一种多叉指并联型乐甫波器件结构及其批量液体检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种声波器件，尤其涉及一种具有防碰撞识别功能的用于批量液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法，属于新型传感器领域。
【背景技术】
[0002]液体传感器主要用于对液体本身特征参数的检测，通常包括密度、粘度两种机械参数和介电常数、电导率两种电学参数的测量(在某些特殊的情况下，还需要测量液体的体积弹性模量)。液体检测不仅关注液体某单个特定的特征参数，还希望能够并行检测液体的多个特征参数。在科学技术尤其是信息科学技术日新月异发展的今天，无线传感技术成为传感器领域的发展趋势和研宄热点。在液体检测领域，无线传感也是大势所趋。
[0003]声波传感器是一种新型谐振式传感器。声波传感器以压电材料作为敏感器件，利用压电效应，通过叉指换能器在压电基片上激发出弹性波，主要根据声波的传播特性随被测对象变化来实现检测功能。在阅读器和天线的配合下，声波传感器在无线传感的同时也不需要电源。声波传感器最引人注目的便是其无线功能和无源本质。
[0004]通常来说，声波传感器可分为声表面波传感器、声板波传感器、乐甫波传感器三种类型。其中，乐甫波传感器最适于液相检测。乐甫波器件在半无限压电基片上增加了一层波导层，在用于液体传感时，可避免液体对叉指换能器的侵蚀，起到保护作用，还可以通过对波导层厚度的调整来改善灵敏度等指标。与此同时，由于乐甫波器件只存在水平剪切方向的振动位移，与沿传播方向存在振动位移的声表面波和声板波器件相比，液体的体积弹性模量不影响乐甫波的传播特性，在测量液体密度、粘度、介电常数、电导率时，消除了液体体积弹性模量对测量结果的耦合影响。
[0005]声波传感器用于液体检测时，检测结果受环境温度影响，并且很多时候在测量液体特征参数的同时还需要测出环境温度。除此之外，液体的出现还会导致声波信号的明显衰减，这在有源有线的测试方法中不会造成太大影响，但在用于无线传感时需要采取各种有效的方法来增强信号强度。以采用由叉指换能器和多个反射栅构成的单端延迟线型“声表面波标签”式结构为例，无线接收到的回波信号是经反射栅反射的反射回波信号，当在该结构上设置液体敏感区用于液体检测时，声波在传播和反射过程中两次经过液体试样，回波信号将产生极大衰减，不利于信号的无线接收(如文献:“1.1.Leonte, M.S.Hunt, J.Gardner, et al.Towards a wireless microsystem for liquid analysis,in Proceeding of IEEE Sensors, Piscataway, NJ, USA, 2004: 919-922，，)。还需要引起重视的是，由于声波器件为无源被动器件，当多个器件处于阅读器的可检测范围以内时，不可避免会导致信号的碰撞。对于诸如生物医学、食品安全、环境保护等领域的批量待测液体试样，所有试样测试时都放置在一起以便于操作，与阅读器之间的距离和方位不存在明显的差别，因此如何实现防碰撞识别功能，是无源无线声波传感器用于批量液体检测时需要解决的关键问题。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种具有防碰撞识别功能的用于批量液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法，采用无源无线方法完成对批量液体试样密度、粘度、介电常数和电导率的并行检测，同时还能测量环境温度，并且消除环境温度对液体测量结果的影响。
[0007]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种多叉指并联型乐甫波器件结构，所述乐甫波器件结构包括压电基片、主叉指换能器、第一从叉指换能器、第二从叉指换能器、第三从叉指换能器、第四从叉指换能器、压电薄膜、第一液体敏感区、第二液体敏感区；其中，主叉指换能器、第一从叉指换能器、第二从叉指换能器、第三从叉指换能器和第四从叉指换能器均并联在一起，且沉积在压电基片表面，主叉指换能器位于压电基片中部，第三从叉指换能器、第四从叉指换能器分别位于压电基片左右两端，第一从叉指换能器位于主叉指换能器和第三从叉指换能器之间，第二从叉指换能器位于主叉指换能器和第四从叉指换能器之间；压电薄膜溅射在压电基片表面并覆盖主叉指换能器、第一从叉指换能器、第二从叉指换能器、第三从叉指换能器、第四从叉指换能器；第一液体敏感区设置于第一从叉指换能器与第三从叉指换能器之间，第二液体敏感区设置于第二从叉指换能器与第四从叉指换能器之间，在所述第一液体敏感区和第二液体敏感区上分别设置有一个用于负载液体试样的液槽。
[0008]进一步的，所述第一液体敏感区和第二液体敏感区为不同的界面电学结构，其中第一液体敏感区是金属化电学结构的液体敏感区，第二液体敏感区是自由化电学结构的液体敏感区。
[0009]进一步的，所述第一液体敏感区的压电薄膜表面镀有一层金属薄膜。
[0010]进一步的，所述压电基片为36° YX钽酸锂，所述压电薄膜为氧化锌薄膜。
[0011]进一步的，所述主叉指换能器、第一从叉指换能器、第二从叉指换能器、第三从叉指换能器和第四从叉指换能器中，任意两个叉指换能器之间的距离各不相同，以确保测试时对应的回波信号在时间上互不干涉。
[0012]进一步的，设所述五个叉指换能器中，任意两个换能器之间的距离分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10，则LI至LlO中任意两个距离的差应大于乐甫波在外部阅读器发射的射频查询脉冲串持续时间内的传播距离。
[0013]进一步的，所述主叉指换能器是改变了内部叉指排列周期的相位加权叉指换能器，所述相位加权与唯一一个相位调制信号相对应；所述第一从叉指换能器、第二从叉指换能器、第三从叉指换能器和第四从叉指换能器均为常规均匀的叉指换能器。
[0014]本发明还提出一种应用该乐甫波器件结构进行批量液体检测的方法，包括如下步骤:
步骤A、将待测批量液体试样按照试样编号对应放置于不同乐甫波器件的液槽内，采用外部阅读器发射一个射频查询脉冲串，该脉冲串为一相位调制信号，且与I号乐甫波器件的主叉指换能器对应的相位调制信号一致；
步骤B、各个乐甫波器件利用与之连接的天线来接收该查询脉冲串并输入至五个并联的叉指换能器，通过逆压电效应和正压电效应，每两个叉指换能器之间产生一个时延回波，从而每个乐甫波器件对应产生十个回波信号，经天线发射回阅读器； 步骤C、在所有回波信号中，提取振幅最大的四个脉冲信号，S卩:第一尖峰脉冲信号、第二尖峰脉冲信号、第三尖峰脉冲信号和第四尖峰脉冲信号，分别对应于I号乐甫波器件中主叉指换能器与第一至第四从叉指换能器通过逆压电效应和正压电效应产生的时延回波；
步骤D、根据第一尖峰脉冲信号、第二尖峰脉冲信号、第三尖峰脉冲信号和第四尖峰脉冲信号，得到I号液体试样的参数，所述参数包括密度、粘度、介电常数、电导率；
步骤E、采用外部阅读器依次发射与其它各乐甫波器件的主叉指换能器对应的相位调制信号一致的射频查询脉冲串，并重复步骤B、C、D，依次测出所有待测的批量液体试样的参数。
[0015]进一步的，本发明的上述方法中，步骤D具体为:
根据第一尖峰脉冲信号和第二尖峰脉冲信号的时延来计算出环境温度；
在环境温度已知的条件下，通过第三尖峰脉冲信号与第一尖峰脉冲信号的时延差来得到I号液体试样的密度，通过第三尖峰脉冲信号与第一尖峰脉冲信号的幅值比来得到I号液体试样的粘度；
在环境温度和液体密度、粘度已测出的条件下，通过第四尖峰脉冲信号第二尖峰脉冲信号的时延差来得到I号液体试样的介电常数，通过第四尖峰脉冲信号与第二尖峰脉冲信号的幅值比来得到I号液体试样的电导率。
[0016]进一步的，本发明的上述方法中，在多个乐甫波器件中，不同乐甫波器件的主叉指换能器具有不同的相位加权形式，分别对应不同的相位调制信号，所述相位调制信号具有巴克码形式；在多个乐甫波器件中，每个乐甫波器件的第一从叉指换能器、第二从叉指换能器、第三从叉指换能器和第四从叉指换能器均完全相同。
[0017]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1、由于乐甫波器件的主叉指换能器为相位加权叉指换能器，且不同器件的主叉指换能器具有各不相同的相位加权形式，从而在测量批量液体试样时具有防碰撞识别功能，可完成对批量液体试样密度、粘度、介电常数和电导率的并行检测；
2.在测量时不仅能消除液体的体积弹性模量对测量结果的影响，而且还能同时测量环境温度，并且消除环境温度对液体测量结果的影响。