响。对于上述差动型节点，也是采用频分多址的方式来实现差动频率的测量。

针对多节点谐振型声表面波传感器的无线测量，目前存在着以下问题：

(1)传统的阅读器发射链路通常只存在单个本振源，每次只发射单个频点的激励信号，以轮询方式测量每个传感器的谐振频率。当节点数量较多时，轮询时间变长，从而影响测量的实时性。

(2)对于差动型节点，由于轮询方式对两个差动型传感器的测量存在着时间差，在待测对象快速变化的情况下，不仅测量结果会产生较大误差，也无法准确监测待测对象的动态变化过程。

(3)传统的阅读器接收链路通常采用下变频结构，不仅电路结构复杂、成本高，而且还存在着噪声增多、信噪比降低等问题。

(4)谐振型声表面波传感器的测量精度取决于谐振频率的估计精度。对于傅里叶变换测频谱的方法，鉴于频谱分辨率的限制，谐振频率的估计精度较低；若采用扫频测强度的谐振频率估计方法，需要通过步进频率的细分来提高估计精度，则多个节点的轮询时间将急剧变长，测量实时性进一步受到影响。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统及测量方法，其目的是对于声表面波无线传感的实际应用，当测量系统包括多个谐振型声表面波传感器时，针对目前存在的相关问题提供相应的解决方案。