一种具有防碰撞功能的声表面波延迟线型无线传感器系统的制作方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及声表面波无线传感器，特别涉及一种具有防碰撞功能的声表面波延迟线型无线传感器系统。
【【背景技术】】
[0002]电力网设备温度实时监控，是智能电网的基础手段，市场需求迫切。由于电力网的特殊环境，常规温度传感器无法应用，采用声表面波无线传感器遥测技术是国际公认较优方案。
[0003]近年来开发的基于雷达原理的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)无线传感器，不需外界电源，抗干扰能力强，能在各种恶劣环境(例如高温、强电磁干扰和核辐射等)中可靠工作，是常用IC传感器的补充，必将成为物联网的基础元件，在现代工业、农业、交通和环境保护等领域中发挥其独特作用。
[0004]SAW无线传感器的工作原理是:传感器的探头(应答器)周围环境物理量、化学量和生物量的变化会引起其中SAW传感芯片电气特性的偏移，通过检测这些偏移就能监测周围环境物理量、化学量和生物量等参量，在个体识别(标签)、物理、化学、生物传感器系统中将有极大应用前景。
[0005]例如，2008年初全国电力系统因雪灾造成的直接经济损失约为400亿元，占全国雪灾损失的22.3%。如果能采用SAW无线温度传感器直接监测电力网架空输电线温度，并采取有力预防措施，就可大大减小这些损失。特别是2011年日本核电站事故，使人们认识到在恶劣环境中能正常工作的传感器是多么的重要。如果核电站布局了 SAW无线传感器，随时实时检测危险区域温度，就能使核电站运行有效和安全，推进未来核能源的广泛应用。
[0006]除非特别说明，在不会产生误解时，本说明书将把“无线传感器”中“无线”两字省略。
[0007]不失一般性，我们以最常采用的温度传感器为例，说明本发明相关事项。
[0008]现今，声表面波传感器系统，均采用雷达原理，由阅读器、应答器及后台处理三部分组成，图1示意了其基本框图。应答器即传感器探头，仅由声表面波传感芯片，微型天线和适用封装件构成，是无源无线部件。阅读器由激励脉冲产生发射、回波信号接收处理、后台接口及控制等电路和收发天线组成。后台处理是系统应用层。目前，阅读器发射的询问脉冲是矩形单频载波脉冲，芯片上实现电-声-电转换功能的换能器是相应的常规均匀叉指换能器，其长度配合脉冲宽度。
[0009]传感器系统的工作原理如下:阅读器主动发射询问脉冲，被应答器微型接收天线接收后，馈电到声表面波传感芯片的输入叉指换能器。当询问脉冲参数与输入叉指换能器参数相近时，由于(逆)压电效应，会产生高频回波，并由应答器微型发射天线发回到阅读器。由于回波特性(频率、相位、延时等)易受传感芯片所处环境影响，故被阅读器接收的回波已携带有传感器探头所处环境特征，例如温度等。所以处理回波特性，即可达到实时遥测目的。
[0010]根据声表面波传感芯片产生回波的机制，声表面波无线传感器芯片可分为三种:
[0011]第一种是声表面波谐振器型(图2)，其应答器芯片就是一个有适当温度特性的声表面波谐振器，它利用了声表面波谐振器的高Q谐振特性，此时应答器微型天线收发共用。
[0012]谐振型芯片，在被与其谐振频率相近的询问脉冲受迫激励时，会积累声能在叉指换能器与反射栅阵组成的声谐振结构中。在询问脉冲停止后，所积累的声能会转换为电磁波，并向外发射出衰减高频回波。此衰减高频回波的频率，是声表面波谐振器的固有谐振频率，与谐振器芯片所处环境特征有关，由接收到的频率比对其温度特性，即可实现遥测温度功能。
[0013]另外两种是声表面波延迟型，由于声速比电磁波速低得多，阅读器接收到的传感电磁回波，比发射的询问脉冲延迟较长时间(大于Ius)，明显提高了阅读器的抗干扰性能(图1)。
[0014]其一，即第二种，是声表面波延迟反射型(图3)，其应答器芯片由一个叉指换能器和多个距离较远的金属条阵反射栅(反射栅组)构成。叉指换能器同时作为输入/输出声电换能元件，而金属条阵反射栅根数很少，反射率也小，是声回波产生结构。阅读器发射询问脉冲，被应答器接收天线接收后，激励芯片叉指换能器后产生的声脉冲，延迟传播到金属条阵处，被反射后，产生多个声回波脉冲，并返回到叉指换能器再转变为高频电磁回波，发回阅读器。此时收发天线是共有的，回波为多个反射峰串。由于芯片会受到所处环境影响，反射特性(例如反射峰间距)会随之变化，阅读器分析回波的反射特性变化，就可实现遥测功能。
[0015]其二，即第三种，是声表面波延迟线型(图4，图5)，其应答器芯片由一个输入叉指换能器和多个距离较远的短输出叉指换能器(输出换能器组)构成多输出延迟线。阅读器发射询问脉冲，被应答器接收天线接收后，激励输入叉指换能器产生的声脉冲，延迟传播到各输出换能器，产生高频电磁回波串，通过应答器发射天线发回阅读器。应答器可采用收发共用单天线结构(图4)，也可采用收发分离天线结构(图5)。传感回波产生结构为短叉指换能器组，电磁回波为多峰串。由于芯片会受到所处环境影响，回波传输特性(例如峰间距)会随之变化，阅读器分析回波特性变化，就可实现遥测功能。
[0016]经过近十多年的努力，国内外许多厂家虽已开发出多个试验系统，但由于现场干扰无法解决，致使推广应用受阻。例如，在电力网电力柜实时测温时，由于多个电力柜连接后，电力母排使无线传感高频信号无衰减传播，阅读器接收信号是多个传感回波相互叠加，需要系统具有防碰撞功能。例如，一个电力柜群一般有二三十个，如每个电力柜安装九个应答器，系统的防碰撞数至少要二百多才满足实用要求。
[0017]防碰撞声表面波传感器，就是指在阅读器有效范围内，即使有多个传感器同时存在，也能准确得到某个传感器传感信息。现今的声表面波传感器，应答器的本质防碰撞功能较弱。
[0018]在采用声表面波谐振器型应答器时，每个应答器需要近IMHz带宽，而无线电频段资源小于1MHz，即防碰撞数最多为十。
[0019]声表面波延迟型传感器，现有商品一般采用回波产生结构(反射栅组或输出叉指换能器组)起始延迟时间不同，即时分机制，来实现防碰撞功能。传感芯片上容许放置传感回波产生机构的时基位置数，称为时序容量，表示了芯片本质防碰撞功能，与芯片尺寸、阅读器性能和电极布局等有关，一般最多几十。例如德国艾迪克?莱默克诊断公司(LDIC)架空输电线温度实时监测的RITHERM无线无源SAW温度传感系统，防碰撞数仅为5 (图6A和图 6B) ο
[0020]采用软件算法来扩充声表面波传感器的防碰撞功能，虽有进展，实用前景不明朗。【
【发明内容】
】
[0021]我们在已授权专利ZL2010101761425 “声表面波无源射频识别标签和传感器”中，公开了一种采用编码叉指换能器(相关换能器)代替常规均匀叉指换能器的标签芯片，来提高声表面波标签容量的技术，其实质就是利用相容码编码的相关换能器特有的码选择性，实现码分机制，来获得芯片的防碰撞功能。
[0022]我们在申请专利“一种具有防碰撞功能的声表面波延迟反射型无线传感器”中，公开了一种采用码分时分方式实现防碰撞功能的声表面波延迟反射型无线传感器系统，其主要创新点是将现有声表面波延迟反射型传感器芯片上的常规均匀叉指换能器换为相关换能器，利用相关换能器对编码脉冲的码选择性，实现防碰撞功能。
[0023]由于所述延迟反射型无线传感器，采用了反射栅组作为传感回波产生机构。虽具有抗干扰能力好的特点，但回波幅度小，而且被相关换能器调制，增加了阅读器的复杂性。由此，我们对该专利进行了改进。
[0024]在本发明提出一种具有防碰撞功能的声表面波延迟线型无线传感器系统，包括应答器、阅读器和后台处理单元，应答器采用的声表面波传感芯片，其输入声电换能用的常规均匀叉指换能器被编码叉指换能器(相关换能器)代替。
[0025]相关换能器的编码，为属于同一相容码组的相容码，采用同一相容码编码的声表面波传感芯片的应答器，组成同类应答器。属于同一码组的相容码数目，称为该相容码组的度，也就是不同类应答器的种类数。
[0026]应答器采用的声表面波传感芯片，其传感电磁回波产生机构为输出换能器组，至少由两个(一般为三个)沿声道排列的同频输出叉指换能器构成。
[0027]对同类应答器芯片，其起始延迟距离，即第一个输出换能器