一种基于声表面波传感器的测量仪及测量方法与流程

本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于声表面波传感器的测量仪及测量方法。

背景技术：

频率是现代电子电路中最重要的参数之一，在众多领域中都有重要的意义。当今，声表面波(surfaceacousticwave，saw)传感器是一种利用声表面波器件作为传感元件，将被测量的信息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出的传感器。声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息，如温度、应力、气体密度。目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型。声表面波传感器的使用也越来越广泛，目前市面上基于声表面波传感器的测量仪普遍具有以下缺点：

第一：价格普遍较高，一般消费者较难承受；

第二：传统的测量仪缺少自动增益控制(automaticgaincontrol，agc)整形电路难以对大幅度信号进行整形测量；

第三：测量精度低，稳定性差，反应时间较长。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于声表面波传感器的测量仪及测量方法，解决了传统基于声表面波传感器的测量仪难以测量大幅度信号、测量精度低、稳定性差、反应时间较长、价格高的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征在于：包括声表面波传感器、agc电路、一阶有源带通滤波器、整形电路、二阶rc滤波器、fpga测频电路、单片机、lcd显示屏；待测物体物理量通过saw传感器转换为声表面波频率的变化量输出声表面波信号，声表面波信号通过agc电路稳幅得到幅值可控的正弦信号，稳幅后的正弦信号通过一阶有源带通滤波器滤除杂波，进而通过整形电路被整形成方波信号，整形后的方波信号再通过二阶rc滤波器二次滤波，而后，信号通过fpga测频电路计算得到声表面波信号的频率，声表面波信号频率输入到单片机中，通过计算得到待测物理量并存储在单片机中，计算得到的待测物理量通过lcd显示屏显示。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征是：所述agc电路包括依次连接的两级放大电路、检波电路、单门限电压比较电路，两级放大电路的输入端连接声表面波传感器的输出端，单门限电压比较电路输出端连接到两级放大电路中的程控放大器增益控制端口，形成闭环自动增益电路；所述两级放大电路包括依次连接的程控放大电路与同相比例放大电路；两级放大电路用于放大从声表面波传感器输出的声表面波信号；检波电路用于从两级放大电路输出的声表面波信号中检出低频信号；单门限电压比较电路用于为两级放大电路中的程控放大电路提供判别电压。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征是：所述程控放大电路包括程控放大器芯片、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第五电阻r5、第一直流电源v1、第二直流电源v2，所述程控放大器芯片的正级增益控制电阻端rg+、负级增益控制电阻端rg-连接第二电阻r2两端；信号正级输入端vin+连接声表面波传感器输出端口vg1，信号负级输入端vin-连接电阻r3后接地；供电端口vcc和vee分别连接第一直流电源v1、第二直流电源v2后接地；程控放大器芯片的增益控制端口vg连接第五电阻r5后用来接收单门限电压比较电路的输出电信号，输出端口out连接同相比例放大器电路的正负信号输入端口。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征是：所述同相比例放大电路包括同相比例放大器芯片、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10以及第三直流电源v3、第四直流电源v4、第五直流电源v5；所述同相比例放大器芯片负极输入端口连接第九电阻r9后接地，正级输入端口连接第七电阻r7后连接程控放大器芯片的信号输出端口；正、负供电端口分别连接第三和第四直流电源v3、v4后接地，副供电端口连接第五直流电源v5后接地；信号输出端口连接第八电阻r8后连接负极输入端口，信号输出端口连接第十电阻r10后作为整个agc电路的总输出端vf1。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征是：所述检波电路包括第十一电阻r11、第十二电阻r12、第一电容c1、二极管d1，第十一电阻r11与第一电容c1并联后一端接地，另一端接于二极管d1负极，二极管d1正极与同相比例放大电路的信号输出端连接，第十二电阻r12与单门限电压比较电路负信号输入端连接。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征是：所述单门限电压比较电路包括单门限电压比较器芯片、第六直流电源v6、第七直流电源v7、第八直流电源v8、第十三电阻r13、第二电容c2，单门限电压比较器芯片两个供电端口分别连接第七直流电源v7、第六直流电源v6后接地；单门限电压比较器芯片正极输入端口连接第八直流电源v8后接地，负极输入端口依次连接第二电容c2、第十三电阻r13后连接输出端口，输出端口连接程控放大电路，用于形成自动增益闭环回路。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪，其特征是：所述整形电路为双门限电压比较电路，包括双门限电压比较器芯片、第九直流电源v9、第十直流电源v10、第十四电阻r14、第十五电阻r15；双门限电压比较器芯片正、负供电端口分别连接第九直流电源v9、第十直流电源v10后接地，双门限电压比较器芯片输出端口与正极输入端口之间串联第十四电阻r14，双门限电压比较器芯片正极输入端口连接第十五电阻r15后接地，负极输入端口连接agc电路输出端。

一种基于声表面波传感器的测量仪的测量方法，其特征是：包括步骤：

一、通过声表面波传感器将待测物理量转换为声表面波频率的变化量输出声表面波信号；

二、将声表面波信号稳幅得到稳幅后的信号；

三、将稳辐后的信号滤除杂波；

四、将稳幅后的信号整形成方波信号；

五、将方波信号进行二次滤波；

六、根据滤波后的方波信号测量出声表面波信号的频率；

七、根据测得的信号频率值通过待测物理量与声表面波频率间的关系式计算出待测物理量值。

前述的一种基于声表面波传感器的测量仪的测量方法，其特征是：所述步骤六具体为，根据方波信号利用等精度测频法测量出声表面波信号的频率。

本发明所达到的有益效果：本发明基于声表面波传感器，适合各种环境的仪器使用和保证了测量的准确性；采用agc电路以及整形电路，能够进行较大幅度范围电信号的频率测量；采用等精度测频法，大大增加了测量结果的准确度与精确度，经实验测量得测量结果精确度可以达到1.2％，采用fpga开发板测量信号频率和单片机lcd屏幕输出结果，方便使用者能够直接快速读出测量结果。

附图说明

图1为本发明测量仪框图；

图2为本发明agc模块中程控放大器电路图；

图3为本发明agc模块中同相比例放大器电路图；

图4为本发明agc模块中检波电路图；

图5为本发明agc模块中单门限电压比较器电路图；

图6为本发明一阶有源带通滤波器电路图；

图7为本发明双门限电压比较器电路图；

图8为本发明二阶rc滤波器电路图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图所示，一种基于声表面波传感器的测量仪，包括saw传感器、agc电路、一阶有源带通滤波器、整形电路、二阶rc滤波器、fpga测频电路、单片机和lcd显示屏；待测物体物理量(如压力变化量)通过saw传感器(如saw压力传感器)转换为声表面波频率的变化量输出声表面波信号，声表面波信号通过agc电路稳幅得到幅值可控的正弦信号，稳幅后的正弦信号通过一阶有源带通滤波器滤除杂波，进而通过整形电路被整形成方波信号，整形后的方波信号再通过二阶rc滤波器二次滤波，而后，信号通过fpga测频电路计算得到声表面波信号的频率，声表面波信号频率输入到单片机中，通过计算得到待测物理量(如压力变化量)并存储在单片机中，计算得到的待测物理量通过lcd显示屏显示；

fpga测频电路使用等精度测频法，需要从外部向fpga测频电路输入既定频率的信号(标准信号)，单片机还用于控制输入fpga测频电路的标准信号的频率；

所述agc电路、一阶有源带通滤波器、整形电路、二阶rc滤波器、fpga测频电路均不会改变从saw传感器输出的多个声表面波信号(saw信号)的频率，fpga测频电路测量得到的频率和从saw传感器输出的saw信号频率相等；

agc电路包括两级放大电路，检波电路，单门限电压比较电路，两级放大电路的输入端连接saw传感器的输出端，两级放大电路输出端连接检波电路输入端，检波电路输出端连接单门限电压比较电路输入端，单门限电压比较电路输出端连接到两级放大电路中的程控放大器增益控制端口，形成闭环自动增益电路。通过两级放大电路中的程控放大电路即闭环负反馈，对agc电路的输出信号电压与单门限电压比较电路所提供的判别电压比较，用于调整程控放大电路的增益大小，从而实现对输出信号的稳辐。

两级放大电路用于放大从saw传感器输出的saw信号(如压力信号为saw正弦信号)，为高频信号；检波电路用于从两级放大电路输出的高频saw信号中检出低频信号；单门限电压比较电路用于为两级放大电路中的程控放大电路提供判别电压；

所述两级放大电路包括相互连接的含程控放大器的程控放大电路与同相比例放大电路，程控放大电路的输出端out连接同相比例放大电路的输入引脚3。

如图2所示，程控放大电路包括程控放大器芯片vca820、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第一直流电源v1、第二直流电源v2，所述程控放大器芯片vca820的正级增益控制电阻端rg+、负级增益控制电阻端rg-连接第二电阻r2两端，用于控制放大器的增益大小；信号正级输入端vin+连接saw传感器输出端口vg1，信号负级输入端vin-连接电阻r3后接地，用于接收信号。供电端口vcc和vee分别连接第一直流电源v1、第二直流电源v2后接地，用于对芯片供电。电阻连接端fb连接第四电阻r4后接输出端out，用于输出信号，端口fb也可以直接接地。程控放大器增益控制端口vg连接第五电阻r5后用来接收单门限电压比较电路的输出电信号，用于和上述增益控制电阻端rg+和rg-一同控制增益大小。接地端口gnd接地，引脚vref连接电阻r6后接地，输出端口out连接同相比例放大器电路的正负信号输入端口。

如图3所示，所述两级放大电路中的同相比例放大电路包括同相比例放大器芯片opa695、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10以及第三直流电源v3、第四直流电源v4、第五直流电源v5；所述同相比例放大器芯片opa695负极输入端口2连接第九电阻r9后接地，正级输入端口3连接第七电阻r7后连接程控放大器vca820芯片的信号输出端口out，用来接收从程控放大电路输出的信号；正、负供电端口4和7分别依次连接第三和第四直流电源v3、v4后接地，副供电端口6连接第五直流电源v5后接地，用于给芯片供电。信号输出端口9连接第八电阻r8后连接负极输入端口2，第八电阻r8充当反馈电阻，能够利用负反馈实现信号的增益。信号输出端口9也连接检波电路中二极管d1，用于将放大后的信号输出到下一级检波电路。信号输出端口9连接第十电阻r10后作为整个agc电路的总输出端vf1。

如图4所示，所述检波电路包括第十一电阻r11、第十二电阻r12，电容c1与一个二极管d1，第十一电阻r11与第一电容c1并联后一端接地，另一端接于二极管d1负极，用来构成一个lc滤波器即无源滤波器，可以很好的衰减从同相比例放大器电路输出的信号中所不需要的高频信号。二极管d1正极与同相比例放大器的信号输出端口9连接，电路中接入二极管起到稳压整流的作用，第十二电阻r12与单门限电压比较器芯片opa820负信号输入端口2连接。

如图5所示，所述单门限电压比较电路包括单门限电压比较器芯片opa820、第六直流电源v6、第七直流电源v7、第八直流电源v8、第十三电阻r13、第二电容c2，单门限电压比较器芯片供电端口4和7分别连接第七直流电源v7、第六直流电源v6后接地，直流电源用于给单门限电压比较器芯片供电。单门限电压比较器芯片正极输入端口3连接第八直流电源v8后接地，第八直流电源v8提供判别电压，用于与从检波电路输出的信号比较。负极输入端口2依次连接第二电容c2、第十三电阻r13后连接输出端口6，输出端口6连接程控放大电路的第五电阻r5后连接程控放大器芯片vca820的增益控制端口vg，用于形成自动增益闭环回路。

如图6所示一阶有源带通滤波器电路用于将agc电路总输出端口vf1输出的信号进行滤波，滤去不需要的高低频信号，保留有用的中频段信号。一阶有源滤波器电路包括滤波器芯片tl082、第九直流电源v9、第十直流电源v10、第十四电阻r14、第十五直流电阻r15、第三电容c3、第四电容c4。滤波器芯片tl082正信号输入端口3接地，负信号输入端口2依次连接第三电容c3、第十五电阻r15后作为信号总输入端vf2，总输入端vf2用于连接上级agc电路总输出端vf1。滤波器芯片正负供电端7、4分别连接第十直流电源v10和第九直流电源v9后接地，第十四电阻r14和第四电容c4并联后两端连接负信号输入端2和滤波器芯片信号输出端6，芯片输出端6作为总输出端vf3连接下级整形电路双门限电压比较器芯片tl084负信号输入端2。

如图7所示，整形电路即双门限电压比较电路用于将一阶有源带通滤波器输出端口vf3输出的信号整形成方波信号。双门限电压比较电路包括双门限电压比较器芯片tl084、第十一直流电源v11、第十二直流电源v12、第十六电阻r16、第十七电阻r17。双门限电压比较器芯片正、负供电端口4、11分别连接第12直流电源v12、第十一直流电源v11后接地，用于对双门限电压比较器芯片供电，双门限电压比较器芯片输出端口1与正极输入端口3之间串联第十七电阻r17，第十七电阻r17为反馈电阻，用来形成负反馈达到整形的目的，双门限电压比较器芯片正极输入端口3连接第十六电阻r16后接地，负极输入端口2连接一阶有源带通滤波器电路的输出端vf3，用来接收滤波后的信号，整形信号输出端vf4连接下一级二阶rc滤波器电路的信号输入端。

如图8所示，二阶rc滤波器电路包含输入端口vf5、输出端口vf6、第十八电阻r18、第十九电阻r19、第五电容c5、第六电容c6。电阻r18与电容c5连接构成一阶rc滤波器，电阻r19与电容c6连接也构成一阶rc滤波器，二者叠加即构成一个二阶rc滤波器。信号从输入端口vf5输入二阶rc滤波器电路后，从输出端口vf6输出，该电路可以有效滤除输入信号中存在的杂波。该电路输入端口vf5连接整形电路的输出端vf4，输出端口vf6连接fpga测频电路的输入端。

fpga测频电路采用xilinxartix-7xc7a35t型号的fpga开发板，fpga开发板通过verilog语言编程，使用等精度测频法测量出输入到fpga开发板信号的频率；fpga开发板的信号输入端连接二阶rc滤波器电路的输出端vf6。

所述单片机采用stm32f103zet型号的单片机，能通过其内置的存储模块预先置入待测量物理量与声表面波频率的关系式，内置计算处理器可以计算出与输入频率所对应的物理量计算值，通过lcd显示屏显示物理量的计算值。

一种基于声表面波传感器的测量仪的测量方法，包括以下步骤：

一、通过声表面波传感器将待测物理量转换为声表面波频率的变化量输出声表面波信号；

二、将声表面波信号稳幅得到稳幅后的信号；

三、将稳辐后的信号滤除杂波；

四、将稳幅后的信号整形成方波信号；

五、将方波信号进行二次滤波；

六、滤波后的方波信号利用等精度测频法测量出声表面波信号的频率；

七、根据测得的信号频率值通过待测物理量与声表面波频率间的关系式计算出待测物理量值。

本发明以声表面波压力传感器为例，其压力值p与测量频率δf之间的关系为：δf＝mp，其中，f0为压电材料不发生形变时频率f的理论值，β为＜1的正比例常数，μ,a,c,e,h为与传感器内部结构相关的参数。

从saw传感器输出的saw信号幅值不一，大小幅值变化较大，本发明可以处理测量幅值变化较大的传感器信号，具有市面上其他相类似产品所不具备的测量更大或更小信号的能力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。