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(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]電力網(wǎng)設(shè)備溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)手段，市場需求迫切。由于電力網(wǎng)的特殊環(huán)境，常規(guī)溫度傳感器無法應(yīng)用，采用聲表面波無線傳感器遙測技術(shù)是國際公認(rèn)較優(yōu)方案。
[0003]近年來開發(fā)的基于雷達(dá)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(qiáng)，能在各種惡劣環(huán)境(例如高溫、強(qiáng)電磁干擾和核輻射等)中可靠工作，是常用IC傳感器的補(bǔ)充，必將成為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)元件，在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中發(fā)揮其獨(dú)特作用。
[0004]SAW無線傳感器的工作原理是:傳感器的探頭(應(yīng)答器)周圍環(huán)境物理量、化學(xué)量和生物量的變化會(huì)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(jiān)測周圍環(huán)境物理量、化學(xué)量和生物量等參量，在個(gè)體識別(標(biāo)簽)、物理、化學(xué)、生物傳感器系統(tǒng)中將有極大應(yīng)用前景。
[0005]例如，2008年初全國電力系統(tǒng)因雪災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為400億元，占全國雪災(zāi)損失的22.3%。如果能采用SAW無線溫度傳感器直接監(jiān)測電力網(wǎng)架空輸電線溫度，并采取有力預(yù)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(rèn)識到在惡劣環(huán)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(shí)實(shí)時(shí)檢測危險(xiǎn)區(qū)域溫度，就能使核電站運(yùn)行有效和安全，推進(jìn)未來核能源的廣泛應(yīng)用。
[0006]除非特別說明，在不會(huì)產(chǎn)生誤解時(shí)，本說明書將把“無線傳感器”中“無線”兩字省略。
[0007]不失一般性，我們以最常采用的溫度傳感器為例，說明本發(fā)明相關(guān)事項(xiàng)。
[0008]現(xiàn)今，聲表面波傳感器系統(tǒng)，均采用雷達(dá)原理，由閱讀器、應(yīng)答器及后臺(tái)處理三部分組成，圖1示意了其基本框圖。應(yīng)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(gòu)成，是無源無線部件。閱讀器由激勵(lì)脈沖產(chǎn)生發(fā)射、回波信號接收處理、后臺(tái)接口及控制等電路和收發(fā)天線組成。后臺(tái)處理是系統(tǒng)應(yīng)用層。目前，閱讀器發(fā)射的詢問脈沖是矩形單頻載波脈沖，芯片上實(shí)現(xiàn)電-聲-電轉(zhuǎn)換功能的換能器是相應(yīng)的常規(guī)均勻叉指換能器，其長度配合脈沖寬度。
[0009]傳感器系統(tǒng)的工作原理如下:閱讀器主動(dòng)發(fā)射詢問脈沖，被應(yīng)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(dāng)詢問脈沖參數(shù)與輸入叉指換能器參數(shù)相近時(shí)，由于(逆)壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生高頻回波，并由應(yīng)答器微型發(fā)射天線發(fā)回到閱讀器。由于回波特性(頻率、相位、延時(shí)等)易受傳感芯片所處環(huán)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(huán)境特征，例如溫度等。所以處理回波特性，即可達(dá)到實(shí)時(shí)遙測目的。
[0010]根據(jù)聲表面波傳感芯片產(chǎn)生回波的機(jī)制，聲表面波無線傳感器芯片可分為三種:
[0011]第一種是聲表面波諧振器型(圖2)，其應(yīng)答器芯片就是一個(gè)有適當(dāng)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(shí)應(yīng)答器微型天線收發(fā)共用。
[0012]諧振型芯片，在被與其諧振頻率相近的詢問脈沖受迫激勵(lì)時(shí)，會(huì)積累聲能在叉指換能器與反射柵陣組成的聲諧振結(jié)構(gòu)中。在詢問脈沖停止后，所積累的聲能會(huì)轉(zhuǎn)換為電磁波，并向外發(fā)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(huán)境特征有關(guān)，由接收到的頻率比對其溫度特性，即可實(shí)現(xiàn)遙測溫度功能。
[0013]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(fā)射的詢問脈沖延遲較長時(shí)間(大于Ius)，明顯提高了閱讀器的抗干擾性能(圖1)。
[0014]其一，即第二種，是聲表面波延遲反射型(圖3)，其應(yīng)答器芯片由一個(gè)叉指換能器和多個(gè)距離較遠(yuǎn)的金屬條陣反射柵(反射柵組)構(gòu)成。叉指換能器同時(shí)作為輸入/輸出聲電換能元件，而金屬條陣反射柵根數(shù)很少，反射率也小，是聲回波產(chǎn)生結(jié)構(gòu)。閱讀器發(fā)射詢問脈沖，被應(yīng)答器接收天線接收后，激勵(lì)芯片叉指換能器后產(chǎn)生的聲脈沖，延遲傳播到金屬條陣處，被反射后，產(chǎn)生多個(gè)聲回波脈沖，并返回到叉指換能器再轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電磁回波，發(fā)回閱讀器。此時(shí)收發(fā)天線是共有的，回波為多個(gè)反射峰串。由于芯片會(huì)受到所處環(huán)境影響，反射特性(例如反射峰間距)會(huì)隨之變化，閱讀器分析回波的反射特性變化，就可實(shí)現(xiàn)遙測功能。
[0015]其二，即第三種，是聲表面波延遲線型(圖4，圖5)，其應(yīng)答器芯片由一個(gè)輸入叉指換能器和多個(gè)距離較遠(yuǎn)的短輸出叉指換能器(輸出換能器組)構(gòu)成多輸出延遲線。閱讀器發(fā)射詢問脈沖，被應(yīng)答器接收天線接收后，激勵(lì)輸入叉指換能器產(chǎn)生的聲脈沖，延遲傳播到各輸出換能器，產(chǎn)生高頻電磁回波串，通過應(yīng)答器發(fā)射天線發(fā)回閱讀器。應(yīng)答器可采用收發(fā)共用單天線結(jié)構(gòu)(圖4)，也可采用收發(fā)分離天線結(jié)構(gòu)(圖5)。傳感回波產(chǎn)生結(jié)構(gòu)為短叉指換能器組，電磁回波為多峰串。由于芯片會(huì)受到所處環(huán)境影響，回波傳輸特性(例如峰間距)會(huì)隨之變化，閱讀器分析回波特性變化，就可實(shí)現(xiàn)遙測功能。
[0016]經(jīng)過近十多年的努力，國內(nèi)外許多廠家雖已開發(fā)出多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，但由于現(xiàn)場干擾無法解決，致使推廣應(yīng)用受阻。例如，在電力網(wǎng)電力柜實(shí)時(shí)測溫時(shí)，由于多個(gè)電力柜連接后，電力母排使無線傳感高頻信號無衰減傳播，閱讀器接收信號是多個(gè)傳感回波相互疊加，需要系統(tǒng)具有防碰撞功能。例如，一個(gè)電力柜群一般有二三十個(gè)，如每個(gè)電力柜安裝九個(gè)應(yīng)答器，系統(tǒng)的防碰撞數(shù)至少要二百多才滿足實(shí)用要求。
[0017]防碰撞聲表面波傳感器，就是指在閱讀器有效范圍內(nèi)，即使有多個(gè)傳感器同時(shí)存在，也能準(zhǔn)確得到某個(gè)傳感器傳感信息?，F(xiàn)今的聲表面波傳感器，應(yīng)答器的本質(zhì)防碰撞功能較弱。
[0018]在采用聲表面波諧振器型應(yīng)答器時(shí)，每個(gè)應(yīng)答器需要近IMHz帶寬，而無線電頻段資源小于1MHz，即防碰撞數(shù)最多為十。
[0019]聲表面波延遲型傳感器，現(xiàn)有商品一般采用回波產(chǎn)生結(jié)構(gòu)(反射柵組或輸出叉指換能器組)起始延遲時(shí)間不同，即時(shí)分機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。傳感芯片上容許放置傳感回波產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的時(shí)基位置數(shù)，稱為時(shí)序容量，表示了芯片本質(zhì)防碰撞功能，與芯片尺寸、閱讀器性能和電極布局等有關(guān)，一般最多幾十。例如德國艾迪克?萊默克診斷公司(LDIC)架空輸電線溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測的RITHERM無線無源SAW溫度傳感系統(tǒng)，防碰撞數(shù)僅為5 (圖6A和圖 6B) ο
[0020]采用軟件算法來擴(kuò)充聲表面波傳感器的防碰撞功能，雖有進(jìn)展，實(shí)用前景不明朗。【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0021]我們在已授權(quán)專利ZL2010101761425 “聲表面波無源射頻識別標(biāo)簽和傳感器”中，公開了一種采用編碼叉指換能器(相關(guān)換能器)代替常規(guī)均勻叉指換能器的標(biāo)簽芯片，來提高聲表面波標(biāo)簽容量的技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是利用相容碼編碼的相關(guān)換能器特有的碼選擇性，實(shí)現(xiàn)碼分機(jī)制，來獲得芯片的防碰撞功能。
[0022]我們在申請專利“一種具有防碰撞功能的聲表面波延遲反射型無線傳感器”中，公開了一種采用碼分時(shí)分方式實(shí)現(xiàn)防碰撞功能的聲表面波延遲反射型無線傳感器系統(tǒng)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是將現(xiàn)有聲表面波延遲反射型傳感器芯片上的常規(guī)均勻叉指換能器換為相關(guān)換能器，利用相關(guān)換能器對編碼脈沖的碼選擇性，實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。
[0023]由于所述延遲反射型無線傳感器，采用了反射柵組作為傳感回波產(chǎn)生機(jī)構(gòu)。雖具有抗干擾能力好的特點(diǎn)，但回波幅度小，而且被相關(guān)換能器調(diào)制，增加了閱讀器的復(fù)雜性。由此，我們對該專利進(jìn)行了改進(jìn)。
[0024]在本發(fā)明提出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(tǒng)，包括應(yīng)答器、閱讀器和后臺(tái)處理單元，應(yīng)答器采用的聲表面波傳感芯片，其輸入聲電換能用的常規(guī)均勻叉指換能器被編碼叉指換能器(相關(guān)換能器)代替。
[0025]相關(guān)換能器的編碼，為屬于同一相容碼組的相容碼，采用同一相容碼編碼的聲表面波傳感芯片的應(yīng)答器，組成同類應(yīng)答器。屬于同一碼組的相容碼數(shù)目，稱為該相容碼組的度，也就是不同類應(yīng)答器的種類數(shù)。
[0026]應(yīng)答器采用的聲表面波傳感芯片，其傳感電磁回波產(chǎn)生機(jī)構(gòu)為輸出換能器組，至少由兩個(gè)(一般為三個(gè))沿聲道排列的同頻輸出叉指換能器構(gòu)成。
[0027]對同類應(yīng)答器芯片，其起始延遲距離，即第一個(gè)輸出換能器