第302011卷第4期年8月声学技术ustiesVol30No4t2PeenThiealAeoAug2011脉冲查询式无线声面横波压力传感器系统刘有群张晨睿吉小军韩(上海交通大学电子信息与电气工程学院,,,韬上海0胆402)摘要无源无线声表面波压力传感器在某些测量领域具有独特优势本文介绍了一种基于表面横波模式谐振式无线FFT+压力传感器的查询系统设计了脉冲式查询单元的硬件系统运用了一种基于T的高分辨率测频算法对回波进F行频率估计实验测试获得了满意的结果;关挂词:声表面波:压力传感器;脉冲查询:;频率估计A中圈分类号0426.5文献标识码sedinterrogatPuliLIUonsystemoessSAressuf初relWPresensorqunYuo(ShoZHANGCheghnQi月口oTo职Unjurn~iIXiaoJjnuaoHANT’口i尔3丙帽加几20臼40)uvsensorhai触eeasSAPresssitagesineerndPassivesrcousiewatve(ntWielessarniquueadaaint)Weruaionsystaaeemransvermeasure们。eieldsAPntaeetsewasedreessuresensontfvebar15ulsedielesssurfrmgtrrwiofrProtnosouuenhisPequen侧mitrrTl点onhmresePPeantalemitofinterogaionsystemisdesigtnedandahihttditnhgser加og二erssub二eh口distinaltao即hievactOrymeasuessedfoen妙oeasarementrulstdFFTandFTmtg加quef怨毕。二eiisftmitngveorsuceaeoeassssusoneson;;t:t触iwPrengastunorPledincyitue而aiteqrfeywdS到KeeruAbstraet:merore引源特点言即传感器不需要电池供电我们在文献[4]中提出了一种压力敏感但温度不敏感并可激发STW模式的切向即欧拉角为V)技术的传感器具有纯无基于声表面波(SA丫0[0209]石英并对传感器的设计及结构做而且可在温度2℃等恶劣环境下工作使得SAW无线压力超过15传感器在TPMS(轮胎压力监测系统)中的应用展过详细讨论如图1是实际封装后的传感器图2是用网络分析仪测量到的传感器典型511响应曲线z(测量温该传感器的谐振频率为919820MH[现出了明显的优势川sAW谐振器(sAwR)与延度为24oC)有载Q值为2200迟线都可用于测量轮胎压力但S刃WR与延迟线相]2比插损小有效品质因数(Q值)大[特别适合于无线传感器为确保无线传感器的测量精度量系统的接收灵敏度和动态范围必须提高无线谐振传感器的有载Q值和降低传感器插损提高测因为它们分别决e定了无线回波频率估计的Crao下界和无线m卜Ra’链路上的信噪比[]3[本文介绍一种基于表面横波模式(STW)的谐振式无线压力传感器的系统设计介绍了脉冲查询式无线测量系统的硬件组成通过采用对数放大器对接收到的衰减回波信号进行限幅放大有效增加了接收信号的动态范围提高了用于频率估计的信号长度收稿日期20110615修回日期20一0620基金项目国家自然科学基金(6077405250875167)作者简介刘有群(1984)男湖南汉族硕士研究生研究方向为无线传感器通过活塞压力计对传感器施加压力用网络分析仪读取传感器在不同压力下的谐振频率获得的通讯作者韩韬th明@sUitud二n压力一频率特性曲线见图3传感器的压力灵敏度声学技术2011年近似为S=12OOKHz/MPa量程超过03OMpa率[235]查询单元硬件系统221无线测量查询方法选择SAW模块和数字模块构成结构原理图见图4在信号激励阶段Rf模块的发射电路z产生载波频率为92OMH经过功率放大为连续波峰值为IW的查询脉冲信号持续时间为3微秒为提高收/发间的隔离度在接收阶段将产生z20MH信号的频率合成器关断天线接收到的回9波信号经环形器进入接收电路经过低噪放的回波Zz信号和842MH信号混频得到78MH的中频信号中频信号经IQ解调后下变频到ZMHZ左右用IQ解调后的两路信号进行频率估计可以降低]6回波信号的初始相位对频率估计的影响l数字模块的CPLD实现控制整个过程的控制逻辑包括控制频率合成器生成的特定频率信号收发时序以及,r)二,(A了D转换DSp计算信号:()+j区,)的DFT卜找出频域的幅值最大点作为粗略的频率估示值再进行提高频率分辨率和测量精度的数据处理最终计算出对应的传感器的压力值接收到的回波功率是由传感器的插损传感器查询单元由RF和天线匹配程度谐振器谐振频率的无线查询方法主要有频的天线增益等因素决定回波在开始接收阶段有最大功率随后将逐渐查询距离域的扫频法和时域的短脉冲查询法网络分析仪工作原理]4信号源I扫频法类似于衰减回波信号的持续时间则取决于传感器的有载此种方法需要频率可变化的系统无线作用距离大不足之处是系统Q值如果对衰减的回波信号只做线性放大是很难获得较长的有效信号的因为如果放大倍数过收/发的同频隔离很难提高返回信号的动态范围很低高接收开始段的正弦回波会被削顶而放大倍数而短脉冲查询法则可以快速地查询较大的频率过低则无法利用接收阶段尾部的衰减信号因此范围且测量速度快22脉冲查询原理查询单元发送频率接近SAWR谐振频率的短脉冲激励SAWRSAWR能量达到稳态需要的激励时为了充分利用所有的回波信号对数放大器AD接收电路中运用了8390对中频信号限幅放大这提高使用对数放大器进行限幅放大前后波形对比见图5衰减的回波信号经限幅了接收电路的动态范围间约为:=3丁=.22us(谐振器时间常数为放大后.42可用于频率估计的数据长度与质量都得到Q/(二X几)很大幅度的提高脉冲发射结束后谐振器处于自由数据处理频率估计分辨率和精度是无线压力传感器系衰减状态并通过天线不断向外发送能量查询单元收到SAWR返回的衰减信号再用谱分析的方法估计接收信号的频率就可以获得SAWR的谐振频统的重要指标对接收到的回波信号的数据处理在整个测量系统中有举足轻重的作用用于频率估计第4期刘有群等脉冲查询的无线声表面波压力传感器系统的有效信号见图5它是波信号的开始射影响IQ解调器输出的I通道回)求得所需计算频率序列的幅值谱最后用式(l和相位谱使用了对数放大器限幅放大在接收阶段lus内回波信号容易受发射信号和环境反而在接收周期的尾部在细化谱线中搜索幅度最大值点所对应的频率值即为信号的估计频率回波信号较弱易受噪声影响用于频率估计的回波信号是在回波信号稳定一段时间获得舍弃的一小段数据虽因此然缩短了数据长度]7但提高了测频的准确性[对接收到的时域信号做离散傅里叶变换通过回波信号谱分析来获得SAW卫的频率是一种有效]l的测频方法[一般通过FFT进行离散傅里叶变换法存在栅栏效应等问题造成分辨率低结果精度较差需要运用其他方法来提高测频分辨率但FFT因为频率估计精度最终取决于信号SNR细化因此FFT运用了一种称之为“FFT+FT”的方法在用倍数不能无限制增加需要选择合适的细化倍数z本系统的AD采样率为36MH频率估计可用点数N谱作出全局谱的前提下对某个特定的区域用改进的FT算法进行细化从而可以得到局部细化精度极高的频谱8度[]超过30点细化倍数D取182*细化区间为FT幅大大提高了频率分辨率和分析精:值最大点附近的2o辨率小于ZKHz关/N区间细化后的频率分频率细化的具体步骤如下(l)首先对采样数据按将N次查询后的频率估计值作平均测量频率的标准差将变减小为原来的了面倍(假设加在谐振频率估计值上的是随机高斯噪声)用的处理时间平均次数取为10式做特殊傅里叶变换X(f)n:考虑到实际应。一妙()xP(一J‘儿n下ne_f、s1)做完平均获得传感器的谐振频率的变化值量后就可以计算出传感器当前状态下相应的压力=0l…Nl一(l)25实际测量s为采样频率N为采样f点数然后对指定的一个频率区间「厂f]做细化其中:(nx)为采用数据用查询单元对传感器进行如图7的无线测量实验传感器通过天线接收激励信号并发送回波信号设定细化倍数为D则细化后频率分辨率为军军/D从而可知细化的计算频率序列为{无厂+鲜认+鱿一粼一环境温度为42℃)查询单元测量在不同压力下的回波频率测量结果显示出较(测量距离为lm)2(好的频率估i于性能SKHz频率测量结果的方差小于声学技术2011年3结论SAW运用脉冲查询法是一种有效的无线测量压力传感器频率的方法由于传感器的回波响应是自由衰减的瞬态信号查询单元的限幅放大作用和具有高分辨率的测频算法对准确测量回波响应的频率尤为重要整个压力传感器系统天线到查询系统性能都有较大的提升深入研究从传感器值得进一步参.62考文ec献系统改进目前制作的传感器存在引线过长[l]BDixegenar与天线阻抗oniotnVKalininJBkleyandRLorhAseeineratiePrressuremnoitoringsystembasednodonWirelessPassiveSAWsnesosrnproeiLee大E百百nIo.te叮凡’无法较好匹配等问题这会造成传输信号的损耗影响了回波的质量要进一步提高整个系统的性能天线与传感器的完全匹配显得非常重要在测量过[2]JotCornlSyBeeklypmenaVdPD月EbxhiKalninisensoe2006.,pp37今380MnadKVlianskyNoneonaetottrquesbarsnedon尸阳cZE石百nIG.trFq程中发现传感器与天线之间引线阻抗的变化会造成回波信号的频率的改变因此在测量时必须将2002PP202-213Spo如1yCmJBSAWrenasiaortnlD刁石沈d方bison[3]VPKalininoerBrointer2004传感器和天线固定的测量误差这样才能减少由阻抗变化引入[4]wogationofthSAWassistedsteennginvonweeelkycuendaRLohrPlseduleetirtoqrsensorofrenealProe2石百百lU介口‘ol3PP1577一1580F逻哪Trt现在查询系统频率估计的标准差大约为5KI七z文献〔]中实验实现了的频率测量的标准差在IKH9以下HanetalAweriesslrPessruesensrosbasedunsod为ee如要进一步减小频率测量的标准差高Q值究的:低插损的传感器外;除研制以下方面也是值得研5]汇e尹natiina关明waveZO10JntConalnt’oinlahonAeo徽tie环raveDevcis环乞尹火shoe201012peesseonsystoiemexPlJMFritdAwigaelirtnitngitnseavrsenarowbandeascaotesiuenresmrnoaotrooffrseemrientifioetePhysiealuquantityma传感器的频率稳定性及其他诸如温度测201081:014701exumt[刀Reviewnsitiments(l9)量距离对测量频率的影响b使用提高接收信号性噪比的方法;。查询单元的接收电路的附加噪声对测量的影响[6]VKalininsoerlutionoProeo1452f20051455tiesonfueneeofreeeivernoisePnlIroPervlrelessresonsensorsfPassive、inntsaawEIEEIntUlartsonSymPSeP2005p对采样点进行N次相干积累可以将提高信号信噪比倍而且相干积累所需时间比做N次平均的时间少得多但查询时序和采样11指出文献〔[7]而,FWolfeooSehmlthdPlieationofPassiveSAWR力dlyandATrPssPTrsasSensors1998IanaetionsoEEETrodennnarnesrevoasoeeeeesertFFyUlildCllirtnnaueqntoororLeRindlGSehollTtagOsterHSeherU时间必须有严格的时序控制目前由于数字模块分别用不同的晶振作为时钟源RF45no模块和还无法对]8I[9]丁康F+械工程学报20105pFFT12811292T离散频谱校正法参数估计精度水[]J机5口n4:46(7o):6872Q信号做相干积累实现时间同步方式的相干积累I是以后对提高测频性能很有意义的工作MHelKtmaesehRAnintesensosbasedronmrHfnigationFoannnuerWBru,MfPassivBinhaekendaitfoansessSAwirelW卢触月叹,.厂)℃qectl明nrotCrtofvol51pmr了E百石乃飞刁儿5口Z介区,144914562004
