RU2748391C1 - Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves - Google Patents
Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2748391C1 RU2748391C1 RU2020135037A RU2020135037A RU2748391C1 RU 2748391 C1 RU2748391 C1 RU 2748391C1 RU 2020135037 A RU2020135037 A RU 2020135037A RU 2020135037 A RU2020135037 A RU 2020135037A RU 2748391 C1 RU2748391 C1 RU 2748391C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- physical quantity
- output
- frequency
- measured physical
- sensor
- Prior art date
Links
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
- G01S13/75—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электроники и предназначено для считывания информации с беспроводных датчиков на поверхностных акустических волнах, используемых в системах мониторинга состояния объектов с целью предупреждения непредвиденных ситуаций при контроле быстроменяющихся физических величин, а именно, интенсивности ультрафиолетового излучения, состава вредных газов, величины деформаций и микро перемещений конструкций объектов инфраструктуры, температуры окружающей среды на различных объектах.The invention relates to the field of electronics and is intended for reading information from wireless sensors on surface acoustic waves used in systems for monitoring the state of objects in order to prevent unforeseen situations when monitoring rapidly changing physical quantities, namely, the intensity of ultraviolet radiation, the composition of harmful gases, the magnitude of deformations and micro displacements of structures of infrastructure facilities, ambient temperature at various facilities.
Считыватель информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах (ПАВ) формирует опросные радиосигналы и излучает их посредством антенны. Датчик физической величины (микро перемещений, деформации, ультрафиолетового излучения, состава газовой смеси, температуры) попадая в область действия антенны, в ответ на сигнал опроса передает ответный радиосигнал, содержащий информацию о физической величине, которая определяется считывателем и передается на внешнее устройство обработки данных. An information reader from a wireless surface acoustic wave (SAW) sensor generates interrogating radio signals and emits them through an antenna. A physical quantity sensor (micro displacements, deformation, ultraviolet radiation, gas composition, temperature), falling into the antenna area, in response to the polling signal transmits a response radio signal containing information about the physical quantity, which is determined by the reader and is transmitted to an external data processing device.
Из уровня техники широко известно использование считывателя для получения информации о физических величинах от беспроводных датчиков на ПАВ (RU2296950, 6МПК G01 D5/00 опубл. 27.02.2006) [1], RU 2387051, 6МПК, H01L41/107, G01D5/12, опубл. 20.04.2010) [2], RU2550697, МПК-2006.01 G01D5/00, B82B1/00, опубл. 10.05.2015 [3], RU2581570, МПК-2006.01 H03H9/25, опубл. 20.04.2016 [4], RU2585487, МПК-2006.01 G01K 11/24, H01L 41/08, опубл. 27.05.2016) [5]. It is widely known from the prior art to use a reader to obtain information about physical quantities from wireless SAW sensors (RU2296950, 6MPK G01 D5 / 00 publ. 27.02.2006) [1], RU 2387051, 6MPK, H01L41 / 107, G01D5 / 12, publ. ... 20.04.2010) [2], RU2550697, MPK-2006.01 G01D5 / 00, B82B1 / 00, publ. 05/10/2015 [3], RU2581570, MPK-2006.01 H03H9 / 25, publ. 04/20/2016 [4], RU2585487, MPK-2006.01
Опросный радиоимпульс принимается приемо-передающей антенной датчика на ПАВ и попадает приемо-передающий встречно штыревой преобразователь (ВШП), расположенный на пьезоэлектрическом звукопроводе, где преобразуется в импульсы ПАВ, которые, распространяясь вдоль звукопровода, отражаются от расположенных на пути распространения ПАВ отражательных ВШП, первый из которых является опорным, а последний может быть соединен с импедансом, величина которого зависит от измеряемой физической величины. При изменении импеданса изменяется коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП, что приводит к изменению амплитуды и фазы отраженных от него ПАВ. Отраженные от него и от другого ВШП импульсы ПАВ приходят на приемопередающий ВШП, где преобразуются в электромагнитный сигнал, представляющий последовательность радиоимпульсов, амплитуда и фаза которых пропорциональны амплитуде ПАВ падающих на приемо-передающий ВШП, и попадают на считыватель. В считывателе амплитуды отраженных ПАВ от первого и последнего ВШП сравниваются и определяется значение измеряемой физической величины, если последний ВШП нагружен на импеданс, или измеряют задержку ПАВ между первым и последним ВШП, если последний не нагружен. Амплитуда и фаза (задержка) отраженных ПАВ также может меняться, если ПАВ проходят под пленкой, расположенной между соседними отражательными ВШП. В этом случае под действием измеряемой физической величины, например, интенсивности электромагнитного излучения в видимой или ультрафиолетовой области (Wenbo Penga, Yongning Heat, Changbao Wenb, Ke Maa, Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer//Sensors and Actuators A: Physical Volume 184, September 2012, Pages 34–40 [6], US Patent 6914279, МПК7 H01L 29/82 от 05.06.2005 [7], US Patent 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82 от 02.08.2011 [8]) при наличии помех сигналы, отраженные от датчиков, могут быть на их уровне, и сигналы не могут быть обнаружены, так как усреднять принятые импульсы не предоставляется возможным из-за отсутствия синхронизации по частоте заполнения зондирующих импульсов, что является недостатком известных технических решений.The interrogation radio pulse is received by the transceiving antenna of the sensor on the SAW and the transceiver transceiver transducer (IDT), located on the piezoelectric sound conductor, gets into it, where it is converted into SAW pulses, which, propagating along the acoustic line, are reflected from the reflective IDTs located on the path of SAW propagation, the first of which is a reference, and the latter can be connected to an impedance, the value of which depends on the measured physical quantity. When the impedance changes, the reflection coefficient of the SAW from the reflective IDT changes, which leads to a change in the amplitude and phase of the SAW reflected from it. The SAW pulses reflected from it and from another IDT arrive at the transceiving IDT, where they are converted into an electromagnetic signal representing a sequence of radio pulses, the amplitude and phase of which are proportional to the amplitude of the SAW incident on the transceiving IDT, and enter the reader. In the reader, the amplitudes of the reflected SAWs from the first and last IDTs are compared and the value of the measured physical quantity is determined if the last IDT is loaded with impedance, or the SAW delay between the first and last IDTs is measured if the latter is not loaded. The amplitude and phase (delay) of the reflected SAWs can also change if the SAWs pass under a film located between adjacent reflective IDTs. In this case, under the action of a measurable physical quantity, for example, the intensity of electromagnetic radiation in the visible or ultraviolet region (Wenbo Penga, Yongning Heat, Changbao Wenb, Ke Maa, Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer // Sensors and Actuators A : Physical Volume 184, September 2012, Pages 34-40 [6], US Patent 6914279, IPC 7 H01L 29/82 dated 05.06.2005 [7], US Patent 7989851, IPC-2006.01 H01L 29/82 dated 02.08.2011 [ 8]) in the presence of interference, the signals reflected from the sensors can be at their level, and the signals cannot be detected, since it is not possible to average the received pulses due to the lack of synchronization in the filling frequency of the probing pulses, which is a disadvantage of the known technical solutions ...
Указанный недостаток устранен в способе (RU 2629892, 6МПК Н03Н 31/00, опубл.04.09.2017) [9], в котором согласно зависимого п. 2 формулы изобретения считыватель содержит измеритель комплексных коэффициентов передачи (ИККП) «Обзор-103», подключенный к компьютеру. Стандартный измеритель комплексных коэффициентов передачи состоит из генераторного блока, блока управления, АЦП, измерительного блока, измеряющего комплексные коэффициенты передачи S11, S21, КСВН, ГВЗ. Блок управления задает параметры линейно - частотной модуляции (ЛЧМ) импульса, АЦП оцифровывает данные. Выход (вход) ИККП подсоединен с приемо-передающей антенной. На приемо-передающий ВШП датчика на ПАВ периодически подают с антенны считывателя зондирующий электромагнитный импульс, в котором частота дискретно меняется по линейному закону. Этот импульс отражается от приемо-передающей антенны датчика и вновь попадает на прием-передающую антенну считывателя, где измеряют частотную зависимость комплексного коэффициента отражения S11 этой антенны и ваыполняют Фурье-преобразование полученной частотной зависимости, по которому определяют амплитуду и задержку отраженных от датчика импульсов, причем длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирается таким образом, что измерения на каждой частоте ведутся некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между ВШП. Частота заполнения электромагнитного импульса формируется с помощью цифрового синтезатора частоты. При этом определение значения параметра S11 в каждой частотной точке производится некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между ВШП, это приводит к повышению точности измерений из - за того, что амплитуды отраженного сигнала измеряются на определенной частоте более одного раза, а также из-за того, что фазы сигналов помех носят случайный характер и взаимно ослабляются за время измерения. Кроме того, из-за периодичности посылки частотно-модулированных импульсов измерение в каждой частотной точке производится несколько раз и эти измерения могут также суммироваться (усредняться), что также приводит к уменьшению влияния помех на результаты измерений, а, следовательно, к повышению точности измерений.This drawback is eliminated in the method (RU 2629892, 6MPK N03N 31/00, publ. 04.09.2017) [9], in which, according to the
Для повышения помехоустойчивости датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений (RU 2486646, МПК: H01Q 23/00 (2006.01),G01S 13/75 (2006.01) опубл. 27.06.2013) [10] содержит считывающее устройство и устройство на ПАВ, при этом считывающее устройство состоит из приемо-передатчика и антенны, а устройство на ПАВ содержит антенну и резонаторы на ПАВ, каждый из которых содержит встречно-штыревой преобразователь, который электрически связан с антенной устройства на ПАВ, и двух отражательных структур. Опрос датчика считывающим устройством происходит следующим образом. По команде с компьютера считывающее устройство формирует N опросных радиоимпульсов, где N равно, например, 5, с фиксированными, равноотстоящими несущими частотами f 01 …f N (например, f 01=433 и f 0N=434 МГц). Длительность каждого опросного импульса зависит от добротности резонаторов и при нагруженной добротности, например, ~8000 может быть, например, ~10 мкс. Опросные импульсы через антенну излучаются в направлении устройства на ПАВ в корпусе. Ответные сигналы устройства на ПАВ в корпусе на каждый опросный радиоимпульс через антенну поступают в считывающее устройство. Считывающее устройство выполняет усиление, фильтрацию и оцифровку принятых сигналов. Оцифрованные сигналы передаются в компьютер, где проходят обработку в соответствии с заданными алгоритмами. В результате обработки в компьютере определяются резонансные частоты резонаторов fR1 и fR2, по значениям которых определяется величина перемещения ΔX. To increase noise immunity, a surface acoustic wave sensor for wireless passive displacement measurement (RU 2486646, IPC: H01Q 23/00 (2006.01), G01S 13/75 (2006.01) publ. 06/27/2013) [10] contains a reader and a SAW device , while the reader consists of a transceiver and an antenna, and the SAW device contains an antenna and SAW resonators, each of which contains an interdigital converter, which is electrically connected to the antenna of the SAW device, and two reflective structures. The sensor is polled by the reader as follows. On command from the computer, the reader generates N interrogation radio pulses, where N is equal, for example, 5, with fixed, equally spaced carrier frequencies f 01 ... f N (for example, f 01 = 433 and f 0N = 434 MHz). The duration of each interrogation pulse depends on the Q-factor of the resonators and with a loaded Q-factor, for example, ~ 8000, it can be, for example, ~ 10 μs. Interrogation pulses are emitted through the antenna in the direction of the SAW device in the housing. The response signals of the SAW device in the housing for each polling radio pulse through the antenna are fed to the reader. The reader performs amplification, filtering and digitization of the received signals. The digitized signals are transmitted to a computer, where they are processed in accordance with the specified algorithms. As a result of processing in the computer, the resonant frequencies of the resonators f R1 and f R2 are determined, according to the values of which the magnitude of the displacement ΔX is determined.
Однако, если измеряемая физическая величина изменяется за время меньшее, чем произойдет время между импульсами, то это приведет к потере информации от измеряемой физической величины и, следовательно, к снижению точности измерений. Кроме того измеряемая физическая величина может измениться в промежутке времени между посылкой считывающих импульсов, что также снижает точность измерения. However, if the measured physical quantity changes in a time less than the time between pulses, this will lead to the loss of information from the measured physical quantity and, consequently, to a decrease in the measurement accuracy. In addition, the measured physical quantity can change in the time interval between the sending of the readout pulses, which also reduces the measurement accuracy.
Задачей настоящего изобретения является возможность считывания сигналов от датчика на ПАВ, когда измеряемая физическая величина быстро изменяется в процессе измерения. Это достигается за счет того, что информация с датчика считывается непрерывно, а не последовательностью считывающих импульсов, в течении которых и между которыми измеряемая физическая величина могла бы измениться. The object of the present invention is the ability to read signals from a SAW sensor when the measured physical quantity changes rapidly during the measurement. This is achieved due to the fact that information from the sensor is read continuously, and not by a sequence of readout pulses, during which and between which the measured physical quantity could change.
Предлагаемое устройство считывания информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах содержит высокочастотный генератор гармонических колебаний, который посылает зондирующий радиосигнал одной частоты с постоянной амплитудой через резистор на приемопередающую антенну считывателя, направленную на приемопередающую антенну приемного встречно-штыревого преобразователя датчика на поверхностных акустических волнах, выход резистора подключен ко входу детектора, выход которого соединен с входом АЦП, выход которого подключен ко входу вычислителя, который определяет измеряемую физическую величину из уравнения f(x i ) - F(x i )= 0 в реальном масштабе времени и выход которого соединен со входом ФНЧ, с выхода которого снимается временная зависимость измеряемой физической величины x(t) , где f(x i ) - сигнал на выходе АЦП, F(x i ) - известная зависимость амплитуды сигнала отраженного от датчика от измеряемой физической величины. при этом приемопередающая антенна одним концом соединена с корпусом генератора гармонических колебаний, а другим концом с резистором в точке соединения его с входом детектора.The proposed device for reading information from a wireless sensor on surface acoustic waves contains a high-frequency harmonic oscillator, which sends a probing radio signal of one frequency with a constant amplitude through a resistor to the transceiver antenna of the reader, directed to the transceiver antenna of the receiving interdigital transducer of the sensor on surface acoustic waves, the output of the resistor connected to the input of the detector, the output of which is connected to the input of the ADC, the output of which is connected to the input of the calculator, which determines the measured physical quantity from the equation f (x i ) - F (x i ) = 0 in real time and whose output is connected to the input of the low-pass filter , from the output of which the time dependence of the measured physical quantity x (t) is taken, where f (x i ) is the signal at the ADC output, F (x i ) is the known dependence of the amplitude of the signal reflected from the sensor on the measured physical quantity. in this case, the transceiver antenna is connected at one end to the body of the harmonic oscillator, and at the other end to a resistor at the point of its connection with the detector input.
В предпочтительном варианте выполнения в качестве детектора использована детекторная головка. In a preferred embodiment, a detector head is used as the detector.
Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемое устройство считывания информации позволяет следить за измеряемой физической величиной непрерывно и фиксировать все ее изменения во времени, что исключает потерю информации, присущую известным считывателям на основе измерения комплексных коэффициентов ЛЧМ импульсами, The essence of the invention lies in the fact that the proposed device for reading information allows you to monitor the measured physical quantity continuously and record all its changes in time, which eliminates the loss of information inherent in known readers based on the measurement of complex coefficients of chirp pulses,
Устройство считывания информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах (ПАВ) поясняется фигурами чертежей, где:The device for reading information from a wireless sensor on surface acoustic waves (SAW) is illustrated by the figures of the drawings, where:
Фиг.1- функциональная схема устройства считывания информации с беспроводного датчика на ПАВ, где обозначено:Fig. 1 is a functional diagram of a device for reading information from a wireless sensor on a SAW, where it is indicated:
1- высокочастотный генератор гармонических колебаний;1- high-frequency generator of harmonic oscillations;
2- резистор;2- resistor;
3- детектор;3- detector;
4- АЦП;4- ADC;
5- вычислитель f(x i ) - F(x i )= 0; 5- calculator f (x i ) - F (x i ) = 0;
6- ФНЧ;6- LPF;
7- приемопередающая антенна считывателя;7- transceiver antenna of the reader;
8 -приемопередающая антенна датчика на ПАВ; 8 -transmitter antenna of the SAW sensor;
9 - датчик на ПАВ; 9 - surfactant sensor;
10- приемопередающий ВШП; 10- transceiving IDT;
11- отражательный ВШП. 11- reflective IDT.
Фиг. 2 - график изменении частотной зависимости параметра S11 антенны при физическом воздействии на датчик на ПАВ.FIG. 2 is a graph of the change in the frequency dependence of the parameter S11 of the antenna during physical impact on the sensor on the SAW.
Фиг. 3 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 500 кГц на датчик на ПАВ.FIG. 3 - oscillogram at the output of the detector head under physical impact with a frequency of 500 kHz on a SAW sensor.
Фиг. 4 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 50 кГц на датчик на ПАВ.FIG. 4 - oscillogram at the output of the detector head under physical impact with a frequency of 50 kHz on a SAW sensor.
Фиг. 5 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 5 кГц на датчик на ПАВ. FIG. 5 - oscillogram at the output of the detector head under physical impact with a frequency of 5 kHz on a SAW sensor.
Фиг. 6 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 500 Гц на датчик на ПАВ.FIG. 6 - oscillogram at the output of the detector head under physical impact with a frequency of 500 Hz on a SAW sensor.
Устройство считывания информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах содержит высокочастотный генератор гармонических колебаний 1, который посылает зондирующий радиосигнал одной частоты с постоянной амплитудой через резистор 2 на приемопередающую антенну 7 считывателя, направленную на приемопередающую антенну 8 приемного встречно-штыревого преобразователя 10 датчика на поверхностных акустических волнах 9, выход резистора 2 подключен ко входу детектора 3, выход которого соединен с входом АЦП 4, выход которого подключен ко входу вычислителя 5, который определяет измеряемую физическую величину из уравнения f(x i ) - F(x i )= 0 в реальном масштабе времени и выход которого соединен со входом ФНЧ 6, с выхода которого снимается временная зависимость измеряемой физической величины x(t) , где f(x i ) - сигнал на выходе АЦП, F(x i ) - известная зависимость амплитуды сигнала отраженного от датчика 9 от измеряемой физической величины, при этом приемопередающая антенна считывателя одним концом соединена с корпусом генератора гармонических колебаний, а другим концом с резистором 2 в точке соединения его с входом детектора 3. The device for reading information from a wireless sensor on surface acoustic waves contains a high-frequency
Вычислитель 5 представляет собой компьютер, в память которого введены значения F(x i ). Также в него вводятся значения f(x i ) и решается уравнение f(x i ) - F(x i )= 0 одним из многочисленных известных методов (например, методом половинного деления).The
Высокочастотный генератор гармонических колебаний 1 (ВЧ генератор) выдает зондирующий непрерывный радиосигнал одной частоты с постоянной амплитудой на приемо-передающую антенну 7 (показано на фиг.1 в виде синусоиды, стрелка вниз), направленную на приемо-передающую антенну 8 приемного встречно-штыревого преобразователя 10 датчика на поверхностных акустических волнах 9.A high-frequency harmonic oscillator 1 (HF generator) provides a sounding continuous radio signal of one frequency with a constant amplitude to the transmitting and receiving antenna 7 (shown in Fig. 1 as a sinusoid, arrow down), directed to the transmitting and receiving
В этом случае напряжение U на приемо-передающей антенне 7 с импедансом Z определяют по формуле: In this case, the voltage U at the transmit-receive
, (1) , (one)
где: Uг - амплитуда напряжения на ВЧ генераторе;where: U g - voltage amplitude at the HF generator;
Rг - внутреннее сопротивление ВЧ генератора; R g - internal resistance of the RF generator;
R - сопротивление резистора R - resistor resistance
Z - импеданс приемопередающей антенны считывателя. Z is the impedance of the transceiver antenna of the reader.
Радиосигнал от приемопередающей антенны 8 датчика 9 преобразуется приемным встречно-штыревым преобразователем 10 в поверхностную акустическую волну, которая распространяется в сторону отражательного ВШП 11. При изменении физической величины может меняться скорость или затухание и скорость ПАВ, или коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП 11 под действием изменения импеданса Z1, величина которого зависит от измеряемой физической величины, что приведет к изменению импеданса ВШП 11, а следовательно, и к изменению амплитуды ПАВ, отраженных от него. Далее отраженные ПАВ попадают на приемо-передающий ВШП 10, что приводит к изменению его импеданса, а также сигнала отраженного от антенны 8, подсоединенной к ВШП 10 датчика 9. Отраженный от датчика сигнал (показан на фиг.1. в виде синусоиды и стрелки вверх) попадает на приемопередающую антенну 7 считывателя и изменяет (модулирует) ее импеданс Z, который можно определить, зная параметр S11 антенны [11]:The radio signal from the transmitting-receiving
, (2) , (2)
где R0 – сопротивление измерительного прибора. where R 0 is the resistance of the measuring device.
На фиг.2. показана частотная зависимость параметра S11, когда коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП разный. Видно, что на частоте 439,45 МГц параметр S11 меняется особенно сильно. Тогда и импеданс Z антенны будет меняться на данной частоте также больше, чем на других частотах. Выбрав эту частоту равной частоте генератора 1 получим максимальное изменение напряжения на входе детекторной головки 4 при изменении коэффициента отражения ПАВ от отражательного ВШП. Fig. 2. the frequency dependence of the parameter S11 is shown, when the reflection coefficient of the SAW from the reflective IDT is different. It can be seen that at a frequency of 439.45 MHz, the S11 parameter changes especially strongly. Then the impedance Z of the antenna will also change more at this frequency than at other frequencies. Choosing this frequency equal to the frequency of the
Таким образом, в соответствии с формулой (1) напряжение на входе детекторной головки 3 будет промодулировано в соответствии с изменением измеряемой физической величины (если Z << R г + R ), а на выходе детектора 3, в качестве которого использована детекторная головка (например. от прибора Х1-42) будет огибающая промодулированного ВЧ сигнала. Далее низкочастотный сигнал поступает на вход АЦП 4, который непрерывно оцифровывает сигнала от датчика на ПАВ 9. При этом частота дискретизации АЦП подбирается таким образом, чтобы между отсчетами изменение физической величины было маловероятно. Это позволяет засечь любые изменения в измеряемой физической величине в интервале времени, который будет много меньше периода колебаний ВЧ сигнала, что при частотах ВЧ сигнала в диапазоне 433-2500 МГц может составить 4-20 мкс. Полученный массив данных с АЦП 4 поступает на вычислитель 5, где определяются дискретные значения измеряемой физической величины x i вследствие решения уравнения f(x i ) - F(x i )=0, где f(x i ) - сигнал на выходе АЦП 4, F(x i ) – известная зависимость амплитуды сигнала отраженного от датчика от измеряемой физической величины (калибровочная кривая). Таким образом, вычислитель - это компьютерная программа, установленная на ПК, решающее уравнение f(x i ) - F(x i )=0 в реальном масштабе времени. Далее дискретный сигнал x i поступает на фильтр низких частот 6 (ФНЧ), где он преобразуется в непрерывный сигнал x(t). Таким образом на выходе считывателя получается непрерывная зависимость измеряемой физической величины от времени, что позволяет отслеживать любые ее изменения. Thus, in accordance with formula (1), the voltage at the input of the
Пример выполнения.An example of execution.
Датчик на ПАВ 9 представляет собой линию задержки, содержащей один приемо-передающий 10 и один отражательный 11 узкополосные ВШП. The
Узкополосные ВШП содержат каждый по 20 одно- волновых секций, расстояние между которыми равно 17 длин ПАВ на центральной частоте в приемо-передающем ВШП и 260 длин ПАВ - в отражательном ВШП. Между ВШП расстояние равно 1 см. Расстояние между антеннами – 2 м.Narrowband IDTs each contain 20 single-wave sections, the distance between which is equal to 17 SAW lengths at the central frequency in the transmit-receive IDT and 260 SAW lengths in the reflective IDT. The distance between the IDTs is 1 cm. The distance between the antennas is 2 m.
В качестве элемента, меняющего коэффициент отражения отражательного ВШП использован варикап КВ-102, который подсоединяется к отражательному ВШП 9. На варикап через дроссели, которые имеют большое сопротивление на частотах в районе 439 МГц подавалось переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов. Длительность импульсов равна расстоянию между ними, а частота следования выбирается равной 500кГц, 50 кГц, 5 кГц соответственно. As an element that changes the reflection coefficient of the reflective IDT, a KV-102 varicap is used, which is connected to the
Выход детекторной головки 4 подсоединялся к одному из входов цифрового осциллографа «Rigol», на другой вход которого подавалось напряжение, подаваемое на варикапы. В качестве детекторной головки использовалась детекторная головка от прибора Х1-42. Rг=R=50 Ом. Таким образом можно визуально непрерывно наблюдать за изменением измеряемой физической величиной.The output of the
Из фиг.3 видно, что на частоте 500 кГц подаваемые импульсы имеют отличную от прямоугольной форму, но импульсы на выходе детекторной головки значительно отличаются от формы подаваемых на варикап импульсов. Хорошо видно, что изменение амплитуды напряжения на выходе детекторной головки следует за изменениями напряжения на варикапе. При понижении частоты импульсы (фиг.4-6), подаваемые на варикап имеют прямоугольную форму, а импульсы на выходе детектора отличаются от прямоугольной формы, постепенно приближаясь к ней по мере понижения частоты (фиг.6). Figure 3 shows that at a frequency of 500 kHz, the supplied pulses have a different from rectangular shape, but the pulses at the output of the detector head differ significantly from the shape of the pulses supplied to the varicap. It is clearly seen that the change in the voltage amplitude at the output of the detector head follows the changes in the voltage at the varicap. When the frequency decreases, the pulses (Fig. 4-6) supplied to the varicap have a rectangular shape, and the pulses at the detector output differ from the rectangular shape, gradually approaching it as the frequency decreases (Fig. 6).
Таким образом показано, заявляемый считыватель позволяет измерять дистанционно без проводов физические величины с помощью пассивного датчика физических величин на поверхностных акустических волнах в непрерывном режиме в отличие от известных решений, где опрос пассивных датчиков проводился исключительно в импульсном режиме. Thus, it is shown that the inventive reader allows you to remotely measure physical quantities without wires using a passive sensor of physical quantities on surface acoustic waves in a continuous mode, unlike known solutions, where the interrogation of passive sensors was carried out exclusively in a pulsed mode.
Источники информации: Information sources:
1. RU2296950, 6МПК G01 D5/00 опубл. 27.02.2006.1.RU2296950, 6MPK G01 D5 / 00 publ. February 27, 2006.
2. RU 2387051, 6МПК, H01L41/107, G01D5/12, опубл. 20.04.2010).2. RU 2387051, 6MPK, H01L41 / 107, G01D5 / 12, publ. 20.04.2010).
3. RU2550697, МПК-2006.01 G01D5/00, B82B1/00, опубл. 10.05.2015.3. RU2550697, MPK-2006.01 G01D5 / 00, B82B1 / 00, publ. 05/10/2015.
4. RU2581570, МПК-2006.01 H03H9/25, опубл. 20.04.2016.4. RU2581570, MPK-2006.01 H03H9 / 25, publ. 04/20/2016.
5. RU2585487, МПК-2006.01 G01K 11/24, H01L 41/08, опубл. 27.05.2016. 5. RU2585487, MPK-2006.01
6. Wenbo Penga, Yongning Heat, Changbao Wenb, Ke Maa, Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer//Sensors and Actuators A: Physical Volume 184, September 2012, Pages 34–40. 6. Wenbo Penga, Yongning Heat, Changbao Wenb, Ke Maa, Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer // Sensors and Actuators A: Physical Volume 184, September 2012, Pages 34–40.
7. US Patent 6914279, МПК7 H01L 29/82 от 05.06.2005.7. US Patent 6914279, IPC 7 H01L 29/82 dated 05.06.2005.
8. US Patent 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82 от 02.08.2011.8. US Patent 7989851, IPC-2006.01 H01L 29/82 dated 02.08.2011.
9. RU 2629892, 6МПК Н03Н 31/00, опубл.04.09.2017).9. RU 2629892, 6MPK N03N 31/00, publ. 04.09.2017).
10. RU 2486646, МПК-2006: H01Q 23/00,G01S 13/75, опубл. 27.06.2013. 10. RU 2486646, MPK-2006: H01Q 23/00, G01S 13/75, publ. June 27, 2013.
11. СВЧ – устройства электронных средств. Лекция 1. Матрица рассеяния. Согласующие устройства. https://ppt-online.org/150867.11. Microwave - electronic devices.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020135037A RU2748391C1 (en) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020135037A RU2748391C1 (en) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2748391C1 true RU2748391C1 (en) | 2021-05-25 |
Family
ID=76034014
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020135037A RU2748391C1 (en) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2748391C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2387051C1 (en) * | 2008-12-01 | 2010-04-20 | Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" | Detector of physical value on surface acoustic waves |
RU123180U1 (en) * | 2012-06-07 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | SENSOR ON SURFACE ACOUSTIC WAVES WITH WIRE ANTENNA |
RU2486646C1 (en) * | 2012-05-05 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Surface acoustic wave sensor for wireless passive measurement of displacements |
CN107941391B (en) * | 2017-11-17 | 2020-04-28 | 杭州电子科技大学 | Wireless passive temperature compensation method for film body acoustic wave pressure sensor |
-
2020
- 2020-10-26 RU RU2020135037A patent/RU2748391C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2387051C1 (en) * | 2008-12-01 | 2010-04-20 | Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" | Detector of physical value on surface acoustic waves |
RU2486646C1 (en) * | 2012-05-05 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Surface acoustic wave sensor for wireless passive measurement of displacements |
RU123180U1 (en) * | 2012-06-07 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | SENSOR ON SURFACE ACOUSTIC WAVES WITH WIRE ANTENNA |
CN107941391B (en) * | 2017-11-17 | 2020-04-28 | 杭州电子科技大学 | Wireless passive temperature compensation method for film body acoustic wave pressure sensor |
Non-Patent Citations (5)
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Seifert et al. | Mechanical sensors based on surface acoustic waves | |
US9404890B2 (en) | Method for noninvasive determination of acoustic properties of fluids inside pipes | |
KR101810724B1 (en) | Multiphase fluid characterization system | |
US9354094B2 (en) | Apparatus and method for noninvasive particle detection using doppler spectroscopy | |
US5233352A (en) | Level measurement using autocorrelation | |
WO1990005283A1 (en) | Method and apparatus for measuring mass flow | |
US9477857B2 (en) | Surface acoustic wave tag-based coherence multiplexing | |
RU2387051C1 (en) | Detector of physical value on surface acoustic waves | |
US20030185101A1 (en) | Method and apparatus for spread spectrum distance measurement and for spread spectrum velocity profile measurement | |
RU2748391C1 (en) | Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves | |
US5099691A (en) | Method for measuring length, and apparatus for implementing the method | |
Williamson et al. | Coherent Detection Technique for Variable‐Path‐Length Measurements of Ultrasonic Pulses | |
RU2629892C1 (en) | Method for measuring physical values using sensors on surface acoustic waves | |
Martin et al. | Ultrasonic ranging gets thermal correction | |
RU2661455C1 (en) | Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation | |
RU2723146C1 (en) | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation | |
KR20140119278A (en) | Method for non-contact, non-power and wireless measurement of temperature by surface acoustic wave | |
RU2350901C1 (en) | Method for detection of dielectric coat thickness | |
RU2000112085A (en) | METHOD FOR RADIOACOUSTIC SOUNDING OF THE ATMOSPHERE | |
RU2756413C1 (en) | Method and device for temperature monitoring based on passive delay lines on surface acoustic waves with anti-collision function | |
Saitoh et al. | Wireless sensor system using surface acoustic wave devices | |
Chivers et al. | A Spectroscopic Method for Measurement of the Ultrasonic Properties of Polymers— | |
JP4024553B2 (en) | Sonic velocity measuring method and sonic velocity measuring apparatus | |
RU2267139C2 (en) | Mode of sounding of atmosphere or ocean | |
Febryarto et al. | Ultrasonic-Based Liquid Level Measurement in Dynamic Dialysate Preparation Chamber |