一種增強聲表面波傳感信號強度的系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種增強聲表面波傳感信號強度的系統及其方法，該系統包含聲表面波傳感模塊、閱讀模塊和無線供電模塊；無線供電模塊包含電能發射單元和電能接收單元，電能發射單元與閱讀模塊相連，電能接收單元與聲表面波傳感模塊相連；聲表面波傳感模塊包含聲表面波傳感器、激勵電路、射頻放大電路、天線和儲能單元；閱讀模塊包含射頻接口單元和邏輯控制單元。本發明利用無線供電技術使得閱讀模塊給聲表面波傳感模塊中的儲能單元充電，進而給激勵電路和射頻放大電路供電，使得聲表面波傳感信號可以通過射頻放大電路增強后傳遞出去，極大地提高了聲表面波傳感信號的強度和傳輸距離。
【專利說明】一種增強聲表面波傳感信號強度的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器【技術領域】，尤其涉及一種增強聲表面波傳感信號強度的系統及方法。
【背景技術】
[0002]聲表面波是在固體半空間表面存在的一種沿表面傳播,能量集中于表面附近的彈性波，其聲速僅為電磁波速度的十萬分之一，傳播損耗很小。聲表面波技術最早是由英國物理學家瑞利(Rayleigh)在19世紀80年代研究地震波的過程中偶爾發現的一種能量集中于地表面傳播的聲波。聲表面波器件是在壓電基片上采用微電子工藝技術制造的叉指形電聲換能器和反射器耦合器等，利用基片材料的壓電效應，通過輸入叉指換能器(IDT)將電信號轉換成聲信號，并局限在基片表面傳播，輸出IDT將聲信號恢復成電信號，實現電——聲——電的變換過程，完成電信號處理，獲得各種用途的電子器件。采用先進微電子加工技術制造的聲表面波器件具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、多功能以及設計靈活等優點，在通信、電視、遙控和報警系統中已得到廣泛應用。隨著加工工藝的飛速發展，SAW器件的工作頻率已覆蓋10 MHz?2.5 GHz，是現代信息化產業不可或缺的關鍵元器件。
[0003]聲表面波傳感器工作方式分成延遲線型和諧振性，它的一個重要特性是可以通過無線無源的方式響應并反饋高頻電波，聲表面波傳感器將被測量的變化通過聲表面波敏感，傳感器的工作能量來自于收發天線，閱讀器發射的射頻查詢脈沖經傳感器天線接收進入叉指換能器(Inter-digital Transducer, IDT),通過逆壓電效應將電信號轉換為聲表面波信號，被測量的變化表現為聲表面波諧振頻率的變化并由叉指換能器轉化為電磁波后再次通過無線的方式發送出去給閱讀器接收回波信號。傳感器的激勵來自于天線獲取的電磁脈沖(該脈沖由閱讀器發送)。
[0004]無線供電技術即無線電能傳輸技術(Wireless Power Transfer Technology)又稱無接觸電能傳輸(Contactless Power Transmiss1n,CPT)技術，早在1890年，由著名電氣工程師(物理學家)尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla)提出。無線電能傳輸有以下幾種實現方式:電磁感應式、電磁共振式和輻射式，其中輻射式又包括無線電波式、微波式、激光式和超聲波式。2007年，美國麻省理工學院的馬林索爾賈希克(Marin Sol jacic)等人在無線電能傳輸方面取得了新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔空”點亮了一盞60瓦的燈泡。2008年12月17日成立無線充電聯盟(Wireless Power Consortium)，2010年8月31日，無線充電聯盟在北京正式將Qi無線充電技術引入中國。最近，有幾家公司已經生產出無線充電的手機、mp3、便攜式電腦、電動汽車。如:2009年，TI和Fulton (eCoupled技術)公司合作開發電源芯片用于控制非接觸式充電；2010年1月，在美國CES展覽會上，海爾公司推出了“無尾電視”等。
[0005]由此可見，無線供電技術可以實現在一定距離上對設備的供電機制，而對于無線無源的聲表面波傳感器而言，可以將該技術和傳感器發射電路相結合，利用無線供電技術對傳感器上的儲能器件一電容充電，電容的能量提供給回波放大電路，在傳感器接收到閱讀器的信號后，傳感器所產生的回波信號經放大電路放大以后再發送出去，這就提高了回波信號的傳輸距離。
[0006]現有的無線無源聲表面波傳感器，由于其工作的特點，經過反射柵的多次反射后聲表面波會逐漸減弱，回波信號也十分微弱，這對于閱讀器接收信號十分不利，衰減的信號會影響無線通信的距離，使得信號的發送距離很短，無法遠距離傳輸。尤其對于閱讀器，不僅需要足夠的發射功率，還需要極高的接收靈敏度。導致閱讀器制作困難，造價十分高昂。此外由于回波信號微弱對天線的方向性要求也很高，這些都對無線無源聲表面傳感器的實際應用帶來影響。
[0007]參考文獻
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【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】的缺陷，提供一種增強聲表面波傳感信號強度的系統及其方法。
[0009]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
一種增強聲表面波傳感信號強度的系統，其特征在于，包含聲表面波傳感模塊、閱讀模塊和無線供電模塊；
所述無線供電模塊包含電能發射單元和電能接收單元，所述電能發射單元與閱讀模塊相連，所述電能接收單元與聲表面波傳感模塊相連；
所述聲表面波傳感模塊包含聲表面波傳感器、激勵電路、射頻放大電路、天線和儲能單元，所述聲表面波傳感器通過射頻放大電路與天線相連，所述激勵電路與聲表面波傳感器相連，所述儲能單元分別與激勵電路、射頻放大電路、電能接收單元相連；
所述閱讀模塊包含射頻接收單元和邏輯控制單元，所述邏輯控制單元分別和射頻接口單元、電能發射單元相連，所述邏輯控制單元和外部網絡相連。
[0010]作為本發明一種增強聲表面波傳感信號強度的系統進一步的優化方案，所述表面波傳感器采用諧振型工作方式。
[0011]作為本發明一種增強聲表面波傳感信號強度的系統進一步的優化方案，所述表面波傳感器采用延遲線型工作方式。
[0012]本發明還公開了一種基于該增強聲表面波傳感信號強度系統的控制方法，包含以下步驟:
步驟1)，所述閱讀模塊中的邏輯控制單元接收到工作指令后，控制電能發射單元向所述聲表面波傳感模塊一側的電能接收單元通過無線的方式發送電能；
步驟2),所述電能接收單元將接收到的電能存儲到儲能單元中,所述儲能單元分別給射頻放大電路和激勵電路供電；
步驟3)，所述聲表面波傳感器在激勵電路的作用下生成含有被測物理量信息的高頻電信號，并將該高頻信號傳遞給射頻放大電路；
步驟4)，所述含有被測物理量信息的信號經射頻放大電路放大后，由天線發送給所述閱讀模塊；
步驟5)，所述閱讀模塊的射頻接口單元接收到來含有被測物理量信息的信號后，將該信號轉換成數字信號傳遞給邏輯控制單元；
步驟6)，所述邏輯控制單元讀取接收到的含有被測物理量信息的數字信號后，將其傳遞給外部網絡進行后續處理。
[0013]作為本發明一種增強聲表面波傳感信號強度的系統的控制方法進一步的優化方案，所述電能發射單元采用間隙供電模式向所述電能接收單元發送電能。
[0014]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
由于傳感器需要的能量很弱，用于聲表面波傳感器的無線供電模塊體積很小，可以制作成通用模塊電路，它可以很好的解決無線無源傳感器的實際應用問題，使無線無源傳感器成為正真實用的傳感器。無線充電和閱讀器射頻激勵方式最大不同是無線充電方式可以用效率更高的方式無線輸送功率，采用“磁耦合共振”等技術，它消耗電能只有傳統電磁感應供電技術的百萬分之一。這種磁耦合共振的方式供應電能的效率要遠遠大于通過激發電磁脈沖產生的電能。這是采用本專利方法優于普通聲表面波閱讀器脈沖激勵法的最重要原因。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是聲表面波傳感模塊結構圖；
圖2是閱讀模塊系統結構原理框圖；
圖3是系統整體結構圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
本發明公開了種增強聲表面波傳感信號強度的系統及其控制方法，該系統主要包含聲表面波傳感模塊、閱讀模塊和無線供電模塊。
[0017]1)無線供電模塊
無線供電模塊包含電能發射單元和電能接收單元，所述電能發射單元與閱讀模塊相連，所述電能接收單元與聲表面波傳感模塊相連。
[0018]所述閱讀模塊一側的電能發射單元可以放置在閱讀器中，和閱讀器做成一體，也可以單獨在閱讀器外部。
[0019]電能發射單元采用間隙供電模式，即閱讀模塊中的射頻接口單元通過檢測有無傳感器發出的電磁波信號，判斷聲表面波傳感模塊中的儲能單元有無電能。若無電能，閱讀模塊的邏輯控制單元就調整電能發射單元的充電頻率；若有電能，則使得系統可以自動確保最佳充電頻率。所說的最佳充電頻率是指保證閱讀模塊能夠可靠讀取傳感，模塊發出的聲表面波信號的最低頻率；通常該頻率的上限是無線傳感的最遠距離。
[0020]2)聲表面波傳感模塊
所述聲表面波傳感模塊包含聲表面波傳感器、激勵電路、射頻放大電路、天線和儲能單元，所述聲表面波傳感器通過射頻放大電路與天線相連，所述激勵電路與聲表面波傳感器相連，所述儲能單元分別與激勵電路、射頻放大電路、電能接收單元相連；。
[0021]聲表面波傳感器采用諧振型或者延遲線型的工作方式，其采用無線無源的工作方式。
[0022]聲表面波傳感器由叉指換能器(IDT)、天線、反射柵和吸聲材料附著在壓電基片上組成。
[0023]所述聲表面波傳感器在激勵電路的激勵下產生諧振，諧振頻率隨被測物理量的變化而改變，諧振頻率由叉指換能器送入射頻放大電路(本發明以諧振型聲表面波為主)，通過射頻放大電路放大，使得該信號的強度增強后，再經天線把該信號發出給閱讀器。
[0024]儲能單元通過電能接收單元傳輸來的電能給激勵電路及射頻放大電路供電，該單元包含整流電路、穩壓電路和電容器，其核心是電容器，它的優點是充電時間短，沒有充放電次數的限制，可以在很寬的溫度范內工作。通過電能接收單元將無線電波中的能量轉換成交變的電壓信號，該信號經整流后對電容器進行充電，該過程也是一個濾波過程。電容器上的電壓經穩壓處理后作為聲表面波傳感模塊的供電電源。
[0025]3)閱讀模塊
如圖2所示，閱讀模塊包含射頻接收單元和邏輯控制單元，所述邏輯控制單元分別和射頻接收單元、電能發射單元相連，所述邏輯控制單元和外部網絡相連。
[0026]閱讀器的基本任務是和聲表面波傳感器建立通信關系，完成對聲表面波傳感器的讀寫操作，并控制電能發射單元給聲表面波傳感模塊進行充電。射頻接收單元是整個閱讀器的射頻前端，主要負責射頻信號和聲表面波信號的接收；邏輯控制單元是整個閱讀器的控制中心，一般由微處理器、應用接口驅動和存儲單元組成。
[0027]閱讀器采取連續工作的方式，讀取聲表面波傳感模塊傳遞來的信息，提高了系統處理動態信號的能力。被測物理量的變化表現為聲表面波諧振頻率的變化并由叉指換能器轉化為電磁波后通過無線的方式發送出去給閱讀器的射頻接口單元接收，最后通過邏輯控制單元傳遞給外部網絡進行后續處理。
[0028]系統總體結構如圖3所示。
[0029]本發明還公開了一種基于該增強聲表面波傳感信號強度系統的控制方法，包含以下步驟:
步驟1)，所述閱讀模塊中的邏輯控制單元接收到工作指令后，控制電能發射單元向所述聲表面波傳感模塊一側的電能接收單元通過無線的方式發送電能；
步驟2),所述電能接收單元將接收到的電能存儲到儲能單元中，所述儲能單元分別給射頻放大電路和激勵電路供電；
步驟3)，所述聲表面波傳感器在激勵電路的作用下生成含有被測物理量信息的高頻電信號，并將該高頻信號傳遞給射頻放大電路；
步驟4)，所述含有被測物理量信息的信號經射頻放大電路放大后，由天線發送給所述閱讀模塊；
步驟5)，所述閱讀模塊的射頻接口單元接收到來含有被測物理量信息的信號后，將該信號轉換成數字信號傳遞給邏輯控制單元；
步驟6)，所述邏輯控制單元讀取接收到的含有被測物理量信息的數字信號后，將其傳遞給外部網絡進行后續處理。
[0030]所述電能發射單元采用間隙供電模式向所述電能接收單元發送電能。
[0031]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種增強聲表面波傳感信號強度的系統，其特征在于，包含聲表面波傳感模塊、閱讀模塊和無線供電模塊； 所述無線供電模塊包含電能發射單元和電能接收單元，所述電能發射單元與閱讀模塊相連，所述電能接收單元與聲表面波傳感模塊相連； 所述聲表面波傳感模塊包含聲表面波傳感器、激勵電路、射頻放大電路、天線和儲能單元，所述聲表面波傳感器通過射頻放大電路與天線相連，所述激勵電路與聲表面波傳感器相連，所述儲能單元分別與激勵電路、射頻放大電路、電能接收單元相連； 所述閱讀模塊包含射頻接收單元和邏輯控制單元，所述邏輯控制單元分別和射頻接口單元、電能發射單元相連，所述邏輯控制單元和外部網絡相連。
2.根據權利要求1所述的增強聲表面波傳感信號強度的系統，其特征在于，所述聲表面波傳感器采用諧振型工作方式。
3.根據權利要求1所述的增強聲表面波傳感信號強度的系統，其特征在于，所述聲表面波傳感器采用延遲線型工作方式。
4.基于權利要求1所述的增強聲表面波傳感信號強度的系統的控制方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟1)，所述閱讀模塊中的邏輯控制單元接收到工作指令后，控制電能發射單元向所述聲表面波傳感模塊一側的電能接收單元通過無線的方式發送電能； 步驟2),所述電能接收單元將接收到的電能存儲到儲能單元中，所述儲能單元分別給射頻放大電路和激勵電路供電； 步驟3)，所述聲表面波傳感器在激勵電路的作用下生成含有被測物理量信息的高頻電信號，并將該高頻信號傳遞給射頻放大電路； 步驟4)，所述含有被測物理量信息的信號經射頻放大電路放大后，由天線發送給所述閱讀模塊； 步驟5)，所述閱讀模塊的射頻接口單元接收到來含有被測物理量信息的信號后，將該信號轉換成數字信號傳遞給邏輯控制單元； 步驟6)，所述邏輯控制單元讀取接收到的含有被測物理量信息的數字信號后，將其傳遞給外部網絡進行后續處理。
5.根據權利要求4所述的增強聲表面波傳感信號強度的系統的控制方法，其特征在于，所述電能發射單元采用間隙供電模式向所述電能接收單元發送電能。
【文檔編號】G01D3/02GK104296782SQ201410523689
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】張若昀, 林亮, 趙敏, 姚敏, 程遠璐, 鄔琳琳 申請人:南京航空航天大學