基于声表面波谐振器的无线测量系统

　　【摘要】传感器无源化使得高温、低温等电子线路无法正常工作的极端环境条件下的参数测量成为可能，而无线测量方式对于运动物体的参数测量极为适合。本文介绍了基于相位延迟时间测试的查询式无线无源声表面波传感器，在此基础上，提出了基于声表面波谐振器的无线无源传感器，并设计实验对这一传感原理进行了验证。
　　关键词：无线测量，声表面波，频率，温度

　　随着电子技术的成熟，传感器技术得到了迅速发展。在许多应用场合，传感器与测试系统之间难以实现有线连接，例如测量旋转轴的扭矩，行驶中车轮的压力等，在另外一些高温高压或极低温度应用场合，电子线路无法正常工作。为了解决这些问题，人们开始研究各种无源无线传感器。近20年来，声表面波（SAW）传感器技术得到了很大发展，通常声表面波传感器以SAW谐振器或延迟线为核心敏感元件，具有灵敏度高、准数字输出、制作工艺简单、便于批量生产等优点。到目前为止，人们已经研制了力、温度、压力、气体及其他各种传感器^［1～3］。由于声表面波本身的高频特性，声表面波传感器非常适合于无源化并进行遥测^［4～6］。本文首先介绍了基于相位延迟时间测试的查询式无线无源声表面波传感器，在此基础上，提出了基于声表面波谐振器的无线无源传感器，并设计实验对这一传感原理进行了验证。

1　原理及结构
1.1　时延式声表面波遥测原理
　　几年以前，人们开始研究利用声表面波无源器件进行遥测。无源传感器主要由压电基片、叉指换能器(IDT)、反射栅组成，见图1。由于压电效应IDT上的电信号会在基片表面上激发出SAW并向右传播，经过一段时延后到达反射栅位置，有部分能量被反射回IDT，从IDT发出信号到接收到回波信号的延迟时间与应力、温度、表面介质等引起的SAW传播路径上介质特性的变化有关。

图1　时延式声表面波传感器主要部分结构

　　遥测系统类似于一个小型雷达系统，它向传感器发射脉冲，经过一段时间后接收回波信号。经过处理后得到回波信号延迟时间。发射信号与回波信号的关系见图2。

图2　时延式遥测发射脉冲与返回脉冲时序

　　时间延迟式遥测原理有几个缺点。首先，它将被测量转化为信号的延迟时间，而延迟时间为模拟量测量，与频率量相比，其测量不方便，且精度也不高；另外遥测系统与无源传感器之间的距离对信号的延迟时间也有很大影响。本文主要研究另一种遥测原理——频率变化式遥测原理。
1.2　变频式声表面波遥测原理
　　无源传感器为单端对谐振器，主要由压电基片、叉指换能器(IDT)、反射栅组成，见图3。反射栅由周期性分布的金属指条组成，两组反射栅构成声学上的法布里谐振腔，当SAW的频率等于该谐振腔的中心频率时，反射栅反射的能量最大，SAW在该谐振腔内多次反射形成驻波。基片应力、温度、表面介质变化时，谐振器的中心频率会随之变化，所以单端对谐振器可以用来测量许多参数，制作各种传感器。

图3　无源遥测谐振器

　　用单端对谐振器进行无源遥测的原理见图4。遥测系统向传感器发送宽带脉冲信号，谐振器的IDT接收到该脉冲后在谐振腔内激励出SAW驻波，其频率等于传感器的中心频率，当激励信号停止发送，遥测系统转到接收状态后，系统接收到传感器发出的幅值不断衰减的自由振荡信号。通过频率计测量该接收信号的频率即可表示出被测量的大小。

图4　变频式声表面波遥测原理图

2　系统实现
　　变频式声表面波遥测系统框图见图5。无源传感器选用ST切型石英基片，X向传播，中心频率440 MHz，品质因数Q值为10⁴的声表面波单端对谐振器。

图5　振荡电路框图

2.1　440 MHz振荡器及功放电路
　　在遥测系统中，440 MHz振荡器（本振）是一个核心部件。它作为激励传感器的发射信号和检测回波信号时延的基准而在系统中起着重要作用。这就要求振荡器具有较高的频率稳定度。另一方面，传感器及其系统其他各部分均按440 MHz中心频率设计，因此，要求振荡器的中心频率也要严格接近440 MHz，否则，会造成很大的能量损耗而测不到回波信号。
　　通常，石英晶体体波振荡器具有很高的频率稳定度，但它一般用于中低频段，很难满足高频的要求。故此，本文选择SAW谐振器作为频控元件。为获得较低的温度系数和与传感器较好的一致性，谐振器的基片切型与传感器的敏感元件一样，均为ST-X切型。
　　为了获得较高的频率稳定度，主振电路采用了低噪声宽频带放大器，第二级采用射极跟随的形式以起到较好的隔离作用。为彻底消除振荡电路输出端负载变化对频率的牵引，在输出级加上了隔离器，其主要结构见图5。经实际测试，该电路的频率稳定度达到了10^-9(门限1 s)。
2.2　射频接收机
　　尽管发射机功率达到2 W，但回波的功率也只有1 μW左右，因此，接收机应具有较高的接收灵敏度，也就是说，要具有较高的信噪比。此外，天线的带宽一般大于信号的带宽，虽然在选取频点（440 MHz)的时候，已考虑到尽可能避开正使用的无线频段，但由于现代通信、电视业的不断发展，频点日趋密集，接收机不可避免地要受到其他信号的干扰，因此要求接收机具有一定的频率选择性。
　　对于前者，采用低噪声宽频带放大器（LNA)即可满足要求，本系统采用的放大器噪声系数约为2.5 dB。对于后者，可采用带通滤波器，通常人们采用LC滤波器，但LC滤波器具有温度系数高、一致性差、调整工作量大等缺点，因此，本系统采用了SAW带通滤波器。它具有稳定性好、尺寸小、无需调整、适于批量生产等特点，十分适用于本系统。由于信号采用了200 ns宽的脉冲调制，经傅立叶变换，该信号展宽为1辛克(sinc)函数，其主瓣宽度为10 MHz。为保证信号通过滤波器后仍有一定的矩形系数，需取滤波器带宽为20 MHz。较大的带宽，导致滤波器的插损稍大。本系统采用的SAW滤波器插损为15～20 dB，旁瓣抑制40 dB，中心频率440 MHz。为抵消SAW器件的插损，对输入信号采用了两级放大，增益均为25 dB。图6为接收机的整体框图。

图6　接收机

2.3　脉冲调制与天线开关
　　发射的激励信号为5 μs左右宽度的脉冲，这需要靠调制开关完成，而为实现发射天线与接收天线的并用，还需要一转换开关。回波信号的微弱要求系统接收机本底噪声信号必须很小，因此，要求开关应有很高的隔离度（通断比），否则，本机振荡信号会窜入接收机而淹没有用信号。显然，由于系统频率高达440 MHz，普通的模拟开关无法满足隔离度的要求。本系统采用了超高频段使用的PIN开关，这种开关具有较高的隔离度、较低的插损、开关速度快等优点。天线开关的主要结构见图7。图中的控制信号控制PIN管的导通与截止，当D₁、D₄正向导通，而D₂、D₃反向截止时，系统处于接收状态，反之则处于发射状态。调制开关的结构完全与之类似，只不过由单刀双掷改成了单刀单掷，该开关具有很高的通断比。实际开关隔离度约为80 dB，开关速度15 ns。

图7　天线开关示意图

2.4　时钟控制
　　该部分电路主要是完成调制开关、天线开关及频率测量同步的协调工作，具体结构见图8。图9为其工作时序。同步信号可由系统本振信号经高速分频器分频获得，也可由高稳定度晶振直接获得以降低系统成本，但其相位检波稳定性比前者稍差。

图8　时钟控制电路

图9　时钟控制时序

2.5　系统整机
　　为提高系统整机的稳定性，减小外界电磁干扰以及内部信号的窜扰，对本振、功放以及接收机等部分进行了严格的磁屏蔽， 取得了良好的效果。本文设计了八木天线与系统相配, 天线指标为：增益12 dB， 带宽20 MHz，驻波比1.5，主要用于遥测距离较远、安装位置较宽的场合。
　　系统经过测试，使用八木天线，遥测距离可达5 m。
2.6　频率测量
　　由于回波信号不是连续信号，而是有规律的脉冲信号，所以不能用普通的频率测量方式。本文用Fluke公司的计数器PM6681作为测频仪器，以天线开关通断信号作为同步信号，在每次天线开关转到接收状态后2 μs时开始测量，单次测量时间为1.28 μs，这时频率测量分辨率5位。为提高测量分辨率，采用了多次测量平均法，每个测量组由60 000个单次测量组成，其频率分辨率可以提高到9位，对440 MHz的信号来说即为1 Hz。

3　测试实例
　　本文以ST-X石英基片上的声表面波谐振器为无源传感器件，对其频率温度特性进行了测试。谐振器特性为：中心频率439　MHz，Q值为10⁴。系统遥测距离大于5 m，回波信号频率受遥测距离影响很小。
　　温度特性测试中，遥测系统与无源传感器距离为1　m，由于实验条件限制，测量温度范围为27～100　℃，温度测量精度为2　℃，其结果见图10。

图10　变频式无源遥测方式测得石英声表面波谐振器的频率温度特性

　　图中离散的标记为实测谐振器频率温度特性，测试结果近似于抛物线，图中实线为对实验数据用抛物线拟合并外推得到的曲线，其温度转折点为23 ℃，而ST-X石英基片上SAW理论温度特性为抛物线，转折点为20　℃，两者基本符合。

4　结束语
　　传感器无源化使得高温、低温等电子线路在无法正常工作的极端环境条件下的参数测量成为可能， 而遥测方式对于运动物体的参数测量极为适合。本文提出了利用声表面波谐振器进行无源遥测的方法， 设计实现了该无源遥测系统，并以声表面波谐振器为无源传感器对遥测系统进行了测试。初步测试结果表明：
　　①　用无源遥测的方式测试声表面波单端对谐振器的中心频率完全可行；
　　②　遥测距离影响回波幅值大小，而对回波信号的频率没有明显影响；
　　③　这种遥测方式以频率为输出量，能够得到更高的精度；
　　④　谐振器频率温度测试结果为抛物线形，其转折频率为23 ℃，与理论结果基本一致。
　　除了温度测量之外，这种传感器还可以广泛用于位移、应力、气体等各种参数的测量，具有广阔的发展前景。

参考文献
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