专利名称：声表面波测量传感器及参数分析方法
技术领域：
本发明属于声表面波传感技术领域，具体涉及一种声表面波测量传感器及参数分 析方法，该传感器为无线无源声表面波物理参数测量传感器，其可以同时大范围和高精确 度检测外界待测物理量的变化，分析方法具体是指对该传感器检测到的物理量反馈信号如 何应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。
背景技术：
由于声表面波传感器结构简单、体积小、重量轻、稳定性好、无线连接、无须电源驱 动并且敏感度高，可用于多种复杂恶劣环境中，自上个世纪八十年代，美、德、日等国家广泛 开展对无线无源声表面波传感器的研究。声表面波传感器采用表面声波传感技术，直接从 射频信号中获取工作能量，无需集成电源驱动电路，所需能量由外界获得，并且产生相应的 数据处理算法和测量方法。无线无源声表面波传感器已经在很多领域取得成功应用。在现有方案中，声表 面波传感器的结构简单，但由于声表面波传输的特性，传感器测量物理量的测量范围和精 度不能同时保证，也就是说，如果保证声表面波传感器有大的测量范围，则测量精度就比较 低；如果保证声表面波传感器有高的测量精度，则测量范围不会很大，在现有声表面波传感 器中很难找到既有大的测量范围，同时又能保证高精度的声表面波传感器。在现有的另外 一种方案中，由于声表面波传感器结构本身的原因，每一个传感器的测量周期只对传感器 发出一个射频脉冲查询信号，因此获得的传感器信息量少，不能够实现大范围高精度的测 量。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种声表面波测量传感器，其可克服现有的缺 陷，能实现被测物理量的大范围高精确度检测，并且具有无线无源、结构简单、体积小、重量 轻和零老化率等特点，适合在复杂环境下工作。本发明要解决的另一技术问题是提供应用该传感器的参数分析方法。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为—种声表面波测量传感器，包括压电基底、叉指换能器、反射器及天线；上述的压电基底，用于感应待测物理量；上述的叉指换能器与所述的反射器经过表面微加工工艺沉积在所述的压电基底 上表面；上述的叉指换能器接收声表面波传感器工作所需驱动能量，并通过天线返回射频 脉冲回波信号；上述的反射器，用于反射在所述的压电基底上传输的声表面波从而产生射频脉冲 回波信号。优选地，上述的反射器包括第一反射器、第二反射器及第三反射器，所述的第一反射器、第二反射器及第三反射器位于由上述的叉指换能器产生的声表面波传输路径上。优选地，上述的压电基底是采用压电晶体薄片制作而成。优选地，上述的压电晶体薄片是Y切Z方向。优选地，上述的第一反射器、第二反射器、第三反射器及叉指换能器的金属指条方 向垂直于所述的压电基底上表面的Z方向。上述的声表面波测量传感器，其还进一步包括有天线，上述的天线为外部天线或 经过阻抗匹配网络的天线。优选地，上述的叉指换能器与所述的反射器为金属薄膜。优选地，其为金属铝薄膜。上述的声表面波测量传感器的参数分析方法，通过上述的叉指换能器从无线射频 信号收发器发射的射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器驱动所需能量，并返回由所述 的第一反射器、第二反射器和第三反射器反射回对应待测物理量值的带有不同相位信息的 RF脉冲回波信号；然后，使用两次传感器返回的针对不同的RF脉冲宽度的RF脉冲返回信 号对待测物理量进行测量。上述的在一个测量周期内使用两次传感器不同宽度的RF脉冲信号对待测物理量 进行测量首先声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较窄的RF脉冲查询信号，将所述的第 一反射器作为参考反射器，通过检测第一反射器和第二反射器反射的RF脉冲信号间的相 对相位差，获得待测物理量所属的量值区间；然后声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较 宽的RF脉冲查询信号，把所述的第一反射器和第二反射器的组合作为参考反射器，通过检 测参考反射器和所述的第三反射器反射的RF脉冲信号间的相对相位差，进一步获得待测 物理量的准确值，然后对两次的测量结果进行分析处理，得到实际的待测物理量值。上述的叉指换能器接收的一定频率下不加调制的标准正弦波信号由下式给出
S (t) = Acos [ ( ω 0+ μ t/2) t+ θ J其中，COci是信号的初始频率值；μ是2 π的整数倍；t是时间；θ ^和A分别是信 号的初始相位和初始幅值。采用上述技术方案后，本发明是基于声表面波的延迟线理论，发明出一种无线无 源声表面波物理参数测量传感器，和对声表面波传感器检测到的物理量反馈信号如何应用 声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。与现有的传感器相比，本发明具有以下技术特 点根据声表面波信号产生特点，通过控制RF脉冲查询信号的宽度，充分利用反射器所返 回的信号，使得本发明能够在保证一定信号强度的前提下，保证大范围和高精度对物理量 进行检测；解决了现有技术中声表面波传感器在测量信号的范围和精度上只能满足其中一 项指标，不可以兼顾的问题；结构简单，通过改变RF脉冲查询信号的宽度巧妙解决了现有 技术的难题；通过一定参数分析方法使得被测量的物理量产生相应反馈信号，解决了传感 器大范围精确检测物理量的问题。


图1是本发明传感器的结构示意图。
具体实施例方式下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。4
如图1所示，本发明公开一种声表面波测量传感器，其包括压电基底1、叉指换能 器2、反射器3及天线4，其中；压电基底1，其为待测物理量的感应机构，其厚度可以根据所检测的物理量的种类 和量程的不同(如压力的大小，温度的变化范围)，在设计时通过选取不同厚度的待加工晶 圆的进行相应的调整。该压电基底1是由具有压电特性的晶圆材料构成，在本实施例中，该 晶圆材料为Y切Z方向的铌酸锂压电晶体薄片。叉指换能器2及反射器3经过表面微加工工艺沉积在压电基底1上表面，是具有 特定形状和厚度的金属薄膜，在本实施例中，该金属薄膜为金属铝薄膜，另外，叉指换能器2 与反射器3的金属指条方向垂直于压电基底1上表面的Z方向。反射器3包括第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33，该第一反射器31、 第二反射器32及第三反射器33位于由叉指换能器2产生的声表面波传输路径上，会对经 过的声表面波反射回部分能量给叉指换能器2，即由反射器3产生的射频脉冲回波信号。通 过三个反射器的设置，其可以大范围精确测量物理量。叉能换能器2通过叉指换能器引出线与外部天线直接相连接，或者，与经过阻抗 匹配网络的天线4连接，直接从射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器工作所需驱动能 量，并返回由第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33反射回的相应于检测物理量带 有不同相位信息的射频脉冲回波信号。在进行物理量检测时，可以将第一反射器31作为参考反射器，与第二反射器32的 RF(RF，其为radio frequency的缩写，其意思是指射频)脉冲回波信号比较检测物理量，参 考反射器的声表面波反馈信号通过与第二反射器32的RF脉冲回波信号相比较来测得相对 相位差，由于相位与待测物理量具有一定的对应关系，从而测得物理量的实际值。在第一反 射器31作为参考反射器的情况下，由于参考反射器与第二反射器32的声表面波反馈信号 在声表面波传感器以外传播路径上所消耗的时间是相同的，所以相互抵消。这样参考反射 器的射频脉冲回波信号通过与第二反射器32的声表面波反馈信号相比较的相位差，只反 映待测物理量所产生的相位变化。另外，本发明还可以将第一反射器31与第二反射器32的组合作为参考反射器，与 第三反射器33的RF脉冲回波信号比较检测物理量。实施时，由叉指换能器2把通过天线4接收到的特定频率的RF脉冲查询信号转换 为能够在压电基底1上表面传输的表面声波，该声表面波的传输方向为压电基底1的上表 面Z方向，由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33所反射的表面声波也是沿着压 电基底1上表面Z方向进行传播的。由于声表面波传感器的压电基底1对外界温度变化敏 感，当作用在声表面波传感器压电基底1上的温度发生变化时，声表面波在压电基底1上表 面的传输特性被改变，在压电基底1上表面叉指换能器2与第一反射器31、第二反射器32 和第三反射器33之间的距离就会发生相应的变化，从而影响到声表面波在压电基底1上表 面的传播时间，因此由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33所反射的声表面波的 相位会随外界温度的变化做出相应的变化，与声表面波传感器温度相对应的射频脉冲返回 信号的相位也会发生变化。叉指换能器2经叉指换能器引出线与外部天线直接相连接，或与天线4经过无源 阻抗匹配网络连接，直接从无线射频信号收发器发射的射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器驱动所需能量，并返回由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33反射回对应 温度值的带有不同相位信息的RF脉冲回波信号。由于无线无源声表面波传感器是通过天 线接收和传递测量信息的，并且在实际工作中无法保证分别接在声表面波传感器信号收发 系统上的天线和传感器上天线间的距离保持恒定不变，由于天线间的距离也可以影响传感 器中第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33返回的温度测量信号，因此，在每次测 量中必须有参考反射器的存在才能够进行温度的测量。(根据设定脉冲查询信号的不同宽 度，本发明所利用的参考反射器信号亦不同。)在RF脉冲信号测量过程中。由声表面波传 感器的基本测量机理可知，只要通过分析声表面波传感器射频脉冲返回信号的相位变化来 进行温度的测量，对相位变化来说，由于RF脉冲返回信号是周期变化的，因此测量得到的 相位只能在0度到360度之间周期变化，如果声表面波传感器每次只对温度进行一次测量， 测量结果在测量范围和测量精度之间只能够满足一项要求，通常不能满足一些实际测量的 需求，因此本发明提出在对温度进行测量时，使用两次传感器的RF脉冲返回信号进行温度 的测量，具体实现方法如下列叙述所示。本发明还公开了一种上述的传感器的参数分析方法，在进行温度值检测时，为得 到大范围精确的温度测量结果，温度检测分为两步来完成。首先声表面波传感器会接收一 个脉冲宽度较窄的RF脉冲查询信号，这时第一反射器31作为参考反射器，通过检测第一反 射器31和第二反射器32反射的RF脉冲信号间的相对相位差，可以首先获得被测量外界温 度所属的温度区间，这一过程虽然不能够保证温度的测量有很高的精度，但可以知道待测 温度的大概范围，为下一步准确高精度测量温度作为参照；然后声表面波传感器会接收一 个脉冲宽度较宽的RF脉冲查询信号，这时第一反射器31和第二反射器32反射的RF脉冲 返回信号较宽，它们之间有重叠的部分，因此把第一反射器31和第二反射器32同时作为参 考反射器，看作一个反射器来处理，通过检测参考反射器和第三反射器33反射的RF脉冲信 号间的相对相位差，可以进一步获得被测量外界温度准确的温度值，这部分的测量虽然不 能够反映大范围的温度变化，但是可以提供很好的温度的测量精量精度，把这两次的温度 测量结果综合分析，便可以得到实际的温度值。由于该传感器是无源传感器，传感器通过外 界获得的能量有限，通过这种方式也可以使离叉指换能器2较远的第三反射器33反射回稳 定的声表面波反射信号。可见，本发明中的参考反射器的选取是随RF脉冲查询信号宽度的 变化而变化的，和以往固定参考反射器的方法是截然不同的，通过不同参考反射器的选取， 便可以是声表面波传感器达到对外界温度的大范围准确测量。下面通过详细的理论分析说明如何通过对声表面波传感器检测到的射频脉冲回 波信号应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。通过此方法，可使得处理后的反馈 信号对温度进行大范围精确度高的测量。在本设计中可变参考反射器(可以是第一反射器31，也可以是第一反射器31和 第二反射器32的组合)的反馈信号通过与第二反射器32射频脉冲回波信号或第三反射器 33射频脉冲回波信号的比较测得的相对相位差，反映声表面波传感器受温度影响所产生的 相位变化。中频信号频率与相位的变化是随着反射器反馈信号时间延迟的不同而改变的。由 于在时间的延迟上受温度变化的影响相对较小，达到纳秒数量级，用现有技术水平的硬件 电路难以实现准确分辨，因此相位的变化能够更加准确地反映温度和压力所发生的一系列变化。由声表面波传感器中叉指换能器2经与其相连接的外部天线4接收的一定频率下不 加调制的标准正弦波信号可由下式给出
权利要求
1. 一种声表面波测量传感器，其特征在于包括压电基底、叉指换能器、天线及反射器； 所述的压电基底，用于感应待测物理量；所述的叉指换能器与所述的反射器经过表面微加工工艺沉积在所述的压电基底上表所述的叉指换能器接收声表面波传感器工作所需驱动能量，并通过天线返回射频脉冲 回波信号；所述的反射器，用于反射在所述的压电基底上传输的声表面波从而产生射频脉冲回波信号。
2.如权利要求1所述的声表面波测量传感器，其特征在于所述的反射器包括第一反 射器、第二反射器及第三反射器，所述的第一反射器、第二反射器及第三反射器位于由所述 的叉指换能器产生的声表面波传输路径上。
3.如权利要求1或2所述的声表面波测量传感器，其特征在于所述的压电基底是采 用压电晶体薄片制作而成。
4.如权利要求3所述的声表面波测量传感器，其特征在于所述的压电晶体薄片是Y 切Z方向。
5.如权利要求2所述的声表面波测量传感器，其特征在于所述的第一反射器、第二反 射器、第三反射器及叉指换能器的金属指条方向垂直于所述的压电基底上表面的Z方向。
6.如权利要求1或2所述的声表面波测量传感器，其特征在于其还进一步包括有天 线，所述的天线为外部天线或经过阻抗匹配网络的天线。
7.如权利要求1或2所述的声表面波测量传感器，其特征在于所述的叉指换能器与 所述的反射器为金属薄膜。
8.如权利要求2 7任一所述的声表面波测量传感器的参数分析方法，其特征在于 所述的叉指换能器从无线射频信号收发器发射的射频脉冲查询信号中获取声表面波传感 器驱动所需能量，并返回由所述的第一反射器、第二反射器和第三反射器反射回对应待测 物理量的带有不同相位信息的RF脉冲回波信号；然后，使用两次传感器返回的针对不同RF 脉冲宽度的RF脉冲回波信号对待测物理量进行测量。
9.如权利要求8所述的声表面波测量传感器的参数分析方法，其特征在于所述的在 一个测量周期内使用两次传感器的不同宽度RF脉冲信号对待测物理量进行测量首先声 表面波传感器会接收一个脉冲宽度较窄的RF脉冲查询信号，将所述的第一反射器作为参 考反射器，通过检测第一反射器和第二反射器反射的RF脉冲回波信号间的相对相位差，获 得待测物理量所属的大概区间；然后声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较宽的RF脉冲 查询信号，把所述的第一反射器和第二反射器的组合作为参考反射器，通过检测参考反射 器和所述的第三反射器反射的RF脉冲信号间的相对相位差，进一步获得待测物理量的准 确值，然后对待测物理量两次的测量结果进行分析处理，得到实际的数值。
10.如权利要求9所述的声表面波测量传感器的参数分析方法，其特征在于所述的叉 指换能器接收的一定频率下不加调制的标准正弦波信号由下式给出S (t) = Acos [ (ω 0+ μ t/2) t+ θ J其中，Qci是信号的初始频率值；μ是2 π的整数倍；t是时间；θ ^和A分别是信号的 初始相位和初始幅值。
全文摘要
本发明涉及一种声表面波测量传感器及参数分析方法，该传感器包括压电基底、叉指换能器及反射器；压电基底，用于感应待测物理量；叉指换能器与反射器经过表面微加工工艺沉积在压电基底上表面；叉指换能器经和它相连接的天线接收声表面波传感器工作所需驱动能量，并通过天线返回射频脉冲回波信号；反射器，用于产生射频脉冲回波信号。与现有的传感器相比，本发明具有以下技术特点能够在保证一定信号强度的前提下，保证大范围和高精度对物理量进行检测；解决了现有技术中声表面波传感器在测量信号的范围和精度上只能满足其中一项指标，不可以兼顾的问题；结构简单；通过一定参数分析方法使得被测量的物理量产生相应反馈信号，解决了传感器大范围精确检测物理量的问题。
文档编号G01K11/22GK102042844SQ20101051508
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者朱克敏, 李天利 申请人:朱克敏, 李天利