基于SAW谐振器的无线无源阵列式传感器及测量方法

基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器及测量方法
技术领域
1.本发明属于微电子技术领域，特别涉及基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器及测量方法。


背景技术：

2.现代社会，温度和压力传感器广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输、医疗健康、智能家居等诸多领域。在压力和温度传感器的许多特殊应用场合，例如高压容器内部压力与温度测量，飞机机翼的表面受力测量，车辆轮胎压力与温度的测量，人体内部器官与血管健康状态的监测等等。这些往往因为条件极端、部署空间狭小封闭无法实现有线测量。而无源无线压力、温度传感器则无需电源供电且不受电池寿命和应用环境限制，具有安全可侵入性等诸多优点。
3.基于saw谐振器的传感器是一种新型mems传感技术，利用了外界待测量的变化导致saw器件的时延、相位、谐振频率等传播特性发生变化的原理，可实现对压力、温度等待测量的检测。声表面波传感器具有灵敏度高、体积小，也可以通过天线耦合空间中的电磁波实现无线无源测量。
4.现有的基于saw的无线无源传感器测量单一参数，在实际测量情况下，多个参数往往耦合在一起，单一参数测量无法满足精准测量的要求。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于saw传感器的无线无源测量系统，可以用于工业生产、航空航天、交通运输、国防和医疗健康中的空间狭小环境极端等不适合有线有源测量的环境。具有体积小，可以对多个环境参数进行测量的特点。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，包括无线无源传感器阵列、信号收发与处理系统；无线无源传感器阵列包括多个传感器，每个传感器包括saw谐振器、传感器天线以及saw谐振器与传感器天线之间的匹配电路；信号收发与处理系统包括：收发天线、收发开关、激励信号处理发射系统、响应信号接收处理系统、传感器系统控制器和上位机；信号收发与处理系统与无线无源传感器阵列通过收发天线连接。
7.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器中，每个saw谐振器具有不同的调谐频率，用于接收不同频率的激励信号。
8.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器中，激励信号处理发射系统包括：中频信号发生器、上变频混频器、本阵信号发生器以及功率放大器；
9.响应信号接收处理系统包括：低噪声放大器、下变频混频器、带通滤波器阵列、本阵信号发生器以及模数转换器。
10.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器中，saw谐振器包括第一叉指电极、第二叉指电极、第一反射栅、第二反射栅和压电薄膜；第一叉指电极、第二叉指电极分别
连接第一匹配电路、第二匹配电路，第一匹配电路、第二匹配电路分别连接第一传感器天线、第二传感器天线；第一反射栅、第二反射栅分别位于第一叉指电极和第二叉指电极两端。
11.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器中，激励信号处理发射系统包括：中频信号发生器、上变频混频器、本振信号发生器和功率放大器；响应信号接收处理系统包括：低噪声放大器、下变频混频器、带通滤波器阵列和模数转换器。
12.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器中，无线无源传感器阵列中的saw谐振器排列方式为相互平行放置或呈角度放置，每个saw谐振器之间通过金属隔离带进行隔离。
13.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器中，收发天线和传感器天线均选择螺旋天线或微带天线。
14.一种基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器的测量方法，包括：收发天线用于发送激励信号和接收响应信号，接收和发送功能通过收发开关控制，传感器系统控制器向收发开关发送周期性切换信号；
15.信号收发处理系统进入发送状态，向无线无源传感器阵列发送激励信号；
16.无线无源传感器阵列对激励信号作出响应，通过收发天线发送响应信号；
17.信号收发处理系统进入接收状态，接收来自无线无源传感器阵列的信号；
18.信号收发处理系统对信号处理之后实时显示接收的传感数据。
19.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器的测量方法中，信号收发处理系统进入发送状态的具体实现包括：当激励信号处理发射系统与收发天线接通时，信号接收与处理系统处于发送状态；中频信号发生器在传感器系统控制器的控制下产生中频扫频信号，通过上变频混频器将信号与本振信号发生器的信号混合，产生高频信号，再经功率放大器后由收发天线发送。
20.在上述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器的测量方法中，信号收发处理系统进入接收状态的具体实现包括：当响应信号接收处理系统与收发开关接通时，信号接收与处理系统处于接收状态；收发天线接收到无线无源传感器阵列的响应信号，通过低噪声放大器将放大后的高频响应信号送入下变频混频器，并与本振信号发生器产生的本阵信号混频，从而将高频响应信号转换为中频响应信号；中频响应信号通过带通滤波器阵列，将无线无源传感器阵列中每个saw谐振器的响应频率进行分离，经过模数转换后送入上位机，对接收到的待测信号进行解耦处理，最终获得传感参数。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果：基于saw谐振器无线无源阵列式传感器体积小响应快，利用传感器阵列的形式可以实现多个参数的同时测量和便于耦合参数的解耦，通过上位机软件进行信号处理，外部电路简单，稳定性好，可靠性高。本发明解决了只能测量单一传感量，无法对耦合参数进行测量的问题。
附图说明
22.图1为本发明实施例单个saw谐振器结构示意图；
23.其中，1-第一叉指电极、2-第二叉指电极、3-第一反射栅、4-第二反射栅、5-压电薄膜、6-第一匹配电路、7-第二匹配电路、8-第一传感器天线、9-第二传感器天线；
24.图2为本发明实施例系统结构图；
25.图3为本发明实施例无线无源传感器阵列saw谐振器的第一种排列方式；
26.其中，10-四个saw谐振器相互平行排列的无线无源传感器阵列、11-金属隔离带；
27.图4为本发明实施例无线无源传感器阵列saw谐振器的第二种排列方式；
28.其中，12-四个saw谐振器相互成一定角度排列的无线无源传感器阵列、13-金属隔离带。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
32.由于saw谐振器对于温度、形变、加速度等外界参量十分敏感，对于多个不同各类的参数测量过程中谐振器发生的频率变化可能同时受到加速度、形变、压力、温度共同影响，因此，所谓“加速度传感器”测量到的结果可能是温度、形变、压力与加速度共同作用的结果，因此需要将不同参数解耦。以加速度传感器想要排除温度影响为例，本实施例意在可以通过将两个加速度传感器同时置于待测温度下，一个放在待测部件，一个放在静止部件，通过频率漂移差来获得相对准确的加速度或者其他参数；对于某一单一参数，如形变，形变有弯曲形变、拉伸形变，本实施例意在用多个与实际形变方向成不同夹角的saw谐振器分别测量待测件不同方向不同位置的形变分量，在合成处理后得到实际的形变，单个或者单一方向排列的saw传感器更能准确得到测量结果。
33.本实施例一种基于saw谐振器的阵列式无线无源传感系统，包括无线无源传感器阵列、信号收发与处理系统。其中无线无源传感器阵列包含多个传感器，每个传感器由saw谐振器、传感器天线以及saw谐振器与天线之间传感器匹配电路组成；信号收发与处理系统包含：收发天线、收发开关、激励信号处理发射系统、响应信号接收处理系统以及传感器系统控制器、信号处理上位机组成。
34.无线无源传感器阵列可以同时对多个传感量进行测量。
35.通过激励信号处理与发射系统向无线无源传感器阵列发送激励信号，通过响应信号接收与处理系统接收无线无源saw传感器阵列的响应信号。
36.通过带通滤波器阵列分离多个传感器的响应信号，并将分离后的响应信号送如上位机处理。上位机解耦分离后的响应信号中的传感量，以或得更加准确的传感量的测量。
37.无线无源传感器阵列，可以以各种方式和角度排列，数量也可以有所不同，进而可以获得更精准的传感结果。
38.本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于saw传感器的无线无源测量系统，包括：无线无源传感器阵列、信号收发与处理系统。
39.其中，无线无源传感器阵列包含多个传感器，每个传感器由saw谐振器、传感器天
线以及saw谐振器与天线之间传感器匹配电路组成。
40.并且，无线无源传感器阵列中的saw谐振器具有不同的谐振频率，能够接收的激励信号频率也不同。
41.并且，信号收发与处理系统包含：收发天线、收发开关、激励信号处理发射系统、响应信号接收处理系统以及传感器系统控制器、信号处理上位机组成。
42.该测量系统通过上位机软件进行信号处理、控制信号收发，外围电路仅用于激励信号发送与响应信号接收及其初步处理。
43.外围电路包括：激励信号处理发射系统和响应信号接收处理系统。
44.激励信号处理发射系统包括：中频信号发生器、上变频混频器、本阵信号发生器以及功率放大器组成。
45.响应信号接收处理系统包括：低噪声放大器、下变频混频器、带通滤波器阵列、本阵信号发生器以及模数转换器组成。
46.具体实施时，一种基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，包括由saw谐振器组成的传感器阵列以及信号收发与处理系统。无线无源传感器阵列通过接收信号收发处理系统的无线扫频信号为激励信号，对激励信号作出响应后通过天线发射回信号收发处理系统，并对信号进行处理。
47.如图2所示，无线无源传感器阵列包含多个传感器，每个传感器由saw谐振器、传感器天线以及传感器天线与saw谐振器之间的匹配电路组成，每个传感器都可以对外界传感变量做出响应。图中对每个传感器为简化示意，具体结构如图1所示。
48.鉴于传感器要安装在比较狭小的空间内，收发天线和传感器天线均可选择螺旋天线、微带天线等体积较小的天线；传感器天线与saw谐振器之间通过匹配电路进行阻抗匹配获得有效的激励功率效率。
49.图1所示，saw谐振器由一对叉指电极第一叉指电极1、第二叉指电极2，叉指电极两端的第一反射栅3、第二反射栅4、压电薄膜5、第一匹配电路6、第二匹配电路7、第一传感器天线8、第二传感器天线9组成。每个叉指电极都连接有一个匹配电路，一个传感器天线。
50.如图1所示，传感器通过传感器天线接收激励信号，经过传感器天线-匹配电路输入到saw谐振器。saw谐振器由于压电薄膜的压电效应和逆压电效应对激励信号做出响应，同时当外界待测量的变化导致saw谐振器的谐振频率发生变化时，通过匹配电路-传感器天线将对应saw谐振器谐振频率相同频率响应信号转换为空间中的电磁波，由信号收发与处理系统进行处理。每个传感器中saw谐振器都具有接近但不同的谐振频率，发送出不同频率的响应信号。
51.如图2所示，信号收发与处理系统包括：收发天线、收发开关、激励信号处理发射系统、响应信号接收处理系统、传感器系统控制器和上位机。激励信号处理发射系统包括：中频信号发生器、上变频混频器、本振信号发生器和功率放大器；响应信号接收处理系统包括：低噪声放大器、下变频混频器、带通滤波器阵列和模数转换器。
52.收发天线用于发送激励信号和接收响应信号，接收和发送功能通过收发开关控制，传感器系统控制器会向收发开关发送周期性切换信号，当激励信号处理发射系统与收发天线接通时，信号接收与处理系统处于发送状态。此时，中频信号发生器在传感器系统控制器的控制下产生中频扫频信号，中频信号生成较为容易，但在空间中的传播性能差，因此
需要通过上变频混频器将信号与本振信号发生器的信号混合，产生高频信号，再经由功率放大器发之后由天线发送。
53.如图2所示，当收发开关切换到响应信号接收处理系统与收发天线接通时，响应信号接收处理系统处于接收状态。此时，收发天线接收到无源无线传感器阵列的响应信号，通过低噪声放大器将放大后的高频响应信号送入下变频混频器，并与本振信号发生器产生的本阵信号混频，将高频响应信号转换为容易处理的中频响应信号，之后将中频响应信号通过带通滤波器阵列，将无源无线传感器阵列中每个saw谐振器的响应频率分离，经过模数转换器后送入上位机对接收到的待测信号进行解耦等处理，最终获得传感参数。
54.如图3所示，以四个无线无源saw传感器为例，无线无源传感器阵列10的排列方式可以是相互平行放置，每个无线无源saw传感器之间通过金属隔离带11进行隔离。
55.也可以是图4所示：相互呈一定角度放置，便于对一些例如受力之类的矢量参数测量，以同时获得传感量的值和方向。
56.在本实施例中图3、图4的无线无源传感器数量仅为示意，实际情况可以部署任意数量的传感器，每个传感器之间的距离也可以不同。
57.如图3、图4所示，无线无源saw传感器相聚较近时需进行用金属隔离带11、13进行隔离。
58.在本实施例中，信号收发处理系统会在发送状态和接收状态之间不断切换，每经过一次接收状态和发送状态为一个周期。每周期对应两个状态的时间可根据实际环境传感需求设定。
59.每个周期内工作流程如下
60.step1：信号收发处理系统进入发送状态，向无线无源传感器阵列发送激励信号；
61.step2：无线无源传感器阵列对激励信号作出响应，通过收发天线发送响应信号；
62.step3：信号收发处理系统进入接收状态，接收来自无线无源传感器阵列的信号；
63.step4：信号收发处理系统对信号处理之后实时显示接收的传感数据。
64.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，包括无线无源传感器阵列、信号收发与处理系统；无线无源传感器阵列包括多个传感器，每个传感器包括saw谐振器、传感器天线以及saw谐振器与传感器天线之间的匹配电路；信号收发与处理系统包括：收发天线、收发开关、激励信号处理发射系统、响应信号接收处理系统、传感器系统控制器和上位机；信号收发与处理系统与无线无源传感器阵列通过收发天线连接。2.根据权利要求1所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，每个saw谐振器具有不同的调谐频率，用于接收不同频率的激励信号。3.根据权利要求1所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，激励信号处理发射系统包括：中频信号发生器、上变频混频器、本阵信号发生器以及功率放大器；响应信号接收处理系统包括：低噪声放大器、下变频混频器、带通滤波器阵列、本阵信号发生器以及模数转换器。4.根据权利要求1所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，saw谐振器包括第一叉指电极、第二叉指电极、第一反射栅、第二反射栅和压电薄膜；第一叉指电极、第二叉指电极分别连接第一匹配电路、第二匹配电路，第一匹配电路、第二匹配电路分别连接第一传感器天线、第二传感器天线；第一反射栅、第二反射栅分别位于第一叉指电极和第二叉指电极两端。5.根据权利要求1所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，激励信号处理发射系统包括：中频信号发生器、上变频混频器、本振信号发生器和功率放大器；响应信号接收处理系统包括：低噪声放大器、下变频混频器、带通滤波器阵列和模数转换器。6.根据权利要求1所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，无线无源传感器阵列中的saw谐振器排列方式为相互平行放置或呈角度放置，每个saw谐振器之间通过金属隔离带进行隔离。7.根据权利要求1所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器，其特征在于，收发天线和传感器天线均选择螺旋天线或微带天线。8.根据权利要求1-7任意一项所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器的测量方法，其特征在于，包括：收发天线用于发送激励信号和接收响应信号，接收和发送功能通过收发开关控制，传感器系统控制器向收发开关发送周期性切换信号；信号收发处理系统进入发送状态，向无线无源传感器阵列发送激励信号；无线无源传感器阵列对激励信号作出响应，通过收发天线发送响应信号；信号收发处理系统进入接收状态，接收来自无线无源传感器阵列的信号；信号收发处理系统对信号处理之后实时显示接收的传感数据。9.根据权利要求8所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器的测量方法，其特征在于，信号收发处理系统进入发送状态的具体实现包括：当激励信号处理发射系统与收发天线接通时，信号接收与处理系统处于发送状态；中频信号发生器在传感器系统控制器的控制下产生中频扫频信号，通过上变频混频器将信号与本振信号发生器的信号混合，产生高频信号，再经功率放大器后由收发天线发送。10.根据权利要求8所述基于saw谐振器的无线无源阵列式传感器的测量方法，其特征在于，信号收发处理系统进入接收状态的具体实现包括：当响应信号接收处理系统与收发开关接通时，信号接收与处理系统处于接收状态；收发天线接收到无线无源传感器阵列的
响应信号，通过低噪声放大器将放大后的高频响应信号送入下变频混频器，并与本振信号发生器产生的本阵信号混频，从而将高频响应信号转换为中频响应信号；中频响应信号通过带通滤波器阵列，将无线无源传感器阵列中每个saw谐振器的响应频率进行分离，经过模数转换后送入上位机，对接收到的待测信号进行解耦处理，最终获得传感参数。

技术总结
本发明涉及微电子技术，具体涉及基于SAW谐振器的无线无源阵列式传感器及测量方法，该传感器包括包括无线无源传感器阵列、信号收发与处理系统。无线无源传感器阵列接收信号收发与处理系统的无线激励信号并针对外界多个传感量作出响应，并将响应信号发送回信号收发与处理系统，通过信号收发与处理系统将无线无源传感器阵列的响应信号分离解耦，最终获得所需的传感量。该传感器解决了现有技术中，只能测量单一传感量，无法对耦合参数进行测量的缺点。通过上位机软件进行信号处理，外部电路简单，稳定性好，可靠性高。可靠性高。可靠性高。


技术研发人员：孙成亮 魏民 刘炎 曲远航 蔡耀 刘文娟 罗天成 谢英
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/7/12