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声表面波无线传感系统及RFID 一、概述： 声表面波传感器的工作模式基础上可分为延迟线型和谐振型，其中利用各种薄膜技术的谐振型传感器主要用来制作化学传感器，延迟线型则主要应用于温度、压力、应力等物理量的检测。声表面波传感器的工作频率通常为数十兆甚至高达1~2GHz，由于其本身具有高频率信号输出和低功耗的特点，因而非常适于遥测信号的传感和传感器无源化的实现。人们在几年前开始研究利用声表面波无源器件进行遥测，并采用时间延迟方式研制出了时延式声表面波遥测系统。 基于声表面波的无线传感器由于其具有无源无线、良好的环境适应能力，已经逐步应用于许多的工业过程控制当中。目前，这种传感器主要采用了压电晶体材料LiNbO3或水晶，将电磁波转换成为在压电晶体表面传播的机械波，由于相对于光速的电磁波，在压电晶体表面传播的机械波的速度只有3500m/s，所以根据这个特点我们可以得到一条理想的延迟线、横向滤波器或高Q值的谐振器。在无线传感器中还有一个十分关键的技术特点就是无源工作，这个特点使得声表面波无线传感器在同类应用的传感器中具有很强的优势和竞争力。其系统的组成通常分为两个部分，查询单元和带有天线的声表面波无线传感器。查询单元可以发出一个单脉冲信号或连续波信号（Continuous Wave, CW），两种查询方式分别叫做时域信号采用和频域信号采样。图一所示为典型的系统构建。 图1：典型的无线声表面波查询系统构建 二、无线查询方式的基本原理及系统组成 声表面波传感器构成的无线查询系统主要由一个声表面波传感器（或称之为标签）、一个带主动式天线的射频信号及信号处理的查询系统。 1、传感部分 基于声表面波的传感器根据检测判定的物理量不同有两个不同的准则。第一种就是基于声表面波谐振器结构的，其谐振频率受到外界环境的影响而发生改变。这样的传感器主要应用于黏度测量和气体及生物方面的测量。另一种是延迟线结构，图二所示。由压电晶体材料，叉指换能器，反射栅条及天线部分组成。相对于叉指换能器来说，每个反射栅可以通过距IDT的距离L，延迟时间τ和相位φ来描述。 图2：延迟线型结构的声表面波传感器 叉指换能器将天线接收到的信号转化成为表面波信号，表面波信号在压电晶体中传播遇到反射栅后一部分能量返回到叉指换能器，表面波信号再次通过叉指换能器转化成为电磁信号发射到空间中。反射栅的作用就是将换能器接收到的信号重复的沿着原路径反射回去，信号在此过程中将产生一定的损耗。我们可以通过在信号的传输路径上布置几个或者多个反射栅实现编码进行身份辨识的功能，同时还具备完全无源工作的功能。如果在路径上布置多个反射栅，利用其重复性和温度性可以对环境温度实现精确的测量。除此以外，它还可以作为一个射频连接器连接外部传感器，如压力，湿度等物理量的传感，通过端口的阻抗变换对反射的信号在相位和幅度上产生一定的影响，进而达到传感的目的。 2、查询部分 A、频域采样与时域采用的比较 图3所示的查询单元(a)为时域采样（TD），(b)为频域采样（FD）。时域采样中直接捕获脉冲相应，然后进行快速的模拟到数字的转换。频域采样中则需要将采样到的频域信号再经过一次变换回到时域。无论是那种采样方式，我们最关心的就是其作用距离和可靠信。 （1） 等式（1）就是著名的雷达作用范围公式。r是雷达测试距离，λ是电磁波的波长，P0代表发射功率，Gr和Gs分别代表发射接收（TRx）天线的增益，是温度噪声，SNR是系统的信噪比。 图3：（a）时域采样和（b）频域采样声表面波传感器 对于一个低成本高精度的系统来说，非常短的测试时间是不必要的，所以慢采用率的频域采样是一个合适的选择。然而，随着先进的信号产生技术的产生，微秒级测量使得其成本降低为中等水平，使得时域采样变为可能。 B、频域采样 图四是一个常规的频域采样查询系统框图。频率合成是其中的关键技术，扫频信号的非线性的产生直接关系到最终检测的准确度。所采用的调制方案有：频率步进（FS）、线性调频（LFM）等，根据需要频率合成可以参用单点电压控制（VCO）、闭环回路的锁相环控制（PLL）或者直接数字合成技术（DDS）的应用。连续波信号系统的一个缺点就是其接收和发射没有时间间隔，于是将接收信号和发射信号分离是我们要考虑的问题。 对于接收信号和发射信号的分离问题，在军用雷达中采用的是双天线方案，这种方案成本很高，一般不用于工业中。还有循环器天线，直接耦合天线或90°混合方式天线参见图5 图8：温度传感器 图9：11kW异步电机上的温度传感器 图10所示为压力传感器示意图，采用了全水晶结构，当外压力加载其表面上后，使得其形成形变，改变其本身的参数，通过天线反馈出去。主要应用：汽车轮胎压力传感器。 图10：压力传感器示