基于六端口的声表面波谐振器查询系统研究

2020-10-28何红,赵佐

压电与声光 2020年5期

何红, 赵佐

(1．西安航空学院电子工程学院，陕西西安 710077；2. 西北工业大学计算机学院，陕西西安 710072)

0 引言

声表面波(SAW)传感器[1]在当前工业和自动化测量系统中发挥着重要作用。其常被用于在恶劣环境中对各种物理量(如温度、压力、张力和扭矩)进行遥感探测[2]。反射延迟线SAW传感器需宽带射频(RF)查询脉冲，而谐振式SAW传感器是利用窄带RF脉冲进行快速查询[3]，可准确地检测温度或压力等物理量的变化。

迄今为止，研究人员已提出各种不同的谐振式SAW传感器查询方法[4-6]。当前系统首先通过发送脉冲窄带激励，对谐振器进行“充电”，然后获取衰减信号，由此直接测量自谐频率。为确定频率，一般通过计算快速傅里叶变换(FFT)，在数字域中进行信号处理[6]。这些读取器的谐振器响应时间短(通常仅持续几微秒)，且要求千赫级的频率分辨率。对于433 MHz频带中的SAW谐振器，目前先进的高速谐振式SAW读取器可实现高达16 kHz的测量值更新率[7]。但这些读取器需要2个并行的数字信号处理器(DSP)来计算FFT，并需要1个额外的微控制器来进行系统管理。

提出的查询方法是利用SAW谐振器的衰减响应信号来确定其谐振频率。本文所提方法基于瞬时频率测量(IFM)的概念[8]，使用了一个低成本的六端口干涉仪和一条已知长度的单延迟线，将引入的相移与非延迟信号相比，从而进行频率估计。在模拟域中对信号进行处理，因此不需要计算FFT，且系统成本较低，不需要复杂的信号处理。实验结果验证了所提设计的优越性。

1 系统设计

1.1 理论概念

瞬时频率测量的核心理念是将位置信号分割为两部分，并对其中一部分使用延迟线，从而在两部分之间产生依赖于频率的相移。其后，可利用鉴相器对该相移进行评估，通过精确的延迟线长度知识，计算出未知信号的频率。基于六端口的SAW查询系统的概念图如图1所示。将短连续波(CW)查询脉冲，通过一个循环器(也可替换为RX/TX转换器或RF耦合器)发送至SAW谐振器。为激发振荡，查询信号的频率必须接近传感器的谐振频率。在快速关闭激发信号后，SAW在其谐振频率处开始衰减。通过功率分配器对该响应信号进行两等分。其中一部分信号被直接馈入六端口，另一部分则在进入第2个端口前延迟τd。

图1 SAW查询系统的示意图

由此在2个信号之间会产生依赖于频率f的相对相移Δφ,即

Δφ=2πfτd

(1)

通过六端口干涉仪对相位差进行评估，其中在0°、90°、180°和270° 4个不同的相对相移下对直接信号(I1)和延迟信号(I2)进行叠加，并通过功率检测器将RF信号下转换为4个基带电压(V3～V6)。这些DC电压形成一个复向量z，即

z=(V3-V4)+j(V5-V6)

(2)

最后可通过计算复向量的幅角，得到输入端口处的相位差：

Δφ=arg(z)

(3)

利用延迟线的精确时延td，通过重写式(1)推导出原始信号的频率：

(4)

当延迟线有效长度超过要测量最高频率的波长时，该计算会出现不确定性。一般系统的非模糊带宽fB是有限的[9]，即

(5)

1.2 六端口和功率探测器

目前，六端口接收器得到广泛应用的主要原因是其具有较好的相位分辨力，支持宽带操作及简单的电路复杂度，因此，系统成本较低[10]。相关研究表明[10]，利用相对较大的系统带宽(一般至少为其操作频率的10%)易实现六端口系统。对于SAW感测应用，这些设备通常仅用于带宽很窄的工业、科研和医疗(ISM)频段。但由于需测量的信号具有快速时变的特点，必须考虑探测器带宽和动态范围：加载SAW谐振器的振幅会呈指数下降。时间常量τSAW取决于品质因数(QSAW)和SAW的频率，即

(6)

在2.4 GHz ISM频段中，本文测得加载SAW谐振器的QSAW≈2 300。因此，对于这些设备，τSAW略大于300 ns。当激发信号在t= 0处被关闭时，SAW幅值A(t)为

A(t)=Amax·exp(-t/τSAW)

(7)

当功率检测器使用全动态范围PDdr时，功率探测器可跟踪SAW的指数衰减的最大测量时长tm,max为

(8)

(9)

功率探测器最大动态值为45 dB时，SAW的测量时间上限tm≈1.5 μs。为捕捉这种短时无畸变信号，检测器和基带带宽必须保持较高水平。

1.3 延迟线

延迟线的延时是整个系统的重要设计参数，一方面，延迟线应尽可能长，因为系统的整个测量动态范围映射到一个非模糊频带中。在对谐振式SAW传感器进行频率测定时，仅需很窄的非模糊带宽，而传感器的频偏很小，通常小于1 MHz。必须接近传感器自身谐振频率对其进行激发，粗频为已知，可应用于式(4)中模糊计算偏移量。假定SAW传感器的最大频偏为1.5 MHz，则延迟线最大延时τd=670 ns，有效长度de=200 m(以真空中的光速计)。虽然该数值看起来较高，但由于基片中声波速度较慢，这样的延时可作为SAW的有效延时[11]。

另一方面，应该将延迟线长度维持在尽可能短的水平。其原因是：随着延迟线长度增加，传输损失也会变大，这会降低测量精度。从空间和成本因素考虑，也应选取较短的延迟线。此外，延迟线的长度越长，最大测量时间会越短，因为参考信号和延迟信号必须同时存在于六端口处，以提取两者间的相位差。同时，由于传感器振幅的指数衰减，较长的延迟线会导致在延迟信号到达六端口的第二个输入前，参考端口处的信号振幅已减小。

2 实验与分析

2.1 参数与实验装置

本文搭建了基于集总元件的2.4 GHz六端口以进行测量，其中包含4个商用的温度补偿有功功率探测器，最大动态值(±1 dB线性区域)为45 dB。系统的技术参数如表1所示。

表1 六端口设计的参数说明

利用低成本的RG58U SMA线缆(几何长度dg=10 m)来实现延迟线。其有效磁导率为r=2.26，因此，de=15 m，延迟约为50 ns。该数值可实现较好的权衡。

图2为测量装置。将2个SAW谐振器(SAW1，SAW2)安装在弯梁上，以测量其在微差配置下的机械应力。在通过一个测微螺旋施力时，一个SAW被拖曳，同时另一个SAW被压缩。这样能提高系统的准确度和敏感度，因为影响到2个SAW的异常干扰在某种程度上被抵消了。使用一个信号发生器来生成激发信号，连续波脉冲持续时间为1.5 μs，射频功率为0。为了对某个SAW进行查询，需要使用1个额外的RF单刀双掷(SPDT)开关，因为2个SAW的谐振频率过于接近以致于无法单独激发某个SAW。利用功率分配器对被激发的SAW传感器的响应信号进行分割。将信号的一部分直接馈入六端口干涉仪的第1个输入端口，另一部分则在馈入第2个输入端口前，被10 m的SMA线缆所延迟。采用1个四通道数字存储示波器(DSO)采集基带信号。

图2 测量装置图

实验首先给出不同激发频率下的单个SAW的实验结果，然后展示微差配置下，弯梁上的机械应力的测量结果。使用非线性系统进行测量。由于延迟线具有温度敏感性，且群时延为每千条线缆80×10-6。所以线性化会随着时间推移而漂移。若需要进行温度稳定的长期测量，需要利用合适的现场线性化技术解决该问题。

2.2 单个SAW传感器的信号查询

在SAW的估计谐振频率附近，进行了±1 MHz的精细步进频率扫描。图3为测得的传感器响应及激发脉冲的参考测量结果。与预期相符，传感器响应的频率不受激发频率的影响。如果将标准偏差纳入考量，则应该在传感器谐振频率附近对其进行激发，因为这样会使谐振器采集到大部分能量，系统能表现出最优测量精度。最低标准偏差σSAW≈17 kHz，该数值与约7 ×10-6的RF频率相关。

图3 不同查询频率下测得频率响应和标准偏差

2.3 弯梁上应力的微差测量

根据文献[12]的研究可知，微差测量能显著提升系统的准确度和敏感度。对于弯梁测量案例，2个SAW间的频差Δfm与施加的机械应力成正比，因为一个传感器被压缩，而另一个传感器则被拉伸。利用2个测微螺旋，对弯梁施加了共计181次偏转。使用一个精密刻度量规得到偏转的机械参考测量值。每10 μm测量1次，由此在参考测量点处得到整体最大偏转Δx= ± 900 μm。为了提高示波器采集基带电压时模数转换器(ADC)的分辨率，在采集过程中直接在示波器中进行内部过采样,并取256次的均值。

图4 弯梁上机械应力的微差测量结果

图4(a)、(b)分别为2个SAW的谐振频率随着弯梁位移变化的测量结果。由图可知，由于采用了微差测量，随着力的施加，一个SAW测得的频率增加，另一个SAW测得的频率则相应降低。第1、2个SAW表现出的最大频率偏移分别为0.97 MHz和1.22 MHz。此外，2个曲线表现出了非线性。这表明2个SAW间的安装和匹配并不完美，且六端口系统不是理想的线性。但这已能完成概念证明。图4(c)为计算出的2个传感器间的频差，全刻度频差Δfmax=2.18 MHz。在未施加任何应力的情况下，Δf≈940 kHz，单次测量的标准偏差σf=21.9 kHz，由此全刻度随机误差约为1%。