李天利，徐 剛，房立存

深圳大學機電與控制工程學院，深圳518060

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)傳感器具有無線無源、質量輕、體積小、可靠性好和精確度高等優(yōu)勢，近年被廣泛用于復雜環(huán)境的壓力、溫度和氣體成分等物理量的無線檢測［1-7］. 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的無源方案也多采用無源SAW 傳感器作為當前有源輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的替代［8-10］.

SAW 傳感器通過接收射頻(radio frequency，RF)脈沖查詢信號，利用信號中所攜帶的能量進行工作，查詢信號的特性決定傳感器能否正常穩(wěn)定工作，目前尚無該方面深入研究報道. 本研究結合一種用于輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(tire pressure monitoring system，TPMS)測量溫度和壓力的延遲線型SAW 傳感器［10］，通過深入分析其所接收RF 脈沖查詢信號脈寬變化，對RF 脈沖回波信號特性的影響，闡述SAW 傳感器的基本原理和結構，結合理論分析給出RF 脈沖查詢信號的選取方法，運用實測數據驗證查詢脈沖寬度變化對SAW 傳感器RF 脈沖回波信號的影響.

1 SAW 傳感器原理及結構

SAW 傳感器無線訪問系統(tǒng)的工作原理如圖1，該系統(tǒng)由RF 信號收發(fā)器和SAW 傳感器兩大部分組成，其間通過天線收發(fā)信號. 首先，在特定頻率下，RF 信號收發(fā)器產生并發(fā)送RF 脈沖查詢信號;由SAW 傳感器接收，通過叉指換能器(inter-digital transducer，IDT)將信號轉化為在壓電基底上表面?zhèn)鬏數腟AW，部分SAW 會被放置在傳播路徑上的反射器反射，反射回的SAW 通過IDT 轉化為電信號，并由天線發(fā)出;最后，RF 信號收發(fā)器對傳感器返回的RF 脈沖回波信號進行接收并分析，得出相應測量結果.

圖1 SAW 傳感器無線訪問系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of a wireless SAW sensor interrogate system

圖2 為SAW 溫度和壓力傳感器的封裝結構［10］.傳感器敏感元件的一端與封裝殼體黏結在一起，另一端懸空形成懸臂梁結構. 敏感元件處于具有恒定參考壓力的密封腔體內部，外界壓力的變化會使傳感器內外產生壓力差，因此壓力感應膜片會產生彈性形變，從而將外界壓力變化線性轉換為彈性膜片中心位移的變化，并作用在懸臂梁末端，使懸臂梁跟隨膜片感受不同壓力產生的形變，外部溫度變化直接作用在整個敏感元件上.

2 SAW 傳感器RF 脈沖信號分析

圖2 無源SAW 溫度壓力傳感器封裝［10］Fig.2 Photograph of the passive SAW sensor［10］

在延遲線型SAW 傳感器中，只要測量RF 脈沖查詢信號與RF 脈沖回波信號之間的相位差，即可通過換算得到傳感器上不同反射器反射回的SAW延遲時間，延遲時間的改變對應傳感器所檢測溫度和壓力參數的變化. 由于SAW 傳感器是無源的，且傳感器接收的信號經傳輸過程后會產生幾十dB的能量衰減，因此傳感器返回的RF 脈沖回波信號強度極為有限. 信號相位差的準確檢測，則需要RF 脈沖回波信號具有足夠的信號強度及穩(wěn)定可供測量相位的時間寬度，SAW 傳感器的查詢脈沖寬度變化對RF 脈沖回波信號的影響十分顯著. 查詢脈沖寬度過窄會導致RF 脈沖回波信號強度不夠，不易被收發(fā)器檢測;查詢脈沖寬度過寬會導致傳感器內不同反射器反射回的RF 脈沖回波信號之間發(fā)生重疊，產生相互干擾，檢測不到需要的相位.

查詢脈沖寬度Tg是SAW 傳感器設計中的一個重要參數，受到傳感器多個設計參數的綜合影響.由于SAW 傳感器中每個反射器反射回的RF 脈沖回波信號是反射器中多對反射指條的反射回波差拍疊加，所以RF 脈沖回波信號的回波脈沖寬度一定大于Tg. 由文獻［11］可知，傳感器接收的RF 脈沖查詢信號經IDT 和反射器兩次轉換，得到如圖3 的反射器返回SAW 信號，信號由5 部分組成，有3 個區(qū)間，即上升過渡區(qū)TH和TRi、飽和區(qū)T'S以及下降過渡區(qū)TRi和TH. 信號幅值在兩端的過渡區(qū)是變化的，在飽和區(qū)內是恒定的. 過渡區(qū)TH是由IDT造成的信號寬度增加，過渡區(qū)TRi是由第i 個反射器造成的信號寬度增加. 回波脈沖寬度與IDT 的指對數、反射器的電極對數及查詢脈沖寬度的關系為

其中，n 為IDT 的指對數;a 為IDT 指寬和指間隔;mi為第i 個反射器的指對數;b 為反射器的指寬和指間隔;λ 為SAW 的波長;TB為SAW 的周期.

圖3 反射器返回的SAW 信號幅值Fig.3 SAW signal amplitude reflected by the reflector

式(3)中信號需經IDT 的1 次轉換才能轉化成RF 脈沖回波信號，并被RF 信號收發(fā)器接收，因此，總回波脈沖寬度Tgi為

文獻［11］只討論不同反射器反射回的RF 脈沖回波信號之間絕對不重疊的情況，即在理想狀態(tài)下查詢脈沖寬度應如何選擇，而未考慮實際測量需求及RF 脈沖查詢信號和回波信號之間的限定條件，下面將探討出現這些可能情況所造成的影響.

理論上，回波脈沖寬度下限應大于過渡區(qū)寬度，否則，無法獲得穩(wěn)定的信號飽和區(qū)域，即Tgi應大于上升過渡區(qū)和下降過渡區(qū)之和，

由式(4)和(5)可得查詢脈沖寬度Tg應滿足

第i 個反射器反射回的RF 脈沖回波信號的延遲時間ti為

其中，l 為空間天線的距離;Ve為電磁信號在空氣中的傳播速度;di為第i 個反射器與IDT 的距離，定義i 越小反射器距離IDT 越近;VSAW為SAW 在壓電基底上表面的傳輸速度.

回波脈沖寬度上限應小于相鄰兩個反射器反射回的兩個RF 脈沖回波信號的時間差，否則，相互間會出現信號重疊，因此

由式(4)和式(8)可得查詢脈沖寬度Tg滿足

在RF 脈沖回波信號的實際測量中，需要對下變頻到中頻的信號進行正交相位變換，然后對變換后的數據進行實時高速數字采樣. 若A/D 采樣頻率為fAD，同時為保證數據的準確度需要，設每次需連續(xù)采集p 個點的有效數據，因此需要RF 脈沖回波信號的數據飽和區(qū)最小時間寬度

若滿足式(10)條件，即可保證能采集到足夠多的有效數據進行分析處理. 由式(6)和式(10)可得查詢脈沖寬度Tg下限滿足

RF 脈沖回波信號的數據飽和區(qū)越長，越有利于選取需采集的有效數據區(qū)間，因此應盡可能擴大數據飽和區(qū)的長度. 在式(9)中，計算查詢脈沖寬度最大值時僅考慮了兩個不同反射器反射回的RF脈沖回波信號嚴格不能重疊的情況，在實際數據分析中只關心在飽和區(qū)內的有用信號，僅需保證在飽和區(qū)內不同反射器反射回的信號不存在相互干擾，對RF 脈沖回波信號的上升過渡區(qū)和下降過渡區(qū)，信號重疊并不影響有效數據的采集，因此在計算最大查詢脈沖寬度時，允許兩個相鄰反射器反射信號的下降過渡區(qū)和上升過渡區(qū)重合，這樣在不影響信號準確采集的同時，還能提升RF 脈沖查詢信號的最大允許寬度，信號重合限度為

由式(9)和式(12)可得，在相同SAW 傳感器結構設計尺寸下，可允許的更大查詢脈沖寬度為

在確定查詢脈沖寬度時，還應考慮IDT 與反射器之間距離的影響，距離IDT 最近的反射器反射回的RF 脈沖回波信號在時序上不能和RF 脈沖查詢信號重合，若重合將導致RF 信號收發(fā)器不能正確接收并分析信號，因此給出判別公式

上述RF 脈沖查詢信號的查詢脈沖寬度，同時受限于IDT 和反射器尺寸、相鄰反射器之間距離、IDT 和最近反射器之間距離以及信號采集需求，要同時滿足式(11)、式(13)和式(14)才可滿足延遲線型SAW 傳感器實際測量要求.

3 SAW 傳感器查詢信號實測結果分析

無源SAW 溫度壓力傳感器的壓電基底材料為Y-Z 切鈮酸鋰，SAW 在Y-Z 切鈮酸鋰上表面的傳輸速度為3 488 m/s，傳感器上的IDT 由50 對電極組成，每個反射器由100 個柵條組成，所有IDT 和反射器的指條等間距分布，IDT 和反射器的指條寬度與間隔均為2 μm，IDT 和3 個反射器的中心距分別為2 400、4 800 和7 200 μm. 傳感器工作的中心頻率為429.2 MHz，實時高速數字A/D 采樣頻率為100 MHz，每次需連續(xù)采集5 個點的有效數據. 根據式(11)、式(13)和式(14)給出的查詢脈沖寬度選取算法，可得查詢脈沖寬度在0.40 ～1.38 μs，才能保證傳感器信號可以正確檢測. 當頻率為429.2 MHz，SAW 傳感器在不同查詢脈沖寬度作用下，RF 脈沖回波信號實測結果如圖4. 其中，查詢脈沖寬度分別為0.2、0.6、0.8、1.2 和1.6 μs.在不同查詢脈沖寬度的作用下，SAW 傳感器3 個反射器反射回的RF 脈沖回波信號的包絡有明顯變化.

由圖4 (a)可知，當查詢脈沖寬度小于最小需求寬度時，從信號幅值可見，信號尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)，未形成飽和區(qū)，數據采集無法在數據飽和區(qū)完成;而當查詢脈沖寬度大于最大允許寬度時，由于每個反射器反射回來的RF 脈沖回波信號過寬，導致信號間發(fā)生嚴重重疊，相互之間造成干擾，不能在數據飽和區(qū)正常采集到準確數據，如圖4 (e);當查詢脈沖寬度適中時，RF 脈沖回波信號基本完整，由兩端過渡區(qū)和中間飽和區(qū)組成，如圖4 (b)～圖4 (d). 盡管圖4 (d)中RF 脈沖回波信號在過渡區(qū)有一定重合，但重合區(qū)域只在信號上升區(qū)或下降區(qū)，不影響在飽和區(qū)數據采集的準確度，同時可以提高飽和區(qū)的寬度，有利于獲取更多有用數據.

圖4 RF 脈沖查詢信號脈沖寬度變化對RF 脈沖回波信號包絡的影響Fig.4 Echo signal affected by the change of Tg

綜上討論可知，在進行SAW 傳感器結構設計時，IDT 和反射器的尺寸、相鄰反射器之間距離、IDT 和最近反射器之間距離以及信號采集的需求直接影響查詢脈沖寬度選取，因此設計時要綜合考慮各方因素，才能獲得滿意的測量結果.

要獲取RF 脈沖回波信號相位的變化，首先需對返回信號下變頻，然后對中頻信號采樣進行正交相位變換，對得到I/Q 數據進行采樣換算后得到.圖5 給出在相同測試條件下，無源SAW 溫度壓力傳感器在查詢脈沖寬度為0.2 和1.2 μs 時，傳感器RF 脈沖回波信號的I/Q 值采樣數據. 通過所得I/Q值可計算出反射器所返回信號的相位信息. 可見，在查詢脈沖寬度為0.2 μs 時，不能測得穩(wěn)定I/Q 采樣數據. 而在查詢脈沖寬度為1.2 μs 時，可測得穩(wěn)定I/Q 采樣數據，所得實測結果和圖4 分析吻合，即只有滿足式(11)、式(13)和式(14)約束下的RF脈沖回波信號脈沖寬度，才可實現相位的準確測量. 關于相位的測量結果及分析詳見文獻［10］.

圖5 具有3 個反射器的SAW 傳感器回波信號I/Q 值Fig.5 I/Q echo signal for SAW sensor having three reflectors

結 語

本研究通過對SAW 器件傳輸特性的理論和實測數據分析，討論了延遲線型SAW 溫度壓力傳感器RF 脈沖查詢信號的查詢脈沖寬度選取方法. 結合前期理論分析［9-10］對查詢脈沖寬度選取原則作進一步深入研究，給出選取方法，并通過實驗驗證該理論分析方法的合理性. 該研究有助SAW 結構設計及理論分析借鑒.

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