一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器及其識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器及其識別方法，包含共用一個天線的兩個聲表面波諧振器，諧振器A和諧振器B；諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線如下：在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線相反；諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線的絕對值相同；諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線不相交。本發(fā)明通過使用兩個聲表面波諧振器來組成一個傳感器，這兩個諧振器的頻率組合特征在傳感器量程范圍內(nèi)確定，不同的傳感器具有不同的頻率組合特征，通過對該特征的識別來區(qū)別傳感器，由此兩個頻率組合特征不同的傳感器可以占用同一個頻段，從而使頻率資源的利用率成倍地增加。
【專利說明】一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器及其識別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聲表面波傳感器，特別涉及一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器及其識別方法。

【背景技術(shù)】
[0002]線傳感器技術(shù)在對移動物體的檢測、以及在危險(xiǎn)環(huán)境，如高溫，高電磁輻射等場景中的測量應(yīng)用中具有很大的應(yīng)用前景?；赟AW的傳感器是完全無源的(無電池)，在許多應(yīng)用中具有高可靠性。與無線的回波讀寫器配合，這些無源傳感器的無線信息傳輸范圍可以達(dá)到5米的距離。
[0003]傳統(tǒng)的SAW傳感器使用一個諧振器，通過檢測該諧振器的諧振頻率來獲得所感知的物理量變化信息，在一個空間中如果需要測量多個位置的物理量變化，就需要放置多個SAW傳感器。要識別不同的傳感器通常的做法是為每個傳感器分配一段獨(dú)立的頻率范圍，根據(jù)傳感器回波所在的頻率區(qū)間來識別不同的傳感器，即傳感器的編號是通過頻率區(qū)間來分辨的。這種方式對頻率資源的占用較多，在頻率資源有限的情況下，只能限制同一空間中可用傳感器的數(shù)量，或降低測量的精度，或減小測量的量程。
[0004]在一個傳感器中使用兩個SAW諧振器，這兩個諧振器的頻率變化系數(shù)(即頻率變化與外界物理量變化之間的關(guān)系)互不相同，通過測量這兩個諧振器頻率之差來獲得外界物理量的變化情況，這種傳感器通常稱為差分式SAW傳感器。差分式SAW傳感器通常用于補(bǔ)償SAW諧振器在生產(chǎn)工藝上的離散性所造成的頻率偏差以及安裝使用過程中外界電磁環(huán)境對SAW傳感器諧振頻率的影響。這類差分式SAW傳感器與上述的單諧振器的SAW傳感器一樣，也需要分配不同的頻率資源給不同的傳感器以便進(jìn)行識別，因此，它對頻率資源的占用較多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的第一個目的是提供一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第一個目的的技術(shù)方案是一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，包含共用一個天線的兩個聲表面波諧振器，諧振器A和諧振器B ;所述諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線如下:在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線相反；諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線的絕對值相同；在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器A和諧振器B的頻率與物理量的變化曲線不相交。
[0007]所述諧振器A和諧振器B通過殼體和殼蓋封裝在一起，形成一個聲表面波傳感器芯片；所述諧振器A和諧振器B分別固定在一個壓電基片上；所述兩個壓電基片固定在殼體內(nèi)的底部；所述殼體和殼蓋密封連接。所述諧振器A和諧振器B分別通過一個壓電薄膜固定在一個壓電基片上。
[0008]所述諧振器A和諧振器B分別通過各自的殼體和殼蓋封裝成一個聲表面波傳感器芯片，兩個聲表面波傳感器芯片與天線構(gòu)成頻率資源利用率高的聲表面波傳感器；所述諧振器A和諧振器B分別固定在一個壓電基片上；所述殼體和殼蓋密封連接。所述諧振器A和諧振器B分別通過一個壓電薄膜固定在一個壓電基片上。
[0009]本發(fā)明的第二個目的是提供一種聲表面波傳感器的識別方法。
[0010]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個目的的技術(shù)方案是一種聲表面波傳感器的識別方法，每個聲表面波傳感器均采用如權(quán)利要求1所述的頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，每個聲表面波傳感器的識別碼IDn不相等；識別碼IDn為諧振器A和諧振器B在物理量為零時(shí)的頻率和；采用N個前述傳感器進(jìn)行測量，N為自然數(shù)，收集每個聲表面波傳感器的回波頻率F，根據(jù)ID1 = Fai+Fbi, ID2 = FA2+FB2, IDn = Fto+FBn,由此確定是哪一個聲表面波傳感器。
[0011]為了更清楚的表達(dá)，現(xiàn)將本文出現(xiàn)的技術(shù)術(shù)語的定義介紹如下:
[0012]聲表面波諧振器:在壓電材料上實(shí)現(xiàn)的一個換能裝置；
[0013]聲表面波傳感器芯片:聲表面波諧振器加上封裝(殼體、殼蓋)；
[0014]聲表面波傳感器:聲表面波傳感器芯片加上天線。
[0015]現(xiàn)將本發(fā)明的原理闡述論證如下:本發(fā)明通過使用兩個SAW諧振器，諧振器A和諧振器B，來組成一個傳感器，這兩個SAW諧振器的頻率特性，即頻率與物理量之間的變化曲線，比如頻率-溫度曲線、頻率-壓力曲線等，為方便描述，下面具體以溫度作為例子進(jìn)行說明，在本發(fā)明中，諧振器A和B的頻率-溫度曲線是線性的，或者可以在量程范圍內(nèi)近似等效為線性。
[0016]諧振器A的頻率-溫度關(guān)系為:Fa = a+KT
[0017]諧振器B的頻率-溫度關(guān)系為:Fb = b-KT
[0018]其中，T為溫度，K為斜率，即頻率除以溫度，a、b為溫度在O度時(shí)諧振器A、B的頻率，F(xiàn)a、Fb為諧振器A、B在溫度為T時(shí)的諧振頻率。
[0019]由此可以推導(dǎo)出以下兩個公式:
[0020]Fa+Fb = a+b = ID (I)
[0021]Fa — Fb = a - b+2KT (2)
[0022]公式(I)中的ID等于兩個諧振器在溫度為零時(shí)的頻率之和，是個常量，即不隨溫度變化而變化，可以用來作為傳感器的識別碼。
[0023]公式⑵可轉(zhuǎn)換為:
[0024]T= (Fa-Fb- a+b) /2K (3)
[0025]當(dāng)收集到諧振器A和B的回波信號，根據(jù)回波信號的頻率Fa和Fb，依照公式(3)，即可計(jì)算出溫度信息。
[0026]下面繼續(xù)論證如何快速且節(jié)約頻率資源。如果有兩個傳感器S1、S2，每個傳感器Si中均包含了符合本發(fā)明要求的A1、Bi兩個諧振器，它們的頻率-溫度關(guān)系分別為:FAi =aj+KTj, FBi = bfKTp
[0027]如果將這兩個傳感器設(shè)置在同一個頻段內(nèi)，當(dāng)我們采集回波時(shí)，由于不同的傳感器所處位置的溫度有可能是完全不同的，因此最多會在2X2 = 4個頻點(diǎn)上檢測到信號。
[0028]要正確地判斷這2個傳感器的溫度，就需要識別出這4個頻點(diǎn)各自分別屬于哪個傳感器。為了能夠正確識別不同的傳感器回波信號，需要對這2個傳感器的參數(shù)進(jìn)行挑選，只要滿足ID1 Φ ID2的條件即可。
[0029]四個回波信號的頻率分別為FA1、FB1、FA2、FB2，且各不相同，其中FA1+FB1= ID1；FA2+FB2=ID2O只需要證明Fai+Fa2 Φ ID1或Fai+Fke Φ ID1,即可說明這兩個傳感器可以被分別識別出來。
[0030]Fai+Fa2 = ID1-Fb^ID2-Fb2 (4)
[0031]或
[0032]Fai+Fb2 = ID1-Fb^ID2-Fa2 (5)
[0033]從公式⑷可以推導(dǎo)出，只有當(dāng)Fa2 = Fbi時(shí)，F(xiàn)ai+Fa2 = ID10
[0034]從公式(5)可以推導(dǎo)出，只有當(dāng)Fb2 = Fbi時(shí)，F(xiàn)ai+Fb2 = ID10
[0035]也就是說，當(dāng)四個回波信號FA1、FB1、FA2、FB2的頻率互不相同時(shí)，可以通過ID1UD2的特征來區(qū)分出這四個回波信號分別屬于哪個傳感器。
[0036]如果一個傳感器的某一個回波頻率與另一個傳感器的其中一個回波頻點(diǎn)重疊，我們將只會收到三個頻率，我們假定Fbi = Fb2 = FB，則有:
[0037]Fai+FB = ID1, Fa2+FB = ID2 ?
[0038]我們對這三個頻率值進(jìn)行計(jì)算，即可識別出不同的傳感器。只有當(dāng)FA1+FA2 = ID1或ID2時(shí)會無法識別，因此,我們只需證明FA1+FA2 Φ ID1或者ID2即可。
[0039]Fai+Fa2 = ID1+ID2_2FB (6)
[0040]根據(jù)公式(6)，F(xiàn)ai+Fa2= ID1 的條件是 Fa2 = FB2, Fai+Fa2 = ID2 的條件是 Fai = Fbi,也就是說，只有當(dāng)諧振器A和諧振器B的頻率-溫度曲線是相交時(shí)才會出現(xiàn)。根據(jù)我們對傳感器設(shè)計(jì)的要求，在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器A和諧振器B的頻率-溫度曲線是不相交的，因此可以保證可以正確識別出這兩個傳感器。
[0041]采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下的有益效果:本發(fā)明提出了一種創(chuàng)新的基于聲表面波諧振器的傳感器實(shí)現(xiàn)方式，通過使用兩個頻率組合特征在傳感器量程范圍內(nèi)確定的聲表面波諧振器來組成一個傳感器，不同的傳感器具有不同的頻率組合特征，通過對該特征的識別來區(qū)別傳感器。因此，在滿足一定的限制條件下，兩個頻率組合特征不同的SAff傳感器可以占用同一個頻段，從而使頻率資源的利用率成倍地增加。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
[0043]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖2為本發(fā)明的兩個傳感器中的諧振器頻率關(guān)系示意圖。
[0045]圖3本發(fā)明的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]附圖中標(biāo)號為:
[0047]天線1、聲表面波諧振器2，諧振器A 21、諧振器B 22。

【具體實(shí)施方式】
[0048](實(shí)施例1)
[0049]見圖1，一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，包含共用一個天線I的兩個聲表面波諧振器2，諧振器A 21和諧振器B 22;因此在同一環(huán)境下會有兩個不同的諧振頻率點(diǎn)。諧振器A 21和諧振器B 22的頻率與物理量的變化曲線如下:在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器A 21和諧振器B 22的頻率與物理量的變化曲線相反；諧振器A 21和諧振器B 22的頻率與物理量的變化曲線的絕對值相同；在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器A 21和諧振器B 22的頻率與物理量的變化曲線不相交。
[0050]當(dāng)每個聲表面波傳感器均采用本實(shí)施例的頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，每個聲表面波傳感器的識別碼IDn不相等；識別碼IDn為諧振器A和諧振器B在物理量為零時(shí)的頻率和；采用N個前述傳感器進(jìn)行測量，N為自然數(shù)，收集每個聲表面波傳感器的回波頻率F，根據(jù)ID1 = FA1+FB1，ID2 = FA2+FB2，IDn = F^+F^,由此確定是哪一個聲表面波傳感器。圖2中FA1和FB1線分別表示傳感器I中兩個諧振器的頻率-溫度曲線，F(xiàn)A2和FB2分別表示傳感器2中兩個諧振器的頻率-溫度曲線。傳感器I和傳感器2所處的溫度分別為Tl和T2，它們產(chǎn)生的回波信號頻率分別為Fa1、FbI (傳感器I)和FA2、FB2 (傳感器2)。如圖2所示，傳感器的兩個諧振器的頻率-溫度曲線形成了一個喇叭口，從圖2中看，該喇叭口是左大右小，同理，喇叭口為左小右大的一組諧振器也可以達(dá)到同樣的作用。由此本實(shí)施例利用兩個SAW諧振器在諧振頻率上的相關(guān)性，來產(chǎn)生一個不隨測量物理量變化而變化的“特性”，利用此“特性”使得該傳感器可以通過回波頻率來加以識別。通過選擇不同“特性”的傳感器，可以在同一個工作頻段中放置兩個傳感器，從而提高頻率資源的利用率。
[0051]具體的結(jié)構(gòu)可以有兩種，第一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器如圖3所不，諧振器A21和諧振器B22通過殼體3和殼蓋4封裝在一起,也即本結(jié)構(gòu)中有一個聲表面波傳感器芯片。諧振器A21和諧振器B22分別通過一個壓電薄膜6固定在一個壓電基片5上；兩個壓電基片5固定在殼體3內(nèi)的底部；殼體3和殼蓋4密封連接。通過選擇不同的壓電基片材料、壓電薄膜材料，使得諧振器A21和諧振器B22的頻率特征曲線滿足本發(fā)明中所要求的條件。本結(jié)構(gòu)成品體積小，但工藝要求高。
[0052]第二種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器為兩個共用一個天線I的聲表面波傳感器芯片。諧振器A21和諧振器B22分別通過殼體3和殼蓋4封裝于一個聲表面波傳感器芯片中；諧振器A21和諧振器B22分別通過一個壓電薄膜6固定在一個壓電基片5上；兩個封裝芯片固定在殼體3內(nèi)的底部。本結(jié)構(gòu)成品體積會稍大，但工藝相對簡單。
[0053]在上述兩個技術(shù)方案中，殼體3和殼蓋4可以是金屬殼體和金屬殼蓋,或者是陶瓷殼體和金屬殼蓋。壓電基片5可以是石英、或者是鈮酸鋰、或者是鉭酸鋰，或其他壓電晶體，壓電薄膜6為氧化鋅或者是氮化鋁。
[0054]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，其特征在于:包含共用一個天線(1)的兩個聲表面波諧振器(2),諧振器4(21)和諧振器8(22)；所述諧振器4(21)和諧振器8(22)的頻率與物理量的變化曲線如下:在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器八(21)和諧振器8(22)的頻率與物理量的變化曲線相反；諧振器4(21)和諧振器8(22)的頻率與物理量的變化曲線的絕對值相同；在測量的量程范圍內(nèi)，諧振器八(21)和諧振器8(22)的頻率與物理量的變化曲線不相交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，其特征在于:所述諧振器纟(21)和諧振器8 (22)通過殼體(3)和殼蓋(4)封裝在一起，形成一個聲表面波傳感器芯片；所述諧振器八(21)和諧振器8(22)分別固定在一個壓電基片(5)上；所述兩個壓電基片(5)固定在殼體(3)內(nèi)的底部；所述殼體(3)和殼蓋(4)密封連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，其特征在于:還包括兩個壓電薄膜￠)；所述諧振器八(21)和諧振器8 (22)分別通過一個壓電薄膜(6)固定在一個壓電基片(5)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，其特征在于:所述諧振器八(21)和諧振器8 (22)分別通過各自的殼體(3)和殼蓋(4)封裝成一個聲表面波傳感器芯片，兩個聲表面波傳感器芯片與天線(1)構(gòu)成頻率資源利用率高的聲表面波傳感器；所述諧振器八(21)和諧振器8(22)分別固定在一個壓電基片(5)上；所述殼體(3)和殼蓋⑷密封連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，其特征在于:還包括兩個壓電薄膜￠)；所述諧振器八(21)和諧振器8(22)分別通過一個壓電薄膜(6)固定在一個壓電基片(5)上。
6.—種聲表面波傳感器的識別方法，其特征在于:每個聲表面波傳感器均米用如權(quán)利要求1所述的頻率資源利用率高的聲表面波傳感器，每個聲表面波傳感器的識別碼10=不相等；識別碼10=為諧振器八和諧振器8在物理量為零時(shí)的頻率和；采用~個前述傳感器進(jìn)行測量，^為自然數(shù)，收集每個聲表面波傳感器的回波頻率？，根據(jù)鞏=102 = . 1011 =由此確定是哪一個聲表面波傳感器。
【文檔編號】G01D5/48GK104406613SQ201410747729
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】高翔, 余燈, 董增武 申請人:常州智梭傳感科技有限公司