一种基于声表面波传感器的数据测量方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于声表面波传感器的数据测量方法和装置，其中，该方法包括：步骤A：向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率；步骤B：根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率；步骤C：计算所述各扫频点的返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率；步骤D：重复所述步骤C，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率。
【专利说明】
一种基于声表面波传感器的数据测量方法和装置
技术领域
[0001]本发明涉及传感技术领域，具体地，涉及一种基于声表面波传感器的数据测量方法和装置。
【背景技术】
[0002]声表面波理论始于1885年英国物理学家瑞利(Lord Rayleigh)题为《沿弹性体平滑表面传播的波》的论文，他首次在理论上提出，除了人们已熟知的属于声体波的纵波和横波以外，还可能存在另一种形式的波，这种波被称为声表面波(SAW)。不久，声表面波研究工作首先在地震领域开展起来，在地震研究和非破坏性检测方面取得了大量成就。
[0003]1965年，加利福利亚大学的怀特(Whi te)和伍尔特默(Voltmer)发明了一种有效的激励和检测声表面波的叉指换能器(IDT)，叉指换能器的出现首次让声表面波正式登上了电子学舞台。很快，声表面波延迟线，声表面波卷积器，声表面波谐振器，声表面波振荡器，声表面波传感器雨后春舆般的出现。
[0004]现有技术已经提出了许多关于无源无线声表面波的专利申请，如专利申请号:02113358.1《无源无线声表面波多传感器系统及采用的频分识别方法》和专利申请号:02113480.4《谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统》都公开了声表面波读写器及解调信息的方案。上述申请提供的方案传感时间长，频谱利用率低，系统复杂，不适合用于现场作业环境。
[0005]又如专利申请号200910084148《一种集成式的声表面波无线温度传感器》公开了一种集成度很高的温度传感系统，此方案也是读写器发射电磁波被传感器接收后，直接测量返回信号特征，通过扫频方式来确定谐振频率，具有传感时间长，频谱利用率低等缺点。
[0006]又如专利号201110171525.8《基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统》、专利号201210372485.8《一种基于双天线通道的无源无线测温方法》、专利号201220607908.5《声表面波无线无源传感器系统的读写器》、专利号201310139332.3《提高声表面波无线传感信号检测灵敏度的方法》、专利号201310148310.3《多频谱声表面波器件频率识别装置》、专利号201310568587.1《声表面波传感器频率-温度解析时域算法》等公开的技术方案都是发射扫频电磁波，传感器接收后，由于逆压电效应转化为声表面波，停止发射后，声表面波由于压电效应转化为携带传感信息的电磁波，被读写器接收后，根据返回电磁波的特征(功率、频率、相位)来判断谐振频率，继而算出传感信息。上述方案都存在频率利用率低(需要扫描一个传感器全频带才可以)，因此传感时间长，传感精度低，易受到干扰、可靠性低的问题。
[0007]又如专利号201210397715.6《一种基于无源无线声表面波温度传感器的温度检测方法》、201210561026.4《无源无线声表面波温度传感器饱和程度检测调节方法》等公开的技术方案虽然包含自动调节功能，但是调节的是发射增益，并不是调节发射频率跟踪谐振频率，并没有解决传感时间长、读取的传感器数量少、传感精度低等缺点。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术中存在的传感时间长、测量精度差等问题，本发明提出了一种基于声表面波传感器的数据测量方法和装置。
[0009]该方法包括:
[0010]步骤A:向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率；
[0011]步骤B:根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率；
[0012]步骤C:计算所述各扫频点的返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率；
[0013]步骤D:重复所述步骤C，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率。
[0014]本发明的基于声表面波传感器的数据测量方法，采用闭环控制算法，扫频步长根据待测量数据差进行调整，测量精度更高。由于读写器时刻跟踪传感器谐振频率，因此无需扫频全带宽，大大缩短了传感时间。精确跟踪谐振频率，工作时只需保证每个传感器的谐振频率不重合即可，因此传感器之间的全工作频带可以有部分重合，有效利用宝贵的频率带宽资源，每个天线可以带更多的传感器，形成分布式传感，扩大了声表面波传感的适用性。而且由于本发明公开的数据测量方法占用频带窄，精确跟踪谐振频率，受到干扰的概率大大降低。
[0015]该装置包括:
[0016]初步扫频模块，用于向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率；
[0017]功率获取模块，用于根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率；
[0018]闭环控制模块，用于计算所述返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率；
[0019]功率确定模块，用于重复所述闭环控制模块进行的操作，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率。
[0020]本发明的基于声表面波传感器的数据测量装置，采用闭环控制算法，扫频步长根据待测量数据差进行调整，测量精度更高。由于读写器时刻跟踪传感器谐振频率，因此无需扫频全带宽，大大缩短了传感时间。精确跟踪谐振频率，工作时只需保证每个传感器的谐振频率不重合即可，因此传感器之间的全工作频带可以有部分重合，有效利用宝贵的频率带宽资源，每个天线可以带更多的传感器，形成分布式传感，扩大了声表面波传感的适用性。而且由于本发明公开的数据测量装置占用频带窄，精确跟踪谐振频率，受到干扰的概率大大降低。
[0021]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0022]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0023]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0024]图1为本发明实施例一的方法流程图；
[0025]图2为本发明实施例二的方法流程图；
[0026]图3为本发明的闭环控制算法的硬件实现的示意图；
[0027]图4为采用本发明的方法获得的回波信号图；
[0028]图5为采用现有技术的方法获得的回波信号图；
[0029]图6为本发明实施例三的装置结构示意图；
[0030]图7为本发明实施例二的测量温度的原理示意图；
[0031]图8为采用现有技术中测量温度的原理示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0033]为了解决现有技术中存在的传感时间长、测量精度差等问题，本发明提出了一种基于声表面波传感器的数据测量方法和装置。
[0034]本发明公开的方法可以扫描的传感器数量多(每个天线大于20个，共3?4个天线)，传感时间短(系统稳定工作时每个传感器读取时间小于20ms)，传感精度高(例如，以测温为例，温度分辨率小于±0.05°C，优于现有技术方案的±0.5°C )，该方法可应用于电力或者其它能源系统高压、高温、旋转设备测温及其它传感领域。
[0035]本发明采用的闭环控制算法，解调每次扫频的返回功率值，自动调节扫频频率，使得返回功率为最大值，此时的发射频率为传感器谐振频率，根据谐振频率-被测量数据(温度、浓度、压力等)关系即可实现传感等功能。
[0036]实施例一
[0037]如图1所示，基于声表面波传感器的数据测量方法包括:
[0038]步骤SlOl:向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率;
[0039]步骤S102:根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率；
[0040]具体的，读写器发一次电磁波，当发射停止后，经过一定时间(如大约4 μ S)，声表面波传感器返回一次功率；接着读写器根据扫频步长增加发射频率再次发射，传感器再次接收，直到完成整个声表面波传感器全频带的扫频；
[0041]步骤S103:计算所述返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率；
[0042]步骤S104:重复步骤S103，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率；
[0043]步骤S105:将所述第三功率对应的发射频率作为声表面波谐振频率，根据声表面波谐振频率与待测量数据之间的关系精确计算待测数据。
[0044]优选的，所述闭环控制算法包括:比例-积分-微分(PID)控制算法、比例-积分(PD控制算法或二分法等(不限于本说明书所记载的算法，凡能实现本发明公开的锁定返回功率最大值的任何闭环控制的算法皆应纳入本发明的保护范围)。
[0045]优选的，所述第一扫频步长 >> 所述第二扫频步长。
[0046]本发明的基于声表面波传感器的数据测量方法，采用闭环控制算法，扫频步长根据待测量数据差进行调整，测量精度更高。由于读写器时刻跟踪传感器谐振频率，因此无需扫频全带宽，大大缩短了传感时间。精确跟踪谐振频率，工作时只需保证每个传感器的谐振频率不重合即可，因此传感器之间的全工作频带可以有部分重合，有效利用宝贵的频率带宽资源，每个天线可以带更多的传感器，形成分布式传感，扩大了声表面波传感的适用性。而且由于本发明公开的数据测量方法占用频带窄，精确跟踪谐振频率，受到干扰的概率大大降低。
[0047]以下以温度测量为例对本发明的方法进行详细说明，在本实施例中，闭环控制算法以二分法为例进行说明。本领域技术人员应当了解，该实施例只是为了更加详细、具体地说明本发明的方法，而不是对本发明的保护范围进行限定。本发明公开的数据测量方法同样适用于对气体/液体浓度、压力值等数据进行测量，其与实施例二的区别仅在于待测量数据(例如气体/液体浓度、压力值等)与声表面波谐振频率的关系不同。
[0048]实施例二
[0049]如图2所示，基于声表面波传感器的数据测量方法包括:
[0050]步骤S201:设备准备扫频，先启动初始化。初始化之后，读写器控制发射芯片在声表面波传感器(以下简称SAW传感器)的频带范围内进行扫频，在本实施例中，例如扫频范围为430MHz?431.3MHz，第一扫频步长为50kHz，发射时间为50 μ S。
[0051]每次发射电磁波之后，读写器接收从SAW传感器返回的信号(例如，可将图3中的收发开关切换到接收状态，接收周期可设为如150 μ s)，经过检波、放大、AD采集之后，获得每个扫频点的返回功率值。
[0052]步骤S202:根据50kHz的第一扫频步长增加发射频率，持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率。
[0053]具体的，假设第一发射电磁波的频率为430MHz，则后续发射功率依次为
430MHz+50kHz、430MHz+50kHz*2、430MHz+50kHz*3......，直到 43L 3MHz，读写器最终获取发射上述各频率电磁波之后的返回功率。
[0054]步骤S203:计算步骤S202得到的一系列返回功率中的最大值和次大值，此最大值对应的发射频率F即为在初步扫频过程中，扫频范围内最接近声表面波谐振频率Fn的频率，次大值对应的发射频率为F’。
[0055]由于温度变化是相对缓慢的过程，系统每次测温的时间(大约Is内)的温度变化很小，因此由温度变化引起的声表面波谐振频率变化也很小。根据闭环控制算法(本实施例中为二分法)控制发射芯片以F?F’的中点频率值F”发射电磁波，获取该频率值F”的返回功率，此时扫频步长为前一次扫频步长的一半。
[0056]步骤S204:重复进行步骤S203的操作，每次扫频步长均为前一次扫频步长的一半，在每次发射电磁波结束后，获取新的返回功率，取其中的最大值和次大值，该最大值和次大值的中点频率值对应的发射频率作为下一次发射电磁波的频率。
[0057]具体的，假设在步骤S203中F、F’、F”分别对应的返回功率中，F对应的返回功率最大，F”对应的返回功率次大，则在F和F”的中点频率值继续发射电磁波，获取该频率值的返回功率。循环进行如此操作，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，停止发射电磁波，在本实施例中可将第二扫频步长设为10?10Hz中的某一个值，跟踪温度变化引起的谐振频率变化，使得返回功率处于最大值，假设最后一次扫频返回功率中的最大值对应的发射频率为F”’。
[0058]步骤S205:将F”’作为声表面波谐振频率，根据公式(I)可以精确计算出待测温度T，并将计算结果通过RS485总线上传到上位机系统。
[0059]由于闭环过程的扫频精度高，因此温度测量精度高(若传感器温度系数为7kHz/°C，以10Hz步长扫频，温度精度为0.015°C )，明显优于现有方案。
[0060]根据公式(I)的温度-谐振频率关系计算出待测温度，此温度精度取决于扫频步长。
[0061]F”，-F0= a (T-T0)+b((T-T0))2 (I)
[0062]其中，
[0063]F”’为发射频率(谐振频率)，F。为标定频率，T为待测温度，T。为标定温度，a与b分别为频率-温度一次系数和二次系数。由于实际中的二次温度系数b很小，可以忽略不计。F。、!；和a的值在传感器研发过程中即可确定，为公知常识。
[0064]步骤204中提到的控制算法还可以采用比例-积分-微分(PID)控制、比例-积分(PD控制或者其他闭环控制算法(不限于此)控制。如图7所示为采用本发明的闭环控制算法测量温度的原理示意图，如图8所示为采用现有技术的开环控制算法测量温度的原理示意图。现有技术中，没有对返回功率值进行更加精确的闭环控制计算，仅将开环控制时获取的返回功率最大值对应的发射频率F作为声表面波谐振频率，导致了测量精度远没有本发明方法的测量精度高，而且容易受到干扰。
[0065]如图4所示为采用本发明的方法获得的回波信号图，如图5所示为采用现有技术的方法获得的回波信号图。发明人发现，在采用本发明的方法测量温度的过程中，与现有技术相比，至少具有以下有益技术效果:
[0066]精度高:由于现有技术方案采用的是开环扫频方案，温度传感精度取决于扫频步长。鉴于传感时间要求，扫频步长不可太小，大约为5?10kHz，因此传感精度受到限制，目前市面上的产品中最高精度大约为±0.5°C。本发明公开的方法是采用闭环控制算法的技术方案，扫频步长根据外界温度差调整，步长10Hz量级，因此温度精度可以优于±0.05。。。
[0067]传感时间短:现有技术中由于每次读取温度值都需要扫频整个传感器带宽范围，因此每个温度值读取时间大约为0.2s?0.5s，若一套读写器带有24个传感器，温度读取总时间为5s?12s ;而采用本发明的方法，由于读写器时刻跟踪传感器谐振频率，因此无需扫频全带宽，每次读取温度值的时间可以缩短至20ms以下，一套读写器读取相同数量的传感器时间仅需0.5s，因此明显优于现有技术方案。
[0068]传感器数量多:现有技术中每个传感器全频带大约为0.8?1.3MHz，系统工作时，全频带扫频才可有效读取温度值，因此每个天线可以读取6个传感器，数量太少；而本发明的方法精确跟踪谐振频率，工作时只需保证每个传感器的谐振频率不重合即可，因此传感器之间的全工作频带可以有部分重合，有效利用宝贵的频率带宽资源，因此每个天线可以带20个以上的传感器，形成分布式传感，扩大了声表面波传感的适用性。
[0069]系统可靠性高，抗干扰性能强:现有技术方案扫频时，没有闭环控制，若系统工作时附近有传感器带宽内的干扰源，读写器接收到的信号难以区分是否是干扰还是传感器回波信号；本发明的数据测量方法由于精确跟踪谐振频率，占用频谱资源少，受到干扰的概率大大降低。
[0070]实施例三
[0071]如图6所示，基于声表面波传感器的数据测量装置包括:
[0072]初步扫频模块10，用于向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率；
[0073]功率获取模块20，用于根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率；
[0074]闭环控制模块30，用于计算所述返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率；
[0075]功率确定模块40，用于重复所述闭环控制模块进行的操作，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率；
[0076]数据计算模块50，用于将所述第三功率对应的发射频率作为声表面波谐振频率，根据声表面波谐振频率与待测量数据之间的关系精确计算待测数据。
[0077]优选的，所述闭环控制算法包括:比例-积分-微分(PID)控制算法、比例-积分(PI)控制算法或二分法。
[0078]优选的，所述第一扫频步长 >> 所述第二扫频步长。
[0079]本发明的基于声表面波传感器的数据测量装置，采用闭环控制算法，扫频步长根据待测量数据差进行调整，测量精度更高。由于读写器时刻跟踪传感器谐振频率，因此无需扫频全带宽，大大缩短了传感时间。精确跟踪谐振频率，工作时只需保证每个传感器的谐振频率不重合即可，因此传感器之间的全工作频带可以有部分重合，有效利用宝贵的频率带宽资源，每个天线可以带更多的传感器，形成分布式传感，扩大了声表面波传感的适用性。而且由于本发明公开的数据测量方法占用频带窄，精确跟踪谐振频率，受到干扰的概率大大降低。
[0080]本发明可以有多种不同形式的【具体实施方式】，上面以图1-图4、图6-图7为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。
[0081]最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于声表面波传感器的数据测量方法，其特征在于，包括: 步骤A:向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率； 步骤B:根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率； 步骤C:计算各扫频点的返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率； 步骤D:重复所述步骤C，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率。2.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的数据测量方法，其特征在于，还包括: 步骤E:将所述第三功率对应的发射频率作为声表面波谐振频率，根据声表面波谐振频率与待测量数据之间的关系精确计算待测数据。3.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的数据测量方法，其特征在于，所述闭环控制算法包括:比例-积分-微分(PID)控制算法、比例-积分(PI)控制算法或二分法。4.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的数据测量方法，其特征在于，所述第一扫频步长>>所述第二扫频步长。5.一种基于声表面波传感器的数据测量装置，其特征在于，包括: 初步扫频模块，用于向声表面波传感器发射电磁波，接收所述声表面波传感器的返回功率； 功率获取模块，用于根据预设的第一扫频步长增加发射频率持续发射电磁波，并在每次发射之后接收返回功率，直至获取所述声表面波传感器全频带的返回功率； 闭环控制模块，用于计算所述返回功率中的最大值第一功率和次大值第二功率，在所述第一功率和所述第二功率分别对应的发射频率之间，采用闭环控制算法逐步缩小扫频步长发射电磁波，并接收返回功率； 功率确定模块，用于重复所述闭环控制模块进行的操作，直至最后一次扫频步长达到预设的第二扫频步长，计算最后一次返回功率中的最大值第三功率。6.根据权利要求5所述的基于声表面波传感器的数据测量装置，其特征在于，还包括: 数据计算模块，用于将所述第三功率对应的发射频率作为声表面波谐振频率，根据声表面波谐振频率与待测量数据之间的关系精确计算待测数据。7.根据权利要求5所述的基于声表面波传感器的数据测量装置，其特征在于，所述闭环控制算法包括:比例-积分-微分(PID)控制算法、比例-积分(PI)控制算法或二分法。8.根据权利要求5所述的基于声表面波传感器的数据测量装置，其特征在于，所述第一扫频步长>>所述第二扫频步长。
【文档编号】G01K11/22GK105987769SQ201510047097
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】刘殿君, 吕大伟, 李胜芳, 杨立新, 何凡
【申请人】国家电网公司, 北京南瑞智芯微电子科技有限公司