无线传感器制作和基于表面声波识别标签的温度测量

1、摘要 本文基于表面声波（SAW）识别标签无线传感器标记系统，拟议解决方案完全兼容现有的测量系统，可直接用于在传感器或通过一个独特的方法用传感器识别电缆（原文如此）。 SAW标签的运作完全是被动的，并可以承受的温度高达400摄氏度以及冲击达到35000m/s2。它包含一个唯一的序列标识号，它是通过金属反射光栅高温编码在稳定SAW器件上。审讯单位使用的感应电缆传输但不直接连接到它，从而识别系统，可被用于高阻抗的测量设备，例如电荷放大器。审讯频域基于众所周知的雷达原则产生,而以低成本的附加电路评估和现有的传感器电路实现。此外，只要加强评价软件， SAW标签本身进行温度测量，从而对传感器或传感器环境通

2、常无需额外的硬件要求，这是可以做到的。1 导言1.1 压力传感器识别图.1. 配备了声表面波标签识别的商业AVL压力传感器照片图2. 发动机燃烧室的横断面，那里的压力能被测到。声表面波传感器标记在预热塞附近。1.2 声表面波基础知识基于物理的压电效应，一个SAW器件包含一个有金属结构的压电晶片 （指间换能器 （IDT），反射镜和耦合光栅）被放置在它的纯抛光表面1（另见图3）。图3 SAW传感器的审讯一般组态由于压电效应影响电子信号在 一个IDT会刺激机械波沿标记的表面的传播。反之，一个微声波在一个IDT抵达导致电荷分布，从而电信号在IDT内的终端出现。SAW器件的一个重要特征是波传播速度范围从

3、3000到 5000米/秒，这是比在真空光速下降5个数量级。这使得微秒范围的变动的延迟时间在更小芯片尺寸范围内实现2。大多使用的波类型是古典Rayleigh波，漏表面声波（LSAW），表面横波（STW).）。典型的基底材料是一种石英单晶体，钽酸锂（LiTaO3），和铌酸锂（LiLTbO3晶体）。石英，例如：展品温度敏感性几乎为零，而且铌酸锂另一方面具有低损失3。同材料的相对于晶轴方向的影响减少了基体参数。由于IDT结构和上述材料在带的宽度上从数微米到亚微米尺寸，故其技术应用涵盖了频率可从约30 MHz至3 GHz范围变动。传统的SAW器件用于实行延时线，谐振器，滤波器和 振荡器电视接收器，移动

4、通信 单位或更多。此外，表面声波设备非常适合建设物理和化学低成本的传感器， 并作为识别标签的应用。过去SAW器件的特点是能在短距离内无线询问他们。1.3 无线审讯的SAW标签无线审讯的声表面波传感器主要特点是他们完全被动的运作。图3显示了一个典型的配置，组成审讯单元和附加天线表面波传感器由审讯装置发送请求信号，由接收天线和在IDT中转换成表面声波 IDT是沿着SAW器件传输的。反射镜部分的将声波后传到IDT，在理想情况下，重新传输的延迟和衰减覆盖请求信号，这根据反射阵地和传播速度的 表面声波设备。 这取决于材料特性 和环境条件，例如：温度，这个可以归纳的温度延迟系数 。因此，往返延迟审讯信号时

5、间来设置正确选择反射位置，而这可以实现使用，例如：编码ID信息。温度 在传播速度取决于变化 可以用来确定设备的温度 同时，只要双方的影响可以分开毫不含糊。从系统理论的角度来看SAW器件天线组合可以被视为作为一个端口设备和问讯这相当于对反射系数测定，因此，审讯可以在时域，如以短脉冲或频域，例如：以啁啾信号的问询。随后，我们仅仅将集中在频域审讯。2. 传感器标记概念该传感器标记系统主要由原传感器内的表面声波身份标记或传感器标签识别电缆，和连接到传感器评价单位的问讯单元。2.1 测量设置对所提出鉴定系统的基本概念显示在图4图 5中，图4是一体化传感器，图 5是碳化硅使用。 在第一个变种（图4）的AV

6、L的压力传感器直接配备了身份标签。压力传感器采用压电效应，这种效应连接到传感器逻辑单元组成的第一阶段的电荷放大器。重要的是不要减少在信号路径中极高的绝缘电阻，和至关重要的敏感负责测量。因此，直接耦合现有测量线已不是问题。系统只能使用现有的屏蔽连接 没有直接的欧姆接触。其RF -审讯单位电容耦合到信号线和表面声波身份编号，标签内的压力传感器无线耦合，以保持高电阻。传感器评价单元控制着读写。除了执行与附加传感器的测量，审讯单位从连接的传感器来识别传感器身份在后台数据库，即网络所有的评价单位，提供了额外的信息，例如校准数据或确定传感器生命的时间期限。与此方法，所有组件仍然可以互换，但校准信息是在评价

7、单位每日更新。图.4.传感器的识别系统配置，它是由标签组成的编号的压力传感器，传感器的评价单元和标签的ID额外RF问询单元组成，该传感可分离电缆图5示意图传感器识别电缆的结构，包括一个传感器和一个与电缆身份证标签在结束（a）或在开始（b）。该ID标签传感器评价单位的额外的RF -审讯单位不变一碳化硅能在第三方传感器中开发，而这种传感器不能集成编号和标签。在此配置中，编号标签安装在一个小沿电缆金属圆柱体，可分开或永久连接到传感器。该ID -标签可安装在电缆的结尾（图5a）或在开始（图5b）。当编号标记是直接连接到电容式压力传感器，这似乎是一个已定义短暂的射频信号访问。如果ID标记任何方式安排，那

8、确定终止会得到反射损失和延迟可能会导致多次审讯请求，恶化审讯的质量。为此，一个射频短要插入接近编号标记，以防止延迟传感器反射。该标记内框RFshort位置如图6。所有不同的配置具有独特的识别并应包括最实用的传感器接线申请。2.2 表面声波编号标记标识信息本身就是一个编码表面声波身份的标签，这是温度稳定的铌酸锂衬底不同类型的捏造 。一个关键点是衬底和金属高温耐久性 。功能已成功实现证明温度梯度超过70身份证长度标记加热到400标签10,11，加速度达35000m/s2。图.6.声表面波身份的标签和在传感器电缆的识别标记框中短RF安排的示意图这种标签是唯由一反射位置编码标有5位十进制数是反射位置在

9、网格预先确定的如图 7。为了减少识别错误，轻微的冗余代码安装在需要额外的反射成本编码。图7 原则上序号的编码方案，由许多反射器和一个IDT来实现一个IDT生成一个沿基体表面声波的传播反射被击中，部分波反射回到 IDT。传输 和接待之间旅行时间的理想距离成正比，这距离是在IDT和反射器之间。确定反射地点，因此身份的标记代码因此基于对声波等式的测量，这测量来自传输的被积极内幕交易审裁处的反射和之后。由于温度等外部参数，机械应力或弯曲可能会导致改变行波经验的延迟，其他信息（如：启动/停止反射） 要编码的SAW器件获得解码数据的正确帧信息位。 这种微小的表面声波编号标记是装在密封中密封压力传感器。一个

10、小天线基材允许无线耦合，保留了高隔离性。在图8显示内部的压力传感器标签的安排。图8 SAW标签的内安装密封压力传感器的示意安装。2.3 讯问单位对于手头的问题一个数字解码号码表面声波标记被认为是一个与天线连接端口设备和一个由无线访问的IDT。 访问单位应该产生和传输响应信号到ID标记，并确定通过评估反映是否收到数编码信号，这是模拟的测量身份标签的反射系数。操作频率并不限于的ISM波段因自由空间传播限制的区域，这区域是完全屏蔽。一般情况下，存在两个基本原则审问SAW器件，无论是在时域或在频域12,13。一个时域要求需要提供短脉冲发生器射频脉冲和快速采样阶段。随着狄拉克作为请求信号，我们直接得到的

11、脉搏脉冲响应的身份标签，完全说明标签的行为。用实际地实现射频脉冲载波和适用带宽是成反比的突发长度。那个快速测量的优势，已由昂贵的抽样阶段支付。图9工作在频域内的低成本阅读器的一个普通板块。用频域采样的其他操作连续波（CW）信号用于一个比较温和的采样率。对于识别序列号，这是没有时间关键的，一个卸任的频率连续原则作为调制方式被使用。通过这方法真正的低成本设计是可以实现的。一般审讯的单元框图经营频域如图9。CW信号的新一代的优势是在另外一个方面又是重大缺陷，因为没有时间差距之间切换传输和接收。因而同时对发生分离发送和接收信号，是一项艰巨的任务，直接限制了实现动态系统。在低成本系统，一零差配置可取的，

12、而只需要一个混频器，过滤器，一个模拟，数字转换器，和一些信号加工。图10显示了一个典型的更详频率加快（财经事务）连续配置。信号发电是通过锁相环（PLL一阶段）稳定振荡器实现的，信号发电是有能力提供 精确的频率，有必要的高线性 加强坡道。振荡器信号放大是通过一个标签 天线， 由一个功率放大器来发送ID的，它代表在审讯单位和测量线测量声线和设备，测量线，以及该ID -标签本身之间的耦合。 图10一个FSCW读写射频基石。发送和接收信号的分隔通过低成本正交混合而不是昂贵循环器。另外3 dB的损失是与价格可接受，带宽优势是能够连接隔离混合相比的循环器。在原则上适用于收到零差混合信号的发射信号的一部分。

13、接下来，放大混频器输出低通滤去，采样和数字化。在这种方法的主要缺点是有限的隔离混合，导致泄漏到射频端口，这使得放大振荡器无用的RF的信号噪声比率（SNR）不能再增加，在这一点上。由于相对较长的RTDTs在SAW器件，一个开关可以增加，从而导致一个交换了S - FSCW雷达，如图11所示。在这种拓扑结构主要性能增益来自其他低噪声放大器接收通道，两个开关是较好脱图11。一个先进的S - FSCW概念构造结构。钩的振荡信号。增益在这个功能模块，可直接作为SNR的改善（图12）与传统的概念相比。切换时发生在每个测量点，从而低成本的采样单位仍可使用16。该系统的FSCW以下级计划给出了一个在实现系统大概

14、的功率水平。对于一个良好的噪声性能的审讯硬件的地板应尽量接近实际限制。一个2.9 dB的噪声系数作为了达成内置的原型。转换器的平均动态范围可提高，这种范围是可易于应用的缓慢采样结构。3 信号评价在线性或线性步进频率雷达系统中测量IF信号的频率是正比于反射距离。因此，RTDT评价导致了在基带中（多）频率估计问题。图12检测一个FSCW和一个ID标记SFSCW雷达系统的审讯反应PLL的输出功率6dBm电力在传输路径放大器增益+20dB在混合，过滤和耦合中的亏损5dB在传感器电缆衰减2dBper m在ID标签中的损耗70dB混频器变频损耗8dB4米感应电缆中频中的信号90dBm3.1 信号模型下面的

15、信号的有效性模型先决条件是以 （1）的形式发射步进频率响应信号与的频率坡道带宽B组的启动频率（啁啾），n = 0,1， ，ñ 1和N样本数或步骤。参考图9，采样混频器输出的信号是p余弦的总和这个p指明了指明了指标的数量。 （2） 在这里，i=2di/c是在距离di，和c意指传播速度下由目标引发的等式。所需的距离信息的编码归一化频率i=i(-1/2i1/2）在（2）中，k=B/N是尖锐的鸣音，就像在相位i=20i。一个确定的决定i的方法（相当于计算d）是估计的频率在（2）中通过快速傅里叶变换（FFT）。为了确保个人目标（反射）的解决方案以及保持旁瓣水平低，适当的窗口功能（例如，汉宁窗）

16、必须用于测量数据。由于频率离散很粗，通常只使用相对样品数量很少，零填充增加频率的估计精度17。一般来说，FFT紧跟一个谱峰值搜索算法，以确定位置最大峰，对应于目标无线频率i在（2）。对于ID-标签为例的评价，可以比较这些计算机网格位置的定义由脉冲编码方案立场，例如给出的2.2节。温度测量是可能的，通过测量之间的第一个和最后一个目标，即上涨近直线上升温度，根据TCD14.高等RTDT和这些温度估计精确度可以通过利用在相位（2）中的资料获得。要理解这一点，最好的估计性能的可能性（即最低实现标准差这两个参数）进行比较，通过Cramèr-Rao的下届（CRLB）。最低标准差估计阶段的信号模型

17、已经给出 （3） 其中，i=Ai/22是第i个正弦波信噪比在（2）中，高斯白噪声方差2描述测量噪声。论另一方面，频率估计的最低标准差是实现的最低标准差等式 （4） 用 （5）和 （6）最低实现RTDT标准差能被完成 （7）对于大型N，它可以看出，基于FFT估计大约达到计算CRLB为单一的目标，如果他们是完全分离的频率甚至多个目标15。因此，以上是直接适用于测量结果。假设一个表面声波问询系统（B = 100Mz与0=20MHz，见16），收益率 （8）这意味着实现RTDT第一阶段为基础的评价标准偏差约为通过幅度谱的RTDT的十四分之一。更详细的推导中可以在17 找到。3.2 温度测量在上一节所述

18、的方法没有充分利用温度信息这些信息的实际位置在一大堆有表面声波标签的反射器上，其中标签通常仅用于编码之用。在18中，作者得出的新方法，该方法，成功后的代码识别，充分利用了温度信息载于整套反射装置，从而导致明显优于温度估计结果。在许多工业生产过程，不仅是单一温度测量的兴趣，但往往温度在一段时间内进行监测。在 19，提出的算法，适用于卡尔曼 过滤技术20表面声波温度测量， 明显导致平滑气温粗略的估计。4 测量结果在本节中，从实际测量获得的测量结果设置显示，它强调S-FSCW概念与发达的温度测量算法这两者的实际应用。4.1 编号查询图12显示了一个从ID-标签查询获得的典型的幅度谱，它具有一个FSC

19、W和一个S-FSCW系统，并且根据（5）横坐标扩展到时间。一个改进约20分贝的信噪比被认可是使用FSCW概念。此外，从令人困扰的抑制低频成分可以看出，是由于应用时域控。该谱峰映射到虚构分配的代码网格是直接的，只要峰值可以清楚的识别。为了提高个人的反射可解析反映或等效的降低带宽测量，现代频率估计算法的应用显示了更好的性能。4.2 温度测量为了显示基于锯的温度传感器的温度范围宽的潜力，一锯标签使用液氮已经被冷却到大约零下196，然后加热到约200如图13所示。温度估计的结果和在14中提出的运算法则的对比，利用相位编码的信息和PT100温度传感器的基线标准测量显示了非常好的一致性（见图14）.在极低温度下，存在几摄氏度的区别可以看出，它是由于高阶的结果中TCD未考虑到。13配备的SAW ID标签的压力传感器安装在一个铝块孔中该铝块附近的PT100温度传感器在用液态氮冷却（）和在一热板加热（）14实测制冷和供热的测量和计算的周期相比较，传感器PT100的参考因素.图15 SAW的温度检测，该检测通过经营的卡尔曼滤波与FFT的2.4千兆赫频率估计和改进。最低点显示了与PT100相比的温度偏差。图15显示的结果是在应用一个卡尔曼滤波之后的结果，相比于一个简单的基于FFT的估计。增强