專利名稱：無線無源聲表面波混合參數(shù)測量傳感器及參數(shù)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲表面波傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有可以同時檢測外界兩個待測物理 量變化的無線無源聲表面波混合參數(shù)測量傳感器，和對傳感器檢測到的物理量反饋信號如何 應(yīng)用聲表面波延遲線理論進行參數(shù)分析的方法。
背景技術(shù)：
由于聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、無線連接、無須電源驅(qū)動 并且敏感度高，可用于多種復(fù)雜惡劣環(huán)境中，自上個世紀(jì)八十年代，美、德、日等國家廣泛 開展對聲表面波無線無源傳感器的研究，在已經(jīng)發(fā)表的專利和技術(shù)文獻中，報道了采用聲表 面波器件實現(xiàn)無線無源傳感器的各種方法。聲表面波傳感器采用表面聲波傳感技術(shù)，直接從 射頻信號中獲取工作能量，無需集成電源驅(qū)動電路，所需能量由外界獲得，并且產(chǎn)生相應(yīng)的 數(shù)據(jù)處理算法和測量方法。無線無源聲表面波傳感器已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。盡管在現(xiàn)有方案1中聲表面波 傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，但傳感器僅被用來測量單一物理量，不能對兩個物理量在一個傳感器中 同時測量；在現(xiàn)有方案2中傳感器可以同時測量兩個物理量，但傳感器的結(jié)構(gòu)又過于復(fù)雜。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單并且能夠同時進行兩種物理量(如溫度和 壓力)檢測的無線無源聲表面波混合^數(shù)測量傳感器，和對傳感器檢測到兩個物理量的反饋 信號如何應(yīng)用聲表面波延遲線理論進行參數(shù)分析的方法。該無線無源聲表面波混合參數(shù)測量 傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)兩種物理量的同時檢測，并且具有無線無源、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和 零老化率等特點，適合在復(fù)雜環(huán)境下工作。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是如圖1和圖2所示，本發(fā)明的無線無源聲表面波混合參數(shù)測量傳感器包括壓電基質(zhì)3、叉指換能器4、參考反射器2、第一反射器l、第二反射器6五 部分。在壓電基質(zhì)3中有一部分為物理量感應(yīng)機構(gòu)5，這部分的厚度可以根據(jù)所檢測的物理 量的種類和量程的不同(如壓力的大小)，在設(shè)計時進行相應(yīng)的調(diào)整。在一些情況下，物理量 感應(yīng)機構(gòu)5的厚度也可以和壓電基質(zhì)3的厚度一致。傳感器的壓電基質(zhì)3是由具有壓電特性 的材料構(gòu)成，叉指換能器4、參考反射器2、第一反射器1和第二反射器6是經(jīng)過微加工工藝 沉積在壓電基質(zhì)3表面具有特定形狀的金屬薄膜。叉指換能器4經(jīng)叉指換能器引出線7與外 部天線直接相連接，或經(jīng)過無源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線連接，直接從無線射頻發(fā)射的査詢信號 中獲取傳感器驅(qū)動所需能量，并返回由參考反射器2、第一反射器1和第二反射器6反射回 的相應(yīng)于檢測物理量帶有不同相位信息的信號。在進行物理量檢測時，參考反射器2作為參 考反射器，第一反射器1檢測第一物理量，第二反射器6檢測第二物理量，參考反射器2的 反饋信號通過與第一反射器1的反饋信號和第二反射器6的反饋信號相比較來測得相對相位差，從而測得兩個物理量的實際值。在參考反射器2作為參考反射器的情況下，由于參考反 射器2、第一反射器1和第二反射器6的反饋信號在傳感器以外傳播路徑上所消耗的時間是 相同的，所以相互抵消。這樣參考反射器2的反饋信號通過與第一反射器1的反饋信號相比 較的相位差，和參考反射器2的反饋信號通過與第二反射器6的反饋信號相比較的相位差只 反映兩個待測物理量所產(chǎn)生的相位變化。在兩個物理量其中一個可以精確測得的情況下(現(xiàn) 假設(shè)第一物理量可精確測得)，通過加權(quán)因子將載有第二物理量信息的反饋信號中含有第一物 理量的信息除去，從而準(zhǔn)確測得測第二物理量的信息，實現(xiàn)兩個物理量的同時測量。本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，基于聲表面波的延遲線理論，發(fā)明出一種無 線無源聲表面波混合參數(shù)測量傳感器，和對傳感器檢測到的物理量反饋信號如何應(yīng)用聲表面 波延遲線理論進行參數(shù)分析的方法。與現(xiàn)有的相同原理傳感器相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)特 點根據(jù)聲表面波信號產(chǎn)生特點，通過充分利用叉指換能器4向兩個方向傳遞的能量，將參 考反射器2、第一反射器1和第二反射器6置于叉指換能器4的兩側(cè)，使得本發(fā)明能夠在保 證一定信號強度的前提下，同時檢測兩個物理量。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中傳感器只能被用 來測量單一物理量，不能對兩個物理量在一個傳感器中同時測量的問題；由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡 單，解決了現(xiàn)有技術(shù)中傳感器可以同時測量兩個物理量，但傳感器結(jié)構(gòu)又過于復(fù)雜的問題； 通過一定參數(shù)分析方法使得被測量的兩個物理量產(chǎn)生相互獨立的反饋信號，解決了傳感器反 饋信號的檢測問題。


圖1是本發(fā)明實施例的傳感器結(jié)構(gòu)主視圖。 圖2是本發(fā)明實施例的傳感器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。 圖3是本發(fā)明實施例的傳感器封裝結(jié)構(gòu)主視圖。 圖4是本發(fā)明實施例的傳感器封裝結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖中1.第一反射器，2.參考反射器，3.壓電基質(zhì)，4.叉指換能器，5.物理量感應(yīng)機構(gòu)， 6.第二反射器，7.叉指換能器引出線，8.密封腔體，9.壓力感應(yīng)膜片，10.壓力進入口。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及其附圖，詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容。本發(fā)明的實施例是針對輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)所設(shè)計的無線無源聲表面波溫度和壓力參數(shù)測 量傳感器。圖3是本發(fā)明實施例的傳感器封裝結(jié)構(gòu)主視圖，圖4是本發(fā)明實施例的傳感器封 裝結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。傳感器的壓電基質(zhì)3是Y切Z方向的鈮酸鋰壓電晶體薄片，參考反射器2、第一反射器 1 、第二反射器6和叉指換能器4是經(jīng)過微加工工藝置于壓電基質(zhì)3上面具有特定形狀的金屬 鋁薄膜。參考反射器2、第一反射器l、第二反射器6和叉指換能器4的金屬指條方向垂直于 壓電基質(zhì)3上表面的Z方向。由叉指換能器4所產(chǎn)生的表面聲波，由參考反射器2、第一反 射器1和第二反射器6所反射的表面聲波是沿著壓電基質(zhì)3上表面Z方向進行傳播的。傳感 器的整體同時受到溫度和壓力變化的影響，在傳感器的密封腔體8中的壓力為恒定值，外界4壓力變化由壓力進入口 10進入作用在壓力感應(yīng)膜片9上，由于密封腔體8中參考壓力與由壓 力進入口 IO進入的壓力有一定的壓力差，因此壓力感應(yīng)膜片9發(fā)生相應(yīng)彈性形變使得壓電基 質(zhì)3發(fā)生變形，從而感受壓力的變化。當(dāng)作用在傳感器壓電基質(zhì)3上的壓力和溫度發(fā)生變化 時，壓電基質(zhì)3表面的特性被改變，在壓電基質(zhì)3表面叉指換能器4與參考反射器2、第一 反射器1和第二反射器6之間的距離就會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響到聲表面波在壓電基質(zhì) 3上的傳播時間，因此反射波的相位會隨壓力和溫度的變化做出相應(yīng)的變化。叉指換能器4經(jīng)叉指換能器引出線7與外部天線直接相連接，或經(jīng)過無源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 和天線連接，直接從無線射頻發(fā)射的査詢信號中獲取傳感器驅(qū)動所需能量，并返回由參考反 射器2、第一反射器1和第二反射器6反射回相應(yīng)于溫度和壓力值的帶有不同相位信息的信 號。在進行溫度和壓力值檢測時，參考反射器2作為參考反射器，第一反射器l檢測溫度， 第二反射器6檢測壓力，參考反射器2的反饋信號通過與第一反射器1的反饋信號和第二反 射器6的反饋信號相比較來測得相對相位差，從而測得溫度和壓力兩個物理量。在兩個待測 物理量中由于參考反射器2和第一反射器1只受到溫度變化的影響，可以精確測得溫度值， 由于參考反射器2的反饋信號和第二反射器6的反饋信號的相位差包含溫度與壓力的共同影 響，因此不能夠簡單的通過參考反射器2的反饋信號和第二反射器6的反饋信號的相位差來 檢測壓力的數(shù)值，可以通過加權(quán)因子將第二反射器6的反饋信號與參考反射器2的反饋信號 比較的相位信息中含有溫度影響的相位信息除去，使得信號只包括壓力變化的相位信息，從 而準(zhǔn)確測得壓力值。下面通過詳細的理論分析說明如何通過對傳感器檢測到的物理量反饋信號應(yīng)用聲表面 波延遲線理論進行參數(shù)分析的方法。通過此方法，可使得處理后的反饋信號分別相互獨立的 反映被測量的溫度和壓力兩個物理量。定義A是在壓電基質(zhì)3表面上參考反射器2與叉指換能器4之間的距離；&是在壓電基 質(zhì)3表面上第一反射器1與叉指換能器4之間的距離；^是在壓電基質(zhì)3表面上第二反射器 6與叉指換能器4之間的距離。在本設(shè)計中參考反射器2反饋信號通過與第一反射器1反饋 信號和第二反射器6反饋信號的比較測得的相對相位差，只反映溫度和壓力影響所產(chǎn)生的相 位變化。中頻信號頻率與相位的變化是隨著反射器反饋信號時間延遲的不同而改變的。由于在時 間的延遲上受溫度和壓力變化的影響對較小，因此相位的變化能夠更加準(zhǔn)確地反映溫度和壓 力所發(fā)生的一系列變化。由系統(tǒng)叉指換能器4接收的初始信號可由下式給出<formula>formula see original document page 5</formula>其中叫是信號的初始頻率值；//是2逾整數(shù)倍；/是時間；沐和乂分別是信號的初始相位和初始 幅值。相應(yīng)由叉指換能器4返回的信號通過混頻器和低通濾波器后的響應(yīng)可以被表示為<formula>formula see original document page 5</formula>，私為信號的幅值。從上面的公式可以看出，頻率/^和相位轉(zhuǎn)移仍都與延遲時間^相關(guān)。由于通常情況下柳 比〃,大很多，因此相位對延遲時間的影響比頻率更顯著。在本實施例中，參考反射器2反饋信號和第一反射器l反饋信號的相位差被用來測量外 界溫度的變化，這一部分對壓力的變化不敏感，因此可以通過它們之間反饋信號的相位的變 化直接測得準(zhǔn)確溫度值。參考反射器2反饋信號和第一反射器l反饋信號的相位變化的差異 可用如下公式表示% +0 -(/2 + A) / 2]- /,)=化. (3) 其中，夂=叫—//(/2+。/2 ， rr=f2—^，且rr = 2d7. / v ， r = 2t/70 / v (4)其中，g是聲表面波在初始溫度ro下從參考反射器2到第一反射器i再返回參考反射器2產(chǎn)生的總延遲時間；《是在初始溫度ro下參考反射器2和第一反射器1之間的距離；zt和^是 在溫度rf測得的相應(yīng)數(shù)值；v是聲表面波在壓電基質(zhì)3上的傳播速度。與聲表面波速度成反比的延遲時間對溫度的變化十分敏感，從現(xiàn)有技術(shù)中可知延遲時間^和溫度r之間有下面的關(guān)系r0)] (5)其中a是傳感器中壓電基質(zhì)3的溫度系數(shù)。 由方程(3)和(5)，可得到下面的方程= +& 7° (i - r0) = +6 (6)其中，a = aK^， 6 =《T7°(l — ar0)。從上式可知，如果相應(yīng)的相位偏差為A^，那么溫度的變化值可以表示為△r = ,/a = ^^ (7)上式中，等式右面的所有變量都是已知的，因此可以通過測得相位變化的差值而得到溫 度的變化值。由于傳感器設(shè)計結(jié)構(gòu)與材料本身特性的原因，從第二反射器6反饋回信號的延遲時間^， 同時受到溫度和壓力的共同影響。為了從第二反射器6的反射信號中分離出壓力變化的信息， 因此必須通過一定的補償途徑來消除溫度對延遲時間的變化所造成的影響。在參考反射器2 和第二反射器6之間所產(chǎn)生與壓力變化對應(yīng)的信號相位變化可以表示為伊31 =
(f3 - ft) 叫"-A ) (8) 參考反射器2和第二反射器6之間的延遲時間7"31可由下式給出r31=(,3-,J-2^/v-2"-c/,)/v (9)其中c^是在溫度T時刻&的長度減去《的長度。由于叉指換能器在壓電基質(zhì)3的兩個相反方向 上的能量傳輸特性是等效的，因此cfe不是參考反射器2和第二反射器6之間的實際物理距離， 而是參考反射器2和第二反射器6分別與叉指換能器4距離絕對值的差值。由于溫度和壓力的變化同時都會對c^的值產(chǎn)生影響，現(xiàn)作如下定義定義S7^為由溫度和 壓力所共同引起的壓電基質(zhì)3對d"產(chǎn)生的平均應(yīng)變值，定義^為僅由溫度單獨作用時所引起 的壓電基質(zhì)3對4;產(chǎn)生的平均應(yīng)變值，定義&為僅由壓力單獨作用時所引起的壓電基質(zhì)3對4/ 產(chǎn)生的平均應(yīng)變值。如&和&是相互獨立不相關(guān)的兩個變量，則由方程(9)可得到下面的關(guān)系式f31=2[i+^+Qr(r—ro)]々"《[i+^+a(r—7;)] (io)其中《和《分別為在初始溫度7^和初始壓力尸c下的時間延遲和距離，由方程(8)和(10)可得Ap31 = < 0￡P(guān)r31 + w0Arcirr31 (11) 因此,由方程(11)和(7)可得如下等式△P31 =" 31 + ~7.爭 (12)通過方程(3)和(12)，由壓力造成的相位變化可表示為^-(伊廣A)-f^V (13)其中『為加權(quán)因子，可以表示為『+, (14)從以上理論推導(dǎo)可以看出，由于加權(quán)因子『的引入，在傳感器測量壓力變化時方程(13) 中由溫度產(chǎn)生相位變化的影響被消除，由壓力所引起的相位變化被獨立出來，從而可以通過 此傳感器檢測出壓力的數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種無線無源聲表面波傳感器，包括換能器，用于向兩個方向上發(fā)射相同的能量；第一反射器和第二反射器，用于檢測換能器發(fā)射的能量；壓電基質(zhì)，用于傳導(dǎo)所述換能器向第一反射器和第二反射器發(fā)射的能量；其特征在于，還包括設(shè)置在壓電基質(zhì)上的參考反射器，所述第一反射器和第二反射器分別位于換能器的兩側(cè)，所述參考反射器位于第二反射器和第一反射器所在的直線上。
2. 如權(quán)利要求1所述的無線無源聲表面波傳感器，其特征在于，所述壓電基質(zhì)還包括物理量 感應(yīng)機構(gòu)，根據(jù)所檢測的物理量的種類和量程的不同，所述物理量感應(yīng)機構(gòu)設(shè)置為不同厚度。
3. 如權(quán)利要求1所述的無線無源聲表面波傳感器，其特征在于，所述壓電基質(zhì)山H.有i:ii屯特 性的材料構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1所述的無線無源聲表面波傳感器，其特征在于，所述換能器為叉指換能器。
5. 如權(quán)利要求1所述的無線無源聲表面波傳感器，其特征在于，所述換能器、參考反射器、 第-反射器和第二反射器為金屬薄膜。
6. -種無線無源聲表面波傳感器兩個測量物理量的參數(shù)分析方法，其特征在于，傳感器根據(jù) 義k力引起的相位變化計算對應(yīng)的壓力，所述壓力引起的相位變化由以下公式計算得到外,=(A-W)-『外，其中，『為加權(quán)因子，外為由壓力所產(chǎn)生的信號相位變化；%為由第二反射器所產(chǎn)生的信號相位變化；A為由參考反射器所產(chǎn)生的信號相位變化；為由溫度所產(chǎn)生的信號相位變化。
7. 如權(quán)利要求6所述的無線無源聲表面波傳感器兩個測量物理量的參數(shù)分析方法，其特征在r，所述加權(quán)因子)^ = ^^，其中，A是參考反射器與叉指換能器的距離值； 心是第一反射器與叉指換能器的距離值； &是第二反射器與叉指換能器的距離值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有結(jié)構(gòu)簡單并且能夠同時進行兩種物理量(如溫度、壓力和應(yīng)變等)檢測的聲表面波傳感器，和對傳感器檢測到的物理量反饋信號如何應(yīng)用聲表面波延遲線理論進行參數(shù)分析的方法。與現(xiàn)有相同原理的傳感器相比，本發(fā)明克服了以往聲表面波傳感器只能檢測單個物理量或者即使能夠測量2個物理量但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的缺陷。充分利用叉指換能器所產(chǎn)生的聲表面波能量信號向兩個方向同時傳遞的特點，使得本發(fā)明能夠同時檢測兩個物理量。本發(fā)明所設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，具有易于批量生產(chǎn)加工、體積小、重量輕、零老化率等顯著特點，理論分析驗證可通過一定方法使得被測量的兩個物理量的反饋信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生相互獨立檢測信號。
文檔編號G01S13/00GK101251599SQ200710125579
公開日2008年8月27日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者李天利, 泓 胡, 亮 鄭 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院