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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
：本专利技术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。
技术介绍
：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。
技术实现思路
：本专利技术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。本专利技术采用如下技术方案：一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，由阅读器和若干个谐振型声表面波传感器节点构成；其中：若干个谐振型声表面波传感器节点分为两种类型，一种为普通型节点，即该节点仅一个谐振型声表面波传感器，另一种为差动型节点，即该节点包括两个谐振型声表面波传感器；各个谐振型声表面波传感器具有相邻但彼此各不重叠的频带；与每一个谐振型声表面波传感器的频带相对应，阅读器同时发射多个频点的激励信号，以同时测量所有谐振型声表面波传感器的谐振频率。进一步地，所述阅读器由发射模块、收发隔离模块、天线模块、接收模块以及信号处理模块构成。进一步地，所述发射模块由多本振源模块、带通滤波器模块以及射频功率放大器模块构成。进一步地，所述多本振源模块由多个结构完全相同的锁相环模块和合路器模块构成；其中，锁相环模块的数量以及合路器模块的输入端口数量都与谐振型声表面波传感器的数量相同，各个锁相环模块的输出端分别与合路器模块的各个输入端口连接。进一步地，所述锁相环模块采用程控锁相环芯片，各个锁相环模块具有相同的参考频率，通过倍频系数的不同来产生与各个谐振型声表面波传感器的谐振频率对应的不同频点的激励信号。进一步地，所述阅读器的天线模块的频带涵盖了所有谐振型声表面波传感器的频带。进一步地，所述阅读器的接收模块包括低噪声射频放大器模块、带通滤波器模块以及射频信号带通采样模块；其中，射频信号带通采样模块直接对放大和滤波后的射频回波信号进行带通采样。进一步地，所述阅读器的信号处理模块对接收到的包括所有谐振型声表面波传感器的回波信号进行傅里叶变换，得到完整的回波频谱信息，然后搜索到与谐振型声表面波传感器数量对应的多个频谱极大值，之后在每一个频谱极大值附近分别进行频域插值，以获得每一个谐振型声表面波传感器的谐振频率。本专利技术还采用如下技术方案：一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统的测量方法，工作步骤如下：步骤A，阅读器的发射模块首先通过多本振源模块产生包含多个频点的激励信号，然后进行带通滤波和功率放大，之后经收发隔离模块通过天线模块发射出去；步骤B，各个谐振型声表面波传感器通过传感器天线接收到阅读器发射的包含多个频点的激励信号，通过叉指换能器选频并经逆压电效应产生相应频率的声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经反射栅多次相干反射并叠加，在谐振腔内形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经传感器天线将各个传感器的回波发射回阅读器，当阅读器的激励信号经收发隔离模块调制为间歇信号时，各个传感器的回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与随待测对象变化的传感器谐振频率一致；步骤C，阅读器经天线模块接收所有传感器叠加的回波信号，通过收发隔离模块进入接收模块，经低噪声放大、带通滤波后进入射频信号带通采样模块，获得回波数字信号；步骤D，回波数字信号进入信号处理模块，通过傅里叶变换获得包含所有谐振型声表面波传感器谐振频率的频谱信息，然后搜索到与谐振型声表面波传感器数量对应的多个频谱极大值，之后再在每一个频谱极大值附近分别进行频域插值，以更为准确地获得每一个谐振型声表面波传感器的谐振频率；步骤E，对于普通型节点，根据相应谐振型声表面波传感器的谐振频率测得该节点处的待测对象值，对于差动型节点，根据两个差动型谐振型声表面波传感器的谐振频率之差测得该节点处的待测对象值。本专利技术具有如下有益效果：(1)阅读器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，与传统的阅读器采用单个本振源、通过轮询方式测量相比，其测量实时性得到了大幅度提高；(2)对于差动型节点，在待测对象快速变化的情况下，避免了轮询方式对两个差动型传感器的测量存在着时间差的问题，不仅大幅度减小了测量误差，也能够较为准确地监测待测对象的动态变化过程；(3)阅读器接收电路采用射频信号直接带通采样的方式，省去了传统阅读器的下变频电路，不仅结构简单、成本低，同时还提高了信噪比；(4)阅读器对傅里叶变换后的回波频谱信息进行频域插值，提高了谐振频率的估计精度，从而获得的待测对象本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：由阅读器和若干个谐振型声表面波传感器节点构成；其中：若干个谐振型声表面波传感器节点分为两种类型，一种为普通型节点，即该节点仅一个谐振型声表面波传感器，另一种为差动型节点，即该节点包括两个谐振型声表面波传感器；各个谐振型声表面波传感器具有相邻但彼此各不重叠的频带；与每一个谐振型声表面波传感器的频带相对应，阅读器同时发射多个频点的激励信号，以同时测量所有谐振型声表面波传感器的谐振频率。

【技术特征摘要】
1.一种多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：由阅读器和若干个谐振型声表面波传感器节点构成；其中：若干个谐振型声表面波传感器节点分为两种类型，一种为普通型节点，即该节点仅一个谐振型声表面波传感器，另一种为差动型节点，即该节点包括两个谐振型声表面波传感器；各个谐振型声表面波传感器具有相邻但彼此各不重叠的频带；与每一个谐振型声表面波传感器的频带相对应，阅读器同时发射多个频点的激励信号，以同时测量所有谐振型声表面波传感器的谐振频率。2.如权利要求1所述的多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：所述阅读器由发射模块、收发隔离模块、天线模块、接收模块以及信号处理模块构成。3.如权利要求2所述的多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：所述发射模块由多本振源模块、带通滤波器模块以及射频功率放大器模块构成。4.如权利要求3所述的多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：所述多本振源模块由多个结构完全相同的锁相环模块和合路器模块构成；其中，锁相环模块的数量以及合路器模块的输入端口数量都与谐振型声表面波传感器的数量相同，各个锁相环模块的输出端分别与合路器模块的各个输入端口连接。5.如权利要求4所述的多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：所述锁相环模块采用程控锁相环芯片，各个锁相环模块具有相同的参考频率，通过倍频系数的不同来产生与各个谐振型声表面波传感器的谐振频率对应的不同频点的激励信号。6.如权利要求2所述的多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：所述阅读器的天线模块的频带涵盖了所有谐振型声表面波传感器的频带。7.如权利要求2所述的多节点谐振型声表面波传感器的无线测量系统，其特征在于：所述阅读器的接收模块包括低噪声射频放大器模块、带通滤波器模块以及射频信号带通采样模块；其中，射频信号带通采样模块直接对放大和滤波后的射频回波信号进行带通采样。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智军，陈赵兴，陈涛，赵文玉，贾浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32