[發明專利]一種具有防碰撞功能的聲表面波延遲線型無線傳感器系統

有效

• 申請號: 201510536196.0
• 申請日: 2015-08-27
• 公開（公告）號: CN105136334B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 陳培杕;王祥邦;肖功亞;黃亮;朱衛俊
• 申請（專利權）人: 中電科技德清華瑩電子有限公司
• 主分類號: G01K11/22
• 分類號: G01K11/22;G01D5/48
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司33214
• 代理人: 王曉峰

【技術領域】

本發明涉及聲表面波無線傳感器，特別涉及一種具有防碰撞功能的聲表面波延遲線型無線傳感器系統。

【背景技術】

電力網設備溫度實時監控，是智能電網的基礎手段，市場需求迫切。由于電力網的特殊環境，常規溫度傳感器無法應用，采用聲表面波無線傳感器遙測技術是國際公認較優方案。

近年來開發的基于雷達原理的聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)無線傳感器，不需外界電源，抗干擾能力強，能在各種惡劣環境(例如高溫、強電磁干擾和核輻射等)中可靠工作，是常用IC傳感器的補充，必將成為物聯網的基礎元件，在現代工業、農業、交通和環境保護等領域中發揮其獨特作用。

SAW無線傳感器的工作原理是：傳感器的探頭(應答器)周圍環境物理量、化學量和生物量的變化會引起其中SAW傳感芯片電氣特性的偏移，通過檢測這些偏移就能監測周圍環境物理量、化學量和生物量等參量，在個體識別(標簽)、物理、化學、生物傳感器系統中將有極大應用前景。

例如，2008年初全國電力系統因雪災造成的直接經濟損失約為400億元，占全國雪災損失的22.3％。如果能采用SAW無線溫度傳感器直接監測電力網架空輸電線溫度，并采取有力預防措施，就可大大減小這些損失。特別是2011年日本核電站事故，使人們認識到在惡劣環境中能正常工作的傳感器是多么的重要。如果核電站布局了SAW無線傳感器，隨時實時檢測危險區域溫度，就能使核電站運行有效和安全，推進未來核能源的廣泛應用。

除非特別說明，在不會產生誤解時，本說明書將把“無線傳感器”中“無線”兩字省略。

不失一般性，我們以最常采用的溫度傳感器為例，說明本發明相關事項。

現今，聲表面波傳感器系統，均采用雷達原理，由閱讀器、應答器及后臺處理三部分組成，圖1示意了其基本框圖。應答器即傳感器探頭，僅由聲表面波傳感芯片，微型天線和適用封裝件構成，是無源無線部件。閱讀器由激勵脈沖產生發射、回波信號接收處理、后臺接口及控制等電路和收發天線組成。后臺處理是系統應用層。目前，閱讀器發射的詢問脈沖是矩形單頻載波脈沖，芯片上實現電-聲-電轉換功能的換能器是相應的常規均勻叉指換能器，其長度配合脈沖寬度。

傳感器系統的工作原理如下：閱讀器主動發射詢問脈沖，被應答器微型接收天線接收后，饋電到聲表面波傳感芯片的輸入叉指換能器。當詢問脈沖參數與輸入叉指換能器參數相近時，由于(逆)壓電效應，會產生高頻回波，并由應答器微型發射天線發回到閱讀器。由于回波特性(頻率、相位、延時等)易受傳感芯片所處環境影響，故被閱讀器接收的回波已攜帶有傳感器探頭所處環境特征，例如溫度等。所以處理回波特性，即可達到實時遙測目的。

根據聲表面波傳感芯片產生回波的機制，聲表面波無線傳感器芯片可分為三種：

第一種是聲表面波諧振器型(圖2)，其應答器芯片就是一個有適當溫度特性的聲表面波諧振器，它利用了聲表面波諧振器的高Q諧振特性，此時應答器微型天線收發共用。

諧振型芯片，在被與其諧振頻率相近的詢問脈沖受迫激勵時，會積累聲能在叉指換能器與反射柵陣組成的聲諧振結構中。在詢問脈沖停止后，所積累的聲能會轉換為電磁波，并向外發射出衰減高頻回波。此衰減高頻回波的頻率，是聲表面波諧振器的固有諧振頻率，與諧振器芯片所處環境特征有關，由接收到的頻率比對其溫度特性，即可實現遙測溫度功能。

另外兩種是聲表面波延遲型，由于聲速比電磁波速低得多，閱讀器接收到的傳感電磁回波，比發射的詢問脈沖延遲較長時間(大于1us)，明顯提高了閱讀器的抗干擾性能(圖1)。

其一，即第二種，是聲表面波延遲反射型(圖3)，其應答器芯片由一個叉指換能器和多個距離較遠的金屬條陣反射柵(反射柵組)構成。叉指換能器同時作為輸入/輸出聲電換能元件，而金屬條陣反射柵根數很少，反射率也小，是聲回波產生結構。閱讀器發射詢問脈沖，被應答器接收天線接收后，激勵芯片叉指換能器后產生的聲脈沖，延遲傳播到金屬條陣處，被反射后，產生多個聲回波脈沖，并返回到叉指換能器再轉變為高頻電磁回波，發回閱讀器。此時收發天線是共有的，回波為多個反射峰串。由于芯片會受到所處環境影響，反射特性(例如反射峰間距)會隨之變化，閱讀器分析回波的反射特性變化，就可實現遙測功能。