SAW谐振器谐振频率微秒级快速检测方法∗

王威威 卢孜筱 田亚会 李红浪

(1 中国科学院声学研究所 北京 100190)

(2 中国科学院大学 北京 100049)

(3 国家纳米科学中心 中国科学院纳米科学卓越创新中心 北京 100190)

0 引言

随着声表面波(Surface acoustic wave, SAW)传感技术的不断发展，谐振型SAW 传感器由于无线无源、高Q值、抗干扰能力强、响应速度快等特点得以广泛应用[1]。在电机转子、动车传动轴等旋转的密闭复杂环境中，需要对应变、扭矩等参量实时快速检测，监测机械传动轴的运行状态。特别是在转速5000 r/min 左右的高速旋转环境下，需要微秒级的检测速度，因此需要研究一种适用于高速旋转环境下SAW 谐振频器谐振频率微秒级快速检测方法。

针对谐振式SAW 传感器谐振频率检测，文献[2]采用功率检波器检测回波信号功率，先大步进扫频定位再小步进扫频进行频率估计，一次查询周期需要约10 ms，频率估计偏差7 kHz。文献[3]利用线性调频信号对SAW 谐振器进行连续扫频激励，使用自动频率控制(Automatic frequency control, AFC)环路跟踪检测反射信号变化，环路跟踪时间常数最快为0.57 ms，频率偏差20 kHz。文献[4]采用并行SAW 信号采集与处理电路，对谐振式SAW 传感器实现最快达16 kHz 的测量更新率，一次问询周期62.5 µs。文献[5]针对单端口微波器件，通过微波传输/反射测量方法实现对谐振腔型SiALCN 温度传感器回波损耗的检测。为了进一步加快SAW 谐振器谐振频率的检测速度，本文基于单端口微波器件的回波损耗检测原理，在对SAW谐振器进行线性信号激励的过程中，使用功率检波与比较器将回波信号直接转换为数字脉冲信号，结合计时器实时记录脉冲中心频率即谐振频率，实现一种SAW 谐振器谐振频率的微秒级快速检测方法。

1 快速检测方法原理

针对单端口SAW 谐振器，根据其工作原理可以采用散射矩阵中回波损耗作为检测量来进行谐振频率估计[5]，通过分析回波损耗频响曲线来确定传感器对应谐振器的谐振频率值。

利用等幅线性扫频信号源对SAW 谐振器进行快速扫频测量，当扫频信号中的频率与SAW 谐振器的谐振频率相等时，谐振器发生谐振，此时SAW谐振器内部吸收激励信号的能量达到最大值，反射回来的能量最小，即回波损耗最小。回波损耗测量原理示意图如图1所示。

图1 回波损耗测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of return loss measurement principle

回波损耗通过功率检波将回波功率转换为电压输出回波曲线，如图2(a)所示，通过查找回波曲线最小值检测谐振频率。传统信号处理方法[6]常对回波信号进行下变频处理后经AD 采样查找频响曲线最值求得谐振频率，增加了信号处理时间。本文结合比较器与定时器在线性扫频激励的过程中实现谐振频率快速检测。将回波损耗实时与比较器比较电压Vref进行比较，大于Vref输出逻辑低电平0 V，小于Vref输出逻辑高电平3 V，如图2(b)所示。

图2 回波损耗频响曲线快速信号处理示意图Fig.2 Schematic diagram of fast signal processing of return loss frequency response curve

在理想情况下，回波损耗曲线关于谐振频率点左右对称，通过定时器记录逻辑脉冲电平跳变沿对应的频率f1与f2，则SAW谐振器谐振频率f0为

该谐振式SAW 传感信号快速检测方法，在扫频的同时实现谐振频率的测量，节省了大量信号处理时间。此方法的频率分辨率受SAW 谐振器本身品质因数的限制，品质因数越高，回波曲线越尖锐，频率分辨率越高，所以在实际应用中，该方法对SAW谐振器本身品质因数要求较高。

2 快速检测方法硬件实现

基于功率检波的SAW 传感器回波信号检测系统[2]不需要对高频回波信号进行下变频处理，提高了信号采集速度，但需要对每个激励点的回波信号进行AD采样处理。为了进一步提高谐振式SAW传感器信号的检测速度，本文基于回波损耗测量原理，使用比较器结合定时器设计了SAW 谐振器谐振频率快速检测系统方案，其系统原理框图如图3所示。

快速SAW 谐振器谐振频率检测系统主要由发射链路、定向耦合器和接收链路组成。系统硬件的3D示意图如图4所示。

发射链路主要包含线性调制信号源与功率放大器。线性调制信号源用来生成线性扫频信号；功率放大器将线性扫频信号放大到合适的输出功率传输到定向耦合器。

定向耦合器的作用是连接发射链路与接收链路，将发射链路的线性激励信号传输到SAW 谐振器，同时在耦合端耦合SAW 谐振器的回波损耗信号传输到接收链路。

接收链路端主要由功率检波器、滤波器、低噪声放大器、比较器和定时器组成。功率检波器对定向耦合器耦合的回波损耗信号进行功率到电压的转换，通过带通滤波器滤除低频与高频干扰后输入到低噪声放大器；低噪声放大器的作用是将回波损耗频响曲线放大到合适电压便于与比较器比较电压进行比较；比较器是将回波损耗曲线与比较电压进行对比输出数字逻辑电平传输到定时器；定时器用来记录逻辑脉冲中点对应频率值即谐振频率。

3 实验结果分析

为了验证本文在SAW 谐振器谐振频率快速检测方法的可行性，在室温下，使用本文快速检测硬件系统对谐振频率为430.6468 MHz、品质因数约为6000 的SAW 谐振器进行快速检测，设置扫频区间为[430.3，431.0] MHz，在700 kHz 带宽内设置700个扫频点，每个频点持续50 ns，总扫频时间为35µs，最终经比较器输出结果如图5所示。连续取500 次快速谐振检测结果如图6所示。

图6 500 次快速谐振频率检测结果Fig.6 Test result of 500 times fast resonance frequency

由图6可知，使用本文的快速频率检测方法进行频率估计，由于电磁、温度等环境噪声的影响，可能导致回波损耗产生波动，比较器输出随之变化，使得每次频率估计存在不定值偏差，统计500 次频率估计最大偏差为6.7 kHz。理论上，若对200 Nm 量程的灵敏度约为3 kHz 的SAW 扭矩传感器进行信号解调，此最大频率偏差约存在2 Nm 的测量误差，可以保证SAW 扭矩传感器±1%FS 的测量精度，验证了本文快速检测方法的可行性。

将本文快速检测方法与SAW 回波信号功率检波的检测方法[4]进行对比，在同样700 kHz 带宽内进行扫频，对SAW 回波信号进行功率检波检测方法完成一次频率检测需要对SAW 谐振器进行110次激励，每次激励时间约为100 µs，同时需要对每次的回波信号进行数据处理，用时大于11 ms。综上分析，两种检测方法使用时间对比如表1所示。

表1 两种SAW 谐振器检测方法耗时对比Table 1 Time-consuming comparison of two SAW resonator demodulation methods

由表1可知，本文SAW谐振器谐振频率快速检测方法进一步提高了SAW 谐振器谐振频率的检测速度。相比于SAW 回波信号功率检波的检测方法，提高了两个数量级。

为了验证本文SAW 扭矩传感器快速检测系统在高速旋转环境下的适用性，采用cence 公司型号为H1650 的高速离心机模拟高速旋转环境，搭建高速旋转测试平台如图7所示。

图7 高速旋转测试平台Fig.7 High-speed rotating test platform

在离心机内，使用环状天线对SAW 传感器进行无线通信，在整个旋转密闭空间内，SAW 谐振器的发射天线与接收天线距离约1 cm，离心机内部SAW天线安装如图8(a)所示，高速旋转状态下的运行状态如8(b)所示。

设置扫频区间为[430.3, 431.0] MHz，扫频增量为1 kHz，总扫频时间为35 µs。在8000 r/min 转速范围内设置离心机转速，待转速稳定后，在室温下对上述SAW 谐振器重复进行500 次快速谐振频率测量实验，记录500 次测量频率估计平均值及最大频率估计偏差，结果如表2所示。

表2 不同转速下的SAW 谐振器谐振频率估计平均值与最大偏差Table 2 Estimated average value and maximum deviation of SAW resonator resonance frequency at different speeds

由表2可知，在不同旋转速度下，本文快速检测系统均可快速检测到SAW 谐振器的谐振频率。在4000 r/min 转速范围内，最大频率估计偏差基本稳定在10 kHz以内，再随着转速增加到8000 r/min最大频率估计偏差逐渐增大。在8000 r/min转速下相对频率偏差达到最大约为0.004%。验证了该SAW传感信号检测方法在高速旋转环境下的适用性。

4 结论

针对高动态环境下的谐振式SAW 传感器信号快速检测，提出一种基于回波损耗检测原理的SAW谐振器谐振频率微秒级快速检测方法。采用此方法，对单个SAW 传感器的谐振器进行一次快速检测用时约35 µs，较毫秒级检测系统速度提高了两个数量级。同时，搭建了模拟高速旋转环境的SAW谐振器高速旋转测试平台，在室温下，实现在8000 r/min转速范围内对SAW 谐振器进行快速频率估计。但受转速等环境因素的影响，转速较大时频率估计精度偏差偏大。在针对高速旋转环境下的扭矩测量应用时，为了保障测量精度，可以采用差动式测量方法[3]减小环境因素的影响。