一种实现宽频振动信号采集的无源无线声表面波传感器及其工作方法

1.本发明涉及一种实现宽频振动信号采集的无源无线声表面波传感器及其工作方法，属于声表面波技术领域。


背景技术：

2.随着声表面技术的发展，声表面波技术传感器具有高灵敏度，可靠性，稳定性等特点，具有广泛的应用潜力。
3.在振动信号的采集方面，单个悬臂梁振动信号的采集只能接收某一特定频带的振动信号，对于其他频带的振动信号无法感知。因此，研发一种能够采集宽频振动信号的传感器具有重要的应用价值。
4.声表面波是一种沿固体表面传播的弹性波。最早的声表面波是瑞利波，是由英国科学家瑞利(lord rayleigh)提出。最早由于没有成熟的声波激发方法，声表面波技术在很长时间内并没有较大发展。直到1965年，美国人怀特(r.m.while)和沃尔特默(f.w.voltmer)通过在压电衬底上制作叉指换能器(interdigit transducers,idt)来激发声表面波，随着这一关键技术的的突破，开始涌现大量各种结构与性能的声表面波器件。
5.声表面波传感器的主要结构是叉指换能器和压电衬底。叉指换能器的主要作用是高效激励和接收声表面波。压电衬底的作用是产生和传播声表面波，并且探测外部物理参量。在振动信号的采集方面，压电衬底采用的结构是悬臂梁结构，但是单个悬臂梁振动信号的采集只能接收某一特定频带的振动信号，对于其他频带的振动信号无法感知。因此，研发一种能够采集宽频振动信号的传感器具有重要的应用价值。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器。本发明提供阵列式悬臂梁，用于采集空间中的振动信号；提供中心频率不同的idt，用于实现射频和声表面波的转换。本发明还提供了可以多个频率收发的射频收发设备，实现对idt的激励与射频接收。
7.本发明还提供了上述表面波传感器的工作方法。
8.本发明的技术方案为：
9.一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，包括阵列式悬臂梁、若干中心频率不同的idt、多个频率收发的射频收发装置；
10.所述阵列式悬臂梁包括不同长度的悬臂梁，每个悬臂梁的一端进行固定；中心频率不同的idt覆盖在压电衬底上，位于靠近悬臂梁的固定端的一侧；
11.所述阵列式悬臂梁用于采集空间中的振动信号；所述idt用于实现射频和声表面波的转换；所述射频收发装置用于激励idt发出射频信号，并接收idt发出的射频信号。
12.根据本发明优选的，每个悬臂梁之间的距离相同，每个悬臂梁的厚度和宽度均相
同。
13.根据本发明优选的，射频收发装置和阵列式悬臂梁采用无线方式通信。
14.根据本发明优选的，所述悬臂梁的个数为4-6个；所述悬臂梁的长度为6400um-7200um。
15.进一步优选的，所述悬臂梁的个数为5个；5个所述悬臂梁的长度分别为6400um、6600um，6800um、7000um、7200um；所述悬臂梁的厚度为20um；所述悬臂梁的宽度为1000um。
16.根据本发明优选的，所述idt的个数与所述悬臂梁的个数相同，且每个所述idt分别位于靠近每个所述悬臂梁的固定端的一侧。
17.根据本发明优选的，所述idt的中心频率的取值范围为420mhz-452mhz。
18.进一步优选的，所述idt的个数为5个，5个所述idt的中心频率分别为420mhz、413mhz、426mhz、439mhz、452mhz；中心频率的间隔为13mhz。
19.根据本发明优选的，所述多个频率收发的射频收发装置用于发射和接收不同射频信号。
20.进一步优选的，射频收发装置的控制芯片的型号为stm32f411ccu6。
21.上述声表面波振动传感器的工作方法，包括步骤如下：
22.(1)射频收发装置将n个频率的射频信号复用后经天线发射；
23.(2)射频信号被传感器的天线接收，各个悬臂梁上的idt同时受到射频信号的激励产生声表面波；
24.(3)振动信号使得n个不同长度的悬臂梁发生各不相同的形变，这种形变导致声表面波的传播速度发生变化，利用不同长度的悬臂梁的不同灵敏度，实现对宽频振动信号进行阵列式采集；
25.(4)各个悬臂梁上的idt将声表面波转换为射频信号，经过天线发射，实现振动信息的传输；
26.(5)射频收发装置接收到从传感器发射来的射频信号，将射频信号进行滤波，相干解调，将解调后的信号通过adc处理后，通过fft分析数字信号，计算数字信号的频谱，得出频移量，通过频移量与振动信号的对应关系，计算出振动信息。
27.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
28.1、本发明通过设定阵列式悬臂梁，对应不同频率的振动信号，完成对宽频振动信号采集的要求。
29.2、采用中心频率不同的idt，实现对idt的同时激励。
附图说明
30.图1为本发明一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器的整体结构示意图；
31.图2为阵列式悬臂梁的结构示意图；
32.图3为idt的结构示意图；
33.图4为不同长度的悬臂梁的共振频率示意图；
34.图5为不同周期的idt的中心频率示意图；
35.图6为各个idt的在537hz振动信号下的频移量示意图；
36.图7为射频收发装置示意图。
具体实施方式
37.下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
38.实施例1
39.一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，如图1所示，包括阵列式悬臂梁、若干中心频率不同的idt、多个频率收发的射频收发装置；
40.阵列式悬臂梁包括不同长度的悬臂梁，每个悬臂梁的一端进行固定；中心频率不同的idt覆盖在压电衬底上，位于靠近悬臂梁的固定端的一侧；每个不同长度的悬臂梁具有不同的共振频率，因此不同频率的振动信号可以引起不同长度的悬臂梁共振，使得悬臂梁发生不同程度的形变。当振动信号频率为某一悬臂梁的共振频率时，该悬臂梁的形变量达到最大。当悬臂梁发生形变时，在悬臂梁表面传播的声表面波波速发生改变。悬臂梁的形变量越大，声表面波波速改变越大。通过将不同长度的悬臂梁组成阵列式悬臂梁，可以扩展振动信号的探测范围，从而实现对宽频振动信号的采集。
41.阵列式悬臂梁用于采集空间中的振动信号；idt用于实现射频和声表面波的转换；射频收发装置用于激励idt发出射频信号，并接收idt发出的射频信号。
42.实施例2
43.根据实施例1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其区别在于：
44.每个悬臂梁之间的距离相同，每个悬臂梁的厚度和宽度均相同。
45.射频收发装置和阵列式悬臂梁采用无线方式通信。
46.悬臂梁的个数为4-6个；悬臂梁的长度为6400um-7200um。
47.采用这些尺寸的悬臂梁可以对振动信号的探测范围扩展到上百hz，并且可以选定特定的探测范围。
48.idt的个数与悬臂梁的个数相同，且每个idt分别位于靠近每个悬臂梁的固定端的一侧。idt位于压电薄膜上，当idt接收到射频信号时，由于压电薄膜的逆压电效应，在悬臂梁上产生声表面波，当idt接收到声表面波时，由于压电薄膜的压电效应，在idt上产生射频信号。idt的位置位于靠近悬臂梁固定的一端。每个悬臂梁上的idt的中频频率各不相同，当传感器接收到射频收发装置发射的射频信号时，每个idt会同时被激励，产生声表面波，阵列式悬臂梁探测到振动信号发生形变，导致声表面波波速发生改变。当声表面波传播到idt时，idt将声表面波转换为射频信号，然后通过传感器的天线发射，由射频收发装置接收，实现了振动信息的传输。idt对射频信号和声表面波的相互转换过程中，无外部电源进行供电，实现了传感器的无源特征。
49.idt的中心频率的取值范围为420mhz-452mhz。这个范围的idt的中心频率使得idt的周期尺寸设计为十几微米内，可以极大减小天线的尺寸和传感器的尺寸，并且不小于工艺的精度范围。
50.多个频率收发的射频收发装置用于发射和接收不同射频信号。射频收发装置通过频分复用技术，将n个频率的射频信号进行复用后通过天线发射，并且n个射频信号中的频率分别对应着n个悬臂梁上idt的中心频率。射频收发装置通过天线对射频信号进行发射和
接收，传感器也是通过天线对射频信号进行发射和接收，实现了传感器的无线特征。通过发射射频信号实现对阵列式悬臂梁上的idt激励。idt将载有振动信息的射频信号经天线发射后，射频收发装置对传感器发射的射频信号接收，然后将射频信号进行滤波，相干解调，将解调后的信号通过adc处理后，通过fft分析数字信号，计算数字信号的频谱，得出频移量，然后通过频移量与振动信号的对应关系，计算出振动信息。
51.实施例3
52.根据实施例2所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其区别在于：
53.阵列式悬臂梁的结构如图2所示，悬臂梁的个数为5个；5个悬臂梁的长度分别为6400um、6600um，6800um、7000um、7200um；悬臂梁的厚度为20um；悬臂梁的宽度为1000um。由于悬臂梁的长度各不相同，共振频率也是各不相同，通过图4可以得到，每个长度不同的悬臂梁的共振频率不同，6400um长度的悬臂梁的共振频率是641hz，6600um长度的是602hz，6800um长度的是567hz，7000um长度的是535hz,7200um长度的是506hz,当由每个悬臂梁构成阵列式悬臂梁时，对振动信号的采集范围扩展到506hz到641hz，实现对宽频振动信号的采集。
54.idt的个数为5个，每个idt的周期不同，每个idt的电极宽度不同，如图3所示，因此，每个idt的中心频率不同，5个idt的中心频率分别为420mhz、413mhz、426mhz、439mhz、452mhz；中心频率的间隔为13mhz，如图5所示。当振动信号的频率为537hz被阵列式悬臂梁探测到时，在悬臂梁上传播的声表面波波速发生改变，然后再由idt转换为射频信号，因为波速发生改变，转换后的射频信号频率发生改变。长度为7000um的悬臂梁对频率为537hz的振动信号最为灵敏，在此传播的声表面波波速改变最大，导致射频信号的频率偏移最大，如图6所示。
55.射频收发装置如图7所示。射频收发器采用5个频率生成器pll生成5个本振信号，其生成的频率分别对应着5个idt的中心频率，分别是420mhz,413mhz,426mhz,439mhz,452mhz。5个射频信号经混频后通过天线发射出去，从而对悬臂梁上的idt进行激励。当射频收发器接收到saw传感器发射的射频信号，对射频信号放大，然后经过滤波器，相干解调，将解调后的信号通过adc处理后，通过fft分析后，得出信号的频谱，计算出频移量，根据频移量与振动信号的对应关系，最终得出振动信息。
56.实施例4
57.实施例1-3任一声表面波振动传感器的工作方法，包括步骤如下：
58.(1)射频收发装置将n个频率的射频信号复用后经天线发射；
59.(2)射频信号被传感器的天线接收，各个悬臂梁上的idt同时受到射频信号的激励产生声表面波；射频信号被传感器的天线接收后，由于频分复用后的射频信号包含了各个悬臂梁上idt的中心频率，所以可以对每个idt同时激励。交流电被施加给idt两端的汇流条后，压电薄膜会因为逆压电效应产生变形和振动，形成在声表面波器件表面传播的声表面波信号。
60.(3)振动信号使得n个不同长度的悬臂梁发生各不相同的形变，这种形变导致声表面波的传播速度发生变化，利用不同长度的悬臂梁的不同灵敏度，实现对宽频振动信号进行阵列式采集；一方面，膜片式声表面波压力传感器的压电基片在受到振动信号的作用时，
悬臂梁会发生形变，会引起声表面波传感器的波长会发生变化，另一方面，压电基片的密度和弹性模量等材料参量发生变化，对声表面波的相速度的数值产生影响。这样，两方面的共同作用导致了声表面波传感器的中心频率发生频移。不同长度的悬臂梁对不同频率的振动信号的灵敏度不同，当有多个频率的振动信号时，阵列式悬臂梁中的悬臂梁会不同程度的形变，由此实现了对振动信号的采集。
61.(4)各个悬臂梁上的idt将声表面波转换为射频信号，经过天线发射，实现振动信息的传输；当声表面波传播到输出idt时，压电薄膜因为压电效应经声表面波的机械能转化为电能，传输到idt上，于是实现了将声表面波转换为射频信号，射频信号的频率由idt的周期和声表面波的传播速度决定。idt的周期记为λ，声表面波的传播速度为v
p
。声表面波的谐振频率fs与波长成反比，公式为：
62.(5)射频收发装置接收到从传感器发射来的射频信号，将射频信号进行滤波，相干解调，将解调后的信号通过adc处理后，通过fft分析数字信号，计算数字信号的频谱，得出频移量，通过频移量与振动信号的对应关系，计算出振动信息。射频收发装置接收到传感器发射来的射频信号，对射频信号进行功率放大后，将射频信号经过带通滤波器后，与射频设备的本振信号进行相干解调，解调后输出的信号为中频信号，中频信号经过adc采样量化后，将中频信号转化为数字信号，对数字信号通过fft后，计算出数字信号的频谱，从而得出声表面波传感器的频移量，每个悬臂梁的频移量和振动信号的频率有着对应关系，因此当计算出每个悬臂梁的频移量时，可以得出振动信号频率，从而得出振动信息。

技术特征：
1.一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，包括阵列式悬臂梁、若干中心频率不同的idt、多个频率收发的射频收发装置；所述阵列式悬臂梁包括不同长度的悬臂梁，每个悬臂梁的一端进行固定；中心频率不同的idt覆盖在压电衬底上，位于靠近悬臂梁的固定端的一侧；所述阵列式悬臂梁用于采集空间中的振动信号；所述idt用于实现射频和声表面波的转换；所述射频收发装置用于激励idt发出射频信号，并接收idt发出的射频信号。2.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，每个悬臂梁之间的距离相同，每个悬臂梁的厚度和宽度均相同。3.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，射频收发装置和阵列式悬臂梁采用无线方式通信。4.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，所述悬臂梁的个数为4-6个；所述悬臂梁的长度为6400um-7200um；进一步优选的，所述悬臂梁的个数为5个；5个所述悬臂梁的长度分别为6400um、6600um，6800um、7000um、7200um；所述悬臂梁的厚度为20um；所述悬臂梁的宽度为1000um。5.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，所述idt的个数与所述悬臂梁的个数相同，且每个所述idt分别位于靠近每个所述悬臂梁的固定端的一侧。6.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，所述idt的中心频率的取值范围为420mhz-452mhz。7.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，所述idt的个数为5个，5个所述idt的中心频率分别为420mhz、413mhz、426mhz、439mhz、452mhz；中心频率的间隔为13mhz。8.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，所述多个频率收发的射频收发装置用于发射和接收不同射频信号。9.根据权利要求1所述的一种用于采集宽频振动信号的声表面波振动传感器，其特征在于，射频收发装置的控制芯片的型号为stm32f411ccu6。10.上述声表面波振动传感器的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)射频收发装置将n个频率的射频信号复用后经天线发射；(2)射频信号被传感器的天线接收，各个悬臂梁上的idt同时受到射频信号的激励产生声表面波；(3)振动信号使得n个不同长度的悬臂梁发生各不相同的形变，这种形变导致声表面波的传播速度发生变化，利用不同长度的悬臂梁的不同灵敏度，实现对宽频振动信号进行阵列式采集；(4)各个悬臂梁上的idt将声表面波转换为射频信号，经过天线发射，实现振动信息的传输；(5)射频收发装置接收到从传感器发射来的射频信号，将射频信号进行滤波，相干解调，将解调后的信号通过adc处理后，通过fft分析数字信号，计算数字信号的频谱，得出频移量，通过频移量与振动信号的对应关系，计算出振动信息。

技术总结
本发明涉及一种实现宽频振动信号采集的无源无线声表面波传感器及其工作方法，包括阵列式悬臂梁、若干中心频率不同的IDT、多个频率收发的射频收发装置；阵列式悬臂梁用于采集空间中的振动信号；IDT用于实现射频和声表面波的转换；射频收发装置用于激励IDT发出射频信号，并接收IDT发出的射频信号。本发明通过设定阵列式悬臂梁，对应不同频率的振动信号，完成对宽频振动信号采集的要求。采用中心频率不同的IDT，实现对IDT的同时激励。实现对IDT的同时激励。实现对IDT的同时激励。


技术研发人员：季伟 高世伟
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/20