时域加窗技术改进无源无线SAW传感器测试研究.pdf

8 传感器与微系统 T r a n s d u ce r a n d Mi cr o s y s t e m T e ch n o lo g i e s 2 0 1 5年 第 3 4卷 第3期 D OI 1 0 t 3 8 7 3 J 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 5 O 3 0 0 0 8 0 3 时域加窗技术改进无源无线 S A W 传感器测试研究 邓森洋 张万里 彭 斌 郭珂君 蒋中东 曾义红 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室 四川 成 都 6 1 0 0 5 4 摘要 无源无线声表面波 S A W 传感器能工作在十分恶劣的环境 中监控温度 应变 扭矩等因素的变 化 利用无线测试传感器的群时延特性能方便地获得 S A W 传感器的谐振频率 但在一些复杂的环境 中 无线测试时会遇到环境反射的问题 此时测试的群时延 曲线会产生畸变 不利于提取 S A W传感器的谐振 频率 利用测试群时延特性的方法搭建了测试系统 对测试结果使用了时域加窗技术 结果表明 时域加 窗技术能够有效抑制环境反射对群时延的影响 这对于提高无源无线 S A W传感器实际应用中的信噪比具 有重要 的意义 关键词 无源无线 S A W传感器 时域加窗 群时延 环境反射 中图分类 号 T N9 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 5 0 3 00 0 8 03 1 1 1 l Re s e ar C n 0n t im e cI o m a in windo wing t e chnique ln lm Pr ov ing p a s s iv e wir e le s s S AW s e n s o r me a s u r e me n t D E N G S e n y a n g Z H A N G Wa n li P E N G B i n G U O K e j u n J I A N G Z h o n g d o n g Z E N G Y i h o n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f E le ct r o n ic T h i n F il ms a n d I n t e g r a t e d D e v ice s Un iv e r s it y o f E l e ct r o n ic S cie n ce a n d T e ch n o lo g y o f C h in a C h e n g d u 6 1 0 0 5 4 C h i n a A b s t r a ct Wi r e le s s p a s s i v e s u r f a ce a co u s t ic w a v e S A W s e n s o r ca n b e o p e r a t e d i n v e r y h a r s h e n v i r o n me n t t o mo n it o r ch a n g e o f t e mpe r a t u r e s t r a in t o r q u e a nd o t he r f a ct o r s Th e r e s o na nt fre q ue ncy o f S AW s e ns o r ca n be o b t a in e d b y g r o u p d e la y ch a r a ct e r is t ics o f w ir e le s s me a s u r in g s e n s o r Ho w e v e r u n e x p e ct e d e n v ir o n me n t a l r e f le ct io n p r o b le m will o ccu r in wir e le s s me a s u r e me n t in s o me co mple x e nv ir o n me nt s wh ich r e s u lt s in me a s u r e d g r o u p de la y cu r v e b e co me s d is t o r t e d a n d it is d if f icu lt t o e x t r a ct r e s on a n t f r e q u e n cy o f S AW s e n s o r Me a s u r e me n t s y s t e m is s e t u p b y me a s u r in g t h e g r o u p d e la y ch a r a ct e r is t ics o f t h e S AW s e n s o r a n d t ime d o ma in w in d o win g t e ch n iq u e h a s b e e n a p p li e d t o co r r e ct t h e me a s u r e me n t r e s u l t s T h e r e s u lt s s h o w t h a t i n fl u e n ce o f e n v ir o n me n t a l r e fl e ct i o n o n gro u p d e la y ca n b e e f f e ct iv e ly s u pp r e s s e d b y us ing t ime do ma in win do wing t e chn iqu e which is imp o r t a nt t o imp r o v e t he s ig n a l no is e r a t io in p r a ct ica l a p plica t io n o f p as s ive wir e le s s SAW s e n s o r Ke y wo r ds pa s s iv e wir e le s s S AW s e n s o r t ime d oma in wind o win g g r o up de la y e n v ir o nme n t a l r e fl e ct io n 0 引 言 基于声表面波 S A W 谐振器的无源无线传感器 由于 具有高 Q值 成本低 无源无线等特点 可以用于无线检测 恶劣环境 中的温度 应变 扭 矩 压 强等 因素的变化情 况 J 收发系统是无源无线 S A W 传感器应用的关键之 一 激励信号通过系统的收发天线辐射到空间中 传感器 被无线激励后再将传感器信号反馈给收发系统 最后根据 S A W传感器 的时域 编码或频域等 特性提取传感器 信 息 然而实际应用中传感器周围的环境会对激励信号 产生反射 J 此时收发系统接收到的信号不仅有传感器 信号 还有环境反射的噪声信号 这些噪声信号极不利于系 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 7 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 6 1 2 2 3 0 0 2 统提取传感器信息 因此 从包含大量噪声的信号中提取 出传感器信号 对无源无线 S A W传感器的应用具有重要的 意义 本文基 于检测群 时延 的方法 搭建 了无线 S A W 传感 器 的测试系统 通过矢量网络分析仪 简称矢网 无线测试了 S A W传感器的谐振频率 研究了时域加窗技术在信号处理 中的作用 结果表明 该技术能有效抑制环境反射噪声 1 基本理论和方法 1 1 无源无线 S A W 传感器测试 系统 S A W传感器相位在谐振频率处会发生突变 相位的变 化率 即群时延 副 会在谐振频率处出现很尖锐的谐振峰 讨 探 与 究 研 A 第3期 邓森洋 等 时域加窗技术改进无源无线 S A W 传感器测试研究 9 当外界 因素 温度 应变等 发生变化时 群 时延谐 振峰会发 生相 应 的偏移 因此 可 以利 用群 时延 特性 搭建 无 源无 线 S A W 传感器测试 系统 本文利用群时延特性搭建的无源无线 S A W 传感器的 测试系统如图 1所示 该系统采用矢 网端 口 1 产生 激 励 信号 经功放 隔离器 环行器后到达探 测天线辐射 出去 S A W传感器接收到空 间中的激励信号后再利用传感天线 辐射回波信号 探测天线接收到回波信号后经过环行器 衰减器进入矢网端口2 最后计算机自动处理矢网测量的 S 群时延数据 图 1 无源无线 S A W 传 感器测试 系统 F ig 1 M e a s u r e m e n t s ys t e m o f p a s s iv e wir e le s s S AW s e ns o r 本 文 测试 的 S A W 传感 器 在 室 温 下 谐 振 频率 为 4 3 3 9 2 MHz 矢网的频率扫描宽度为 1 0 MH z 扫描点数为 1 6 0 1 个 当环境 反 射 比较 弱 时 系统测 得 的群 时延 曲线如 图2 所示 群时延曲线存在一个很尖锐的谐振峰 该峰对应 的频率即是 S A W 传感器的谐振频率 1 5 0 1 0 0 富 5 O 黻 0 5 O 谐振 峰 一 42 9 43 2 4 35 438 441 频率 MHz 图 2 正 常情况下群 时延 曲线 Fig 2 Gr o u p de la y cur v e in no r ma l c o n d it io n 但在实际应用中 测试环境经常难以预料 并且 比较复 杂 存 在很多 的噪声 源 比如 探测 天线 发射 出去 的 电磁 波 往往受 到周 围复杂环境 的反 射而 又被探 测天 线接 收 这 种 不希望的噪声信号和传感器信号一 同进入到分析仪器 极 大地降低了系统信噪比 使其难以从测试信号中提取传感 器信号 本文在测试过程中 通过移动测试环境中的金属 背景来模拟实际的复杂测试环境 发现无线测试 S A W传感 器时主 要 遇 到 三 种 畸 变 的 群 时 延 情 形 如 图 3所 示 图3 a 一 C 分别是群时延 曲线在谐振峰处 谐振峰右侧 谐 振峰左侧发生严重 畸变 的情 形 由图3可知 金属背景反射引入的噪声使得群时延曲 线发生 了畸变 谐 振 峰附 近出现 了很 宽 的波峰或 波谷 比 较严重的情形是波谷正好出现在 S A W器件的谐振峰处 如 图3 a 所示 此时计算机测试程序很容易误判谐振频率 0 一 4 0 枯 一 8 0 1 2 O 240 刈 1 6 0 枯 8 0 1 O0 80 6 0 4 0 20 删 厂 一 峰 J 4 29 43 2 43 5 438 4 41 频率 MHz a 谐振峰处畸变 a d is t o r t io n in h a r mo n ic p e a k 频率 I z b 谐振峰右侧畸变 b d is t o r t io n o n t h e r ig h t s id e o f h a r mo n ic p e a k 频 率 M H z c 谐振峰左侧畸变 c d is t o r t io n o n t h e le f t s id e o f h a r mo n ic p e a k 图3三种严重畸变的群时延 曲线 Fig 3 Gr o u p de la y cur v e o f t h r e e k ind s o f s e r io u s d is t o r ti o n 由于波峰或波谷位置与谐振峰位置很接近 并且随着外界 待测物理量的变化 S A W 器件的谐振峰会左右偏移 因此 很难在频域 内加 窗来 消除环境反射的影响 1 2时域加窗技术 在信号处理中 对无限长的时域信号有限化的过程即 为时域加窗 矢网测得的曲线是连续扫频的结果 利用离 散傅里叶逆变换 I D F T 将其变换至时域后 选择合适的窗 函数在 时 域 内进 行 截 取 最 后 再 利 用 离 散 傅 里 叶 变 换 D F T 将其 变换 至频域 这 便是矢 网的时域 加窗技 术 采 用这种技术可以消除许多非期望的反射 散射信号 离散傅里叶正反变换定义如下 X k D E T n f n 0 k N 一 1 L 0 其 它 n F X k 1 一1 J X k W N 0 n N 0 其它 其中 e 呻 为离散傅里叶变换隐含周期性 周期 为 常用的窗函数主要有 矩形窗 汉宁窗 哈明窗 凯泽窗 等 由于在无源无线 S A W传感器测试系统中只需得到 1 0 传 感 器 与 微 系 统 第3 4卷 谐振峰对应的谐振频率大小 不考虑谐振峰的幅值精度 为 了简化处理过程 仅需采用最简单的矩形窗进行截取即可 矩 形窗定义如下 r 1 P Q 0 P Q 一 0 其它 其中 P为起始点 Q为终止点 1 3 时域加 窗处理方法 为了消除环境反射引入的噪声信号 本文采用时域加 窗的方法对测试得到的群时延曲线进行处理 其具体过程 为 1 利用 I D F T将图 3 a 所示的群时延曲线变换至时 域 结果如 图 4所示 由于采样因素 时域信号 出现左右对 称的两个信号 环境反射引入的噪声使得群时延在起 始时间内出现尖峰信号 它的幅值比传感器信号的幅值大 许多 此时能很清晰地区分环境反射噪声和传感器信号 2 环境反射对回波信号的影响主要出现在时域信号前 几百纳秒至几微秒内 因此 只需将起始时间内的尖峰信号 截取掉 即可 消除 它的影 响 本 文选择 矩形 窗截 取群 时延的时域信号 如图4所示 仅保留虚线矩形框内群时延 的时域信号 3 将 图4中虚线矩形框内群时延的时域信号通 过 D E T 变换至频域 结果如 图 5 a 所示 采 用相 同 的方 法 对 于 图 3 b c 所示 的测试结 果经时域 加窗处 理后 的结果 分 别如图5 b c 所示 1 0 1 0 1 0 3 t 0 枯 1 0 7 1 O 1 0I 时 I司 0 图4时域 内的群时延曲线 F ig 4 Gr o u p d e la y c u r v e in t ime d o ma in 对 比图 3和图 5可知 经过时域加窗处理 以后 群时延 曲线中谐振峰附近不再含有环境反射噪声引入的波峰或波 谷 此时计算机测试程序能够很容易地跟踪群时延最大值 从而确定谐振频率 这表明时域加窗技术能够有效抑制环 境反射对群时延的影响 运用该技术 的无源无线 S A W 传感 器测试系统可以帮助传感器工作在更加恶劣 复杂的环境 中实时准确地提取出传感器的谐振频率信息 2结论 本文基于测试群时延的方法搭建了 S A W 传感器的无 线测试系统 研究了时域加窗技术对提高系统信噪比的作 用 测试结果表明 在无线测量过程中环境反射噪声使得 群时延曲线发生畸变 不利 于计算机测试程序 自动提取 8O 6 0 40 20 0 20 4 0 2 0 O 2 0 1 0 0 5 0 耆 枯0 一 一 4 2 9 4 3 2 4 3 5 4 3 8 4 41 频率 MH z a 图 3 a 处理结果 a p r o ce s s in g r e s u lt o f fig 3 a 4 2 9 4 3 2 4 3 5 4 3 8 4 41 频率 Maz b 图 3 b 处理结果 b p r o ce s s in g r e s u lt o f fig 3 b 帆I j 传 感 器 与 微 系 统 第 3 4卷 5 O 30 1 O 一1 0 3 0 0 2 3 4 5 6 时间 s 图7实际测量和 四种校正方法的误差 Fig 7 Er r o r o f a ct u a l me a s u r e m e n t a n d f o ur t y p e s o f co r r e cti o n me t h o d s 表 1平均相对误差 Ta b 1 Av e r a g e r e la ti v e e r r o r 实际测量 G M 1 1 模型 残差 G M 1 1 模型 自 适应加权后的模型 新陈代谢模型 1 5 7 5 6 4 5 4 2 0 3 8 由图 7和表 l 知 以上的四种改进方法都提高了测量 精度 尤其以新陈代谢模型最为有效 它能够将平均相对误 差控制在0 3 8 以内 大大提高了原有测量方法的精度 3结论 1 没 有 经 过 校正 的节 流 流 量 计 的 平 均 相 对误 差 为 l5 7 采用本文所 提方法校 正后 的平均 相对误 差为 0 3 8 可见本文所提方法取得了较好的效果 2 自适应 常数 k是 自适应滤波法 中的一个重要参数 k 取得过大会导致预测的流量值出现波动 3 对 G M 1 1 模型进行残差修正和采用新陈代谢模 型可以显著提高精度 参考文献 1 李顶根 汤灿 VV A汽油机进气 道燃 油观测器 的研 究 J 内燃机学报 2 0 1 0 2 8 6 5 6 4 5 6 8 2 吴义虎 侯志祥 刘晖 电喷汽油机过渡工况进气流速的灰 色 G M 1 1 预测研究 J 内燃机工程 2 0 0 6 2 7 2 3 3 0 5 3 K h u m a n A S r a n g Yi n g j i e J o h n R A n e w a p p r o a ch t o i m p r o v e t h e o v e r a ll a ccu r a cy a n d t h e fi lt e r v a lu e a ccu r a cy o f t h e GM 1 1 n e w i n f o r m a t i o n a n d G M 1 1 m e t a b o l i c m o d e l s c I E E E I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n c e o n S y s t e ms Ma n a n d Cy b e rne t ics I EE E 2 0 1 3 1 2 8 2 1 28 7 4 J ia Z h e n g y u a n L i We i Ha n Z h u h u a A n i m p r o v e d G M 1 1 一 g e n e t i c a lg o r i t h m t o s h o rt t e r m f o r e ca s t i n g i n p o w e r s y s t e m C 4 t h I n t e rn a t io n a l Co n f e f e n ce o n W ir e le s s Co mmu n ica t io n s Ne t wo r k in g a n d Mo b ile Co mp u t in g W iCOM 2 0 0 8 2 0 0 8 1 2 1 4 5 杨英 陈向东 蔡镔 传感器薄膜结构的改进与 响应 时间 的分析 J 传感器与微系统 2 0 0 9 2 8 5 5 2 5 4 6 A mi t K u m a r P a n d e y L o w co s t s e n s o r f o r l o w flo w r a t e m e a s u r e m e n t C S e n s o r s for I n d u s t r y C o n f e r e n ce Ho u s t o n T e x a s T h e I n s t r u me n t a t io n S y s t e ms a n d Au t o ma t io n S o cie t y 20 0 5 6 8 7 董文永 刘进 丁建立 等 最优化技术与数学建模 M 北 京 清华大学出版社 2 0 1 0 2 8 1 2 9 5 作者简介 邓罗泉 1 9 9 0一 男 湖南 双峰人 硕 士研 究生 研 究方 向为 航空发动机控制 9 上接第 1 0页 s t r u ct u r e s J S e n s o r s J o u r n al I E E E 2 0 0 9 9 1 1 1 4 3 0 1 438 5 S ch im e t t a G D o l l i n g e r F We ig e l R A w i r e le s s p r e s s u r e m e n s u r e m e n t s y s t e m u s i n g a S AW h y b rid s e n s o r J I E E E T r a n s a c t i o n s o n Mi cr o w a v e T h e o ry a n d T e ch n i q u e s 2 0 0 0 4 8 1 2 27 3 0 2 7 3 5 6 B u l s t W E F i s ch e r a u e r G R e i n d l L S t a t e o f t h e a r t i n w i r e l e s s s e n s i n g w i t h s u r f a ce a co u s t i c w a v e s J I E E E T r a n s a ct i o n s o n I n d u s t ria l E l e ct ron i cs 2 0 0 1 4 8 2 2 6 5 2 7 1 7 P u cci o D Ma l o ch a D C G a l la g h e r D e t a 1 S A W s e n s o r s u s i n g o h o g o n a l e q u e n e y co d i n g C P r o ce e d i n g s o f t h e 2 0 0 4 I E E E I n t e rn a t io n a l F r e q u e n cy Co n t r o l S y mp o s iu m a n d Ex p o s it io n 2 0 0 4 I E E E 2 0 0 4 3 0 7 3 1 0 8 D e n y s C h e r n e n k o Wi r e l e s s p a s s i v e p r e s s u r e s e n s o r u s i n g f r e q u e n cy co d e d S A W s t ruct u r e s C 3 5 t h ln t 1 S p rin g S e mi n a r o n Ele ct r o n ics Te ch n o lo g y I E EE 2 01 2 4 2 4 4 2 8 9 C a u a b a l A Da v u l i s P M Ha r r i s G M e t a 1 H i g h t e m p e r a t u r e b a t t e ry f r e e wir e le s s micr o wa v e a co u s t ic r e s o n a t o r s e n s o r s y s t e m J E l e ct r o n ics L e t t e r s 2 0 1 0 4 6 7 4 7 1 4 7 2 1 O C a n a b a l A D a v u l i s P M P o l l a r d T B e t a 1 Mu lt i s e n s o r w i r e le s s i n t e r r o g a t i o n o f S A W r e s o n a t o r s a t h i g h t e m p e r a t u r e s C P r o c o f 2 0 1 0 I EEE I n t 1 Ult r a s o n S y mp 2 01 0 2 6 5 2 6 8 1 1 T h o ms o n D J C a r d D B rid g e s G E R F ca v i t y p a s s i v e w i r e l e s s s e n s o rs wit h t ime d o ma in g a ti n g b a s e d in t e r r o g a t io n for S HM o f civ il 1 2 Z h u X L i Y Y o n g S e t a 1 A n o v e l d e fin i t i o n a n d me a s u r e mi mt m e t h o d o f g r o u p d e l a y a n d i t s a p p li ca t i o n J I E E E T r ans a ct i o n s o n I n s t r u m e n t a t i o n a n d Me a s u r e m e n t 2 0 0 9 5 8 1 2 2 9 2 3 3 1 3 郭珂 君 彭斌 张万里 一种声表面波无线传感器 的小 型化 微带天线 J 传感技术学报 2 0 1 3 1 O