专利名称：谐振频率的跟踪设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及跟踪电谐振结构的变化的谐振频率的设备和方法。更具体地说，本发明涉及这类结构远离驱动和传感电子电路安装的应用。
与本发明最为接近的现有技术是确定铷充气光电管原子时钟(型号304BR Rubidium Frequency Standard，Tracor Inc.1968)内铷电子的激励频率的技术。在闭合充气光电管内的铷原子是由甚高频的交变电磁场激励的。如果频率与铷原子的外电子层中的电子的自旋频率严格一致，那么电子将改变能态。为了测量这一变化，把光学射线照射透过该光电管，并且用光电二极管检测。光强在原子被正确的频率激励的时候处于最小值。为了检测该最小值，向谐振点的两侧偏离扫频谐振频率稍许，并且光电检测器的输出作为反馈施加在激励频率上，使最小光强得以保持。
尽管该现有技术的基本原理类似于本发明，本发明的技术领域与之根本相异并且所实施的方法完全与之不同。本发明的目的是跟踪谐振频率随时间连续改变的电谐振结构的谐振频率。该结构的一个例子是我们的欧洲专利0518900中描述的用作应变或温度传感器的声表面波(SAW)谐振器。
根据一方面，本发明是跟踪电谐振结构的变化谐振频率的设备，其特征在于它包括一个可变频率振荡器，该可变频率振荡器提供具有包容了所述谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率的激励信号；双向RF传输线，它将所述可变频振荡器和所述谐振结构连接在一起；定向耦合器，它被置于传输线内，产生与所述谐振结构的反射信号成比例的定向耦合器信号，所述定向耦合器信号由处理器调节以向可变频率振荡器的输入端提供反馈信号，使得所述激励信号的平均频率连续地跟踪所述谐振结构的变化谐振频率。
优选的是对所述变化谐振频率的跟踪包括至少两个功能，用于初始搜索所述谐振结构的可能谐振频率范围的第一搜索功能，以及一旦所述谐振结构的谐振建立，用于当所述可变谐振频率以时间的函数变化的时候跟随所述可变谐振频率的第二跟随功能。
优选的是在第一实施例中，所述处理器包括检测所述定向耦合器信号的检测器，用于有选择整流检测器相对于相位的输出的同步整流器，具有驱动所述同步整流器的至少一个主频输出的频率源，调节所述同步整流器的输出的积分器，所述积分器的结果输入到求和器中，所述求和器还从所述频率源接收第二输入以将反馈信号调制到所述可变频率振荡器，由此提供所述的跟随功能。优选的是来自所述频率源的所述第二输入端与所述频率源的所述主频输出同步。
优选的是所述频率源还提供明显小于所述主频输出的搜索频率输出。搜索频率输出输入到所述积分器中由此导致所述可变频率振荡器在缺乏任何反馈信号的情况下扫频过所述谐振结构的所述可能谐振频率范围。
优选的是监视所述可变频率振荡器的输出，以指示所述电谐振结构的谐振频率。另外来自所述积分器或求和器的输出端的模拟信号可以用来指示所述谐振结构的谐振频率。
优选的是在第二实施例中，所述处理器包括一个双平衡混合器，该混合器接收来自所述定向耦合器的所述定向耦合器信号和来自所述可变频振荡器的所述激励信号并且向用于调节的积分器提供与相位成比例的DC输出，所述积分器的输出用于提供所述反馈信号至可变频率振荡器，从而提供所述跟随功能。
优选的是电谐振结构是至少部分由压电材料构成的。适当的压电材料包括石英和有方向取向的氧化锌。
优选的是电谐振结构是由至少一个叉指阵列(IDA)电激励的。包含有IDA的合适谐振结构是声表面波(SAW)谐振器，浅体声波(SBAW)谐振器或诸如此类的器件。优选的是谐振结构的可变阻抗是由IDA的间距或谐振结构的质量负载的变化产生的。
优选的是IDA间距的变化是由谐振结构的应变产生的。
优选的是谐振结构基本上刚性安装在受应变作用的表面上，并且该应变因此传递给所述谐振结构。
所述表面的应变可以是由物理量引起的，比如施加的负载，施加的弯矩，施加的压力，或者由温度引起的热膨胀。
对谐振结构的质量加载可以通过在特定流体存在的情况下将流体吸收到谐振结构的表面中，或者通过诸如湿度之类的物理量而引起的。
优选的是定向耦合器可以是变换器，麦克斯韦电桥(电线线路)或Lange耦合器。
优选的是RF传输线包含非接触的在线耦合器，它可以是未调谐或经调谐的变换器，激光性、光学性、电容性或RF耦合器。
或者，RF传输线是在频率源和谐振结构之间的连续电导体。
优选的是电谐振结构安装在受应变作用的旋转件的表面上，采用在线的耦合器允许所述激励信号和所述反射信号分别以非接触的方式从或向所述旋转件传输。
优选的是可变频率振荡器的输出阻抗应当基本上共轭匹配到所述双向RF传输线、谐振结构、定向耦合器和在线耦合器中任何一个。
根据第二方面，本发明是测量差分应变的装置，它包含跟踪相应两个或多个电谐振结构的变化谐振频率的两个或多个设备，其特征在于每个跟踪设备包括一个可变频率振荡器，该可变频率振荡器提供具有包容了其各自谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率的激励信号；双向RF传输线，它将所述可变频振荡器和所述各自谐振结构连接在一起；所述传输线内置有一个定向耦合器，该定向耦合器产生与所述各自谐振结构的反射信号成比例的定向耦合器信号，所述定向耦合器信号由处理器调节以向可变频率振荡器的输入端提供反馈信号，使得所述激励信号的平均频率连续地跟踪所述各自谐振结构的变化谐振频率。
优选的是所述两个或多个设备的至少两个可变频率振荡器的输出为一个混合器提供输入信号，该混合器的输出用于指示与所述差分应变有关的差分频率。
优选的是各个所述设备的所述两个或多个谐振结构的谐振频率彼此不同。或者所述两个或多个谐振结构可以有基本上相同的谐振频率。
现在参考附图结合非限定性的例子来描述本发明，附图中
图1是描绘本发明第一实施例的简要分布图；图2是图1所示本发明第一实施例的处理器的内部组件的简要分布图，用于实现跟随功能；图3是图1所示本发明第一实施例的处理器的内部组件的简要分布图，用于实现搜索功能；图4是描绘本发明第二实施例的简要分布图。
图1是本发明设备的第一方面的基本电路图。变频振荡器(VFO)1经包含定向耦合器4的双向RF传输线3，电连接至具有变化谐振频率的电谐振结构2。定向耦合器4的输出连接至处理器5的输入端。如果结构2的谐振频率能够严格匹配VFO1所提供的频率，那么所有提供给结构2的能量将被结构2消耗，而没有能量反射回VFO1。由于结构2的谐振频率在其工作期间变化，VFO1提供的频率不再匹配电路的谐振频率，而能量将从结构2反射回VFO1。定向耦合器4的作用是测量该反射回来的能量。定向耦合器4可以优选是许多已知类型之一，包括变换器，麦克斯韦电桥(有时称为电线线路)或Lange耦合器。定向耦合器4的输出在下文被称为定向耦合器信号11，它是与激励频率成频率同步的，但是幅度和相位是按照结构2的谐振频率和VFO1提供的激励频率之差值的函数调制的。定向耦合器信号11的幅度在源1提供的激励信号的频率和结构2的谐振频率处于匹配状态的时候为最小值，随着结构的谐振频率从匹配状态慢慢偏离而增加。耦合器信号的作用不是指示结构2的谐振频率是否高于或低于VFO1的频率，而仅表明失配的绝对量。定向耦合器信号11相对于VFO1所提供的激励信号的相位得出失配方向。通过利用从定向耦合器4接收的输出信号，处理器5能够控制VFO1的输出，以便在任何时间点平均输出频率都等于结构2的谐振频率，下文称之为跟随功能。对此更为详细的说明请参见与本申请同日提交的题为“Apparatus for Measuring Impedance of a Resonant Structure”的共同未决的PCT专利申请。
该系统的一个替代性实施例可以包括一个位于VFO1和结构2之间的在线耦合器(未图示)，它同样在上述参考用的共同未决的PCT申请中描述。它能够实现在结构2安装在例如旋转轴上的时候对其谐振频率的无接触测量。
结合图1的图2的作用是说明处理器5的能够执行跟踪功能的一个实施例。定向耦合器信号11由检测器12整流，得出频率与VFO1提供给谐振结构2的激励信号相同的波形，该波形的幅度从零伏到最大值之间变化。解耦器13对定向耦合器信号11进行AC耦合，从而得到绕零伏对称的波形。然后同步整流器14将该信号相对于主频源15提供的同步输入频率(f1)整流。同步整流器14产生的输出信号是一个其RMS DC电平是下列数值的函数，即(a)同步整流器14和主频源15的输入信号之间的相位差和(b)同步整流器14的输入信号的幅度。同步整流器14的输出被馈往积分器16，积分器的输出正比于输入信号的RMS值和时间的乘积。积分器16的输出然后被提供给求和器17，该求和器17的第二输入信号由主频源15提供。因此求和器17的输出是积分器16提供的直流值，其上叠加了主频源15提供的交流分量。该输出是提供给图1 VFO1的控制信号，下文称为反馈信号18。VFO1提供的激励信号是一个频率信号，该频率信号的平均值是积分器16所提供的直流电平的函数，它有一个是主频源15的主频的函数的对幅度和频率的频率调制。这样，VFO1所提供的激励信号的平均频率在任何时间点上都是结构1的瞬时谐振频率，可以测量和加以显示。或者，积分器16的输出将提供正比于谐振频率的模拟信号，该信号可以测量并加以校准以获得谐振频率的直接读数。
图3示意了对图2所示的处理器进行补充的能够执行搜索功能的一个实施例。构成处理器5的组件与图2所示相同。对该电路所作的补充包括提供数值明显低于主频的搜索频率(f2)的频率源19，电压参考源22，比较器21和根据比较器21的输出结果工作的转换开关20。当VFO1所提供的激励信号的频率明显不同于结构2的谐振频率时，同步整流器14的输出将是较大的直流电压。该输出被提供给比较器21的一个输入端，而其另一输入端由来自源22的参考电压(Vref)提供。如果同步整流器14的输出电压大于该参考电压，那么比较器21激活转换开关20，该开关将积分器16的输入端从同步整流器14断开，并将它连接至频率源19。在该模式下，积分器16的输出不断地从最小值扫掠到最大值然后返回。这使VFO1在将包容结构2的所有可能谐振频率的频段上扫掠激励信号。当激励信号频率接近结构2的谐振频率时，来自同步整流器14的输出电压将开始降落。当该电压开始低于参考电压的时候，比较器21将使转换开关20无效，电路进入前文说明的跟随功能模式。从搜索功能进入跟随功能的转换必须在激励频率充分接近谐振频率的时候发生，以便允许跟随功能跟踪谐振频率。提供给比较器21的参考电压因此必须充分低的数值，以允许从搜索功能到跟随功能的过渡成功进行。参考电压的数值必须充分高，以使逼近谐振状态的情况能够被检测到并且使转换发生。来自比较器21的输出可以利用于提供这样的暗示，即尽管搜索功能被选用，VFO1提供的激励信号的频率并不是结构2的谐振频率。
图4是本发明的第二方面的实施例。两个电谐振的结构24和29安装在一个表面上，使得当该表面沿给定方向变形的时候在每个结构24和29上施加差分应变。每个结构24、29分别经双向RF传输线23、28电连接至跟踪设备，双向RF传输线23和28分别包容有定向耦合器25、30。所述跟踪设备分别包含VFO22，27及分别包含处理器31、26定向耦合器25、30的输出分别连接到处理器31、26的输入端。处理器31、26的操作在前文针对处理器5的说明中已有描述，只是增加了同步信号41以连接处理器31、26。同步信号41的目的是连接处理器26和31的主频源。或者在未显示的实施例中，一个主频源可以向两个处理器提供信号。
在一个替代性实施例(未表示)中，系统可以包括位于VFO22和27之间的在线耦合器，以及在前文提及的共同未决的PCT申请中有所描述的结构24和29。这在结构24和29安装在例如旋转轴上的情况下提供对其结构24和29的谐振频率的无接触测量。
VFO22和27的输出信号输入到具有两个输出端的混频器32。第一输出信号是两个VFO22和27的激励信号之间的频率差，第二输出是两个VFO22和27的激励信号频率之和。通过针对如前描述的所有处理器同步主频率源，所有VFO的频率调制将同步，因此任何一对VFO之间的频率差将不包括该调制。通过使结构24和29具有在不存在应变的状态下不同的谐振频率，来自混合器32的第一输出将是表示两个不存在应变的结构24和29之间的谐振频率差的频率。在对结构24和29所固定的表面上施加应变之后，在混合器的第一输出端测得的频率将上升或下降，从其中可以得出包含应变幅度和方向在内的信息。或者结构24和29可以采用基本上相同的谐振频率，在该情况下仅获得包含应变幅度的信息。
在上文提及的实施例中，电谐振结构2、24和29优选是声表面波(SAW)谐振器，浅体声波(SBAW)谐振器，或者类似的装置，其部分由压电材料如石英或有方向取向的氧化锌组成。这些谐振器包括能够电激励谐振器的叉指阵列(“IDA”)。如前文提及的共同未决的PCT申请所讨论的那样，结构2的阻抗变化可以利用来测量感兴趣的各种物理量。被测量物理量可以例如是由于对结构2基本上刚性安装于其上的表面施加应变而传递到结构2的应变。该表面的应变可以例如是由诸如施加负载、施加弯矩、压力或导致表面热膨胀的温度之类的物理量引起的。或者结构2的阻抗的改变可以直接通过湿度的改变，或者由特定流体的存在而导致流体被吸收从而对结构2质量加载所引起的。
本发明的设备和方法只要求各个VFO或更多的VFO提供非常低的信号激励功率，以及可以将谐振结构远离驱动和传感电子电路而安装。因此还适于其它希望激励信号功率非常低的应用和场合，比如高温和/或易爆性环境中，以测量诸如应变、负载、压力、温度、湿度和气体的存在等等物理量。
应当为本领域技术人员所认识的是，在不偏离本发明的精神和范畴的前提下可以对本发明作出许多变型和修改。
权利要求
1.跟踪电谐振结构的变化谐振频率的设备，其特征在于它包括一个可变频率振荡器，该可变频率振荡器提供具有包容了所述谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率的激励信号；双向RF传输线，它将所述可变频振荡器和所述谐振结构连接在一起；所述传输线内还置有一个定向耦合器，它产生与所述谐振结构的反射信号成比例的定向耦合器信号，所述定向耦合器信号由处理器调节以向可变频率振荡器的输入端提供反馈信号，使得所述激励信号的平均频率连续地跟踪所述谐振结构的变化谐振频率。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于对所述变化谐振频率的跟踪包括至少两个功能，用于初始搜索所述谐振结构的可能谐振频率范围的第一搜索功能，以及一旦所述谐振结构的谐振建立后，用于当所述可变谐振频率以时间的函数变化的时候跟随所述可变谐振频率的第二跟随功能。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述处理器包括检测所述定向耦合器信号的检测器，用于有选择地整流检测器相对于相位的输出的同步整流器，具有驱动所述同步整流器的至少一个主频输出的频率源，调节所述同步整流器的输出的积分器，所述积分器的结果输入到求和器中，所述求和器还从所述频率源接收第二输入以调制到所述可变频率振荡器的反馈信号，由此提供所述的跟随功能。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于来自所述频率源的所述第二输入与所述频率源的所述主频输出同步。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于所述频率源还提供明显小于所述主频输出的搜索频率输出，并且搜索频率输出被输入到所述积分器中由此导致所述可变频率振荡器在缺乏任何反馈信号的情况下扫频通过所述谐振结构的所述可能谐振频率范围。
6.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于监视所述可变频率振荡器的输出，以指示所述电谐振结构的谐振频率。
7.根据权利要求3所述的设备，其特征在于来自所述积分器或求和器的输出端的模拟信号可以被用来指示所述谐振结构的谐振频率。
8.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于所述处理器包括一个双平衡混频器，该混频器接收来自所述定向耦合器的所述定向耦合器信号和来自所述可变频振荡器的所述激励信号并且向用于调节的积分器提供与相位成比例的直流输出，所述积分器的输出用于提供所述反馈信号至可变频率振荡器，从而提供所述跟随功能。
9.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于电谐振结构是至少部分由压电材料构成的。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述压电材料从石英或有方向取向的氧化锌中选出。
11.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于电谐振结构是由至少一个叉指阵列激励的。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于包含有至少一个叉指阵列的谐振结构是声表面波(SAW)谐振器，浅体声波(SBAW)谐振器或诸如此类的器件。
13.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于谐振结构的可变阻抗是由IDA的间距或谐振结构的质量加载的变化产生的。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于叉指阵列间距的变化是由谐振结构的应变产生的。
15.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于谐振结构基本上刚性安装在受应变作用的表面上，并且该应变因此传递给所述谐振结构。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于所述应变是由位移，比如施加的负载，施加的弯矩，施加的压力，或者由温度引起的热膨胀引起的。
17.根据权利要求15所述的设备，其特征在于应变是在特定流体存在的情况下将流体吸收到谐振结构的表面中，或者通过诸如湿度之类的物理量而引起的。
18.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于定向耦合器是变换器，麦克斯韦电桥(电线线路)或Lange耦合器。
19.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于RF传输线包含非接触在线的耦合器，该耦合器可以是未调谐或调谐的变换器，激光性、光学性、电容性的或RF耦合器。
20.根据前述权利要求1-18中任何一项所述的设备，其特征在于RF传输线是在频率源和谐振结构之间的连续电导体。
21.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于电谐振结构安装在受应变作用的旋转件的表面上，采用在线的耦合器允许所述激励信号和所述反射信号分别以非接触的方式从或向所述旋转件的传输。
22.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于是可变频率振荡器的输出阻抗基本上共轭匹配到所述双向RF传输线、谐振结构、定向耦合器和在线耦合器中任何一个。
23.测量差分应变的装置，它包含跟踪各自两个或多个电谐振结构的变化谐振频率的两或多个设备，其特征在于每个跟踪设备包括一个可变频率振荡器，该可变频率振荡器提供具有包容了其各自谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率的激励信号；双向RF传输线，它将所述可变频振荡器和所述各自谐振结构连接在一起；所述传输线内置有一个定向耦合器，该定向耦合器产生与所述各自谐振结构的反射信号成比例的定向耦合器信号，所述定向耦合器信号由处理器调节以向可变频率振荡器的输入端提供反馈信号，使得所述激励信号的平均频率连续地跟踪所述各自谐振结构的变化谐振频率。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于所述两个或多个设备的至少两个可变频率振荡器的输出为一个混合器提供输入信号，该混合器的输出用于指示与所述差分应变有关的差分频率。
25.根据权利要求23或24所述的设备，其特征在于各个所述设备的所述两个或多个谐振结构的谐振频率彼此不同。
26.根据权利要求23或24所述的设备，其特征在于所述两个或多个谐振结构可以有基本上相同的谐振频率。
全文摘要
跟踪电谐振结构的变化谐振频率的设备,其特征在于包括一个可变频率振荡器,该可变频率振荡器提供具有包容了所述谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率的激励信号;双向RF传输线,它将所述可变频振荡器和所述谐振结构连接在一起;定向耦合器,它被置于传输线内,产生与所述谐振结构的反射信号成比例的定向耦合器信号,所述定向耦合器信号由处理器调节以向可变频率振荡器的输入端提供反馈信号,使得所述激励信号的平均频率连续地跟踪所述谐振结构的变化谐振频率。通常对所述变化谐振频率的跟踪包括至少两个功能,用于初始搜索所述谐振结构的可能谐振频率范围的第一搜索功能,以及一旦所述谐振结构的谐振建立,用于当所述可变谐振频率以时间的函数变化的时候跟随所述可变谐振频率的第二跟随功能。
文档编号G01K7/32GK1244968SQ9718135
公开日2000年2月16日 申请日期1997年11月13日 优先权日1996年11月13日
发明者安东尼·朗斯代尔, 布赖恩·朗斯代尔 申请人:安东尼·朗斯代尔, 布赖恩·朗斯代尔