Устройство считывания информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах Российский патент 2021 года по МПК G01D5/12 H01L41/08 H01Q23/00 

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.

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.

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].

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.

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.

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 f₀₁…f_N (например, f₀₁=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 f_R1 и f_R2, по значениям которых определяется величина перемещения ΔX.

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.

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.

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.

В предпочтительном варианте выполнения в качестве детектора использована детекторная головка.

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,

Устройство считывания информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах (ПАВ) поясняется фигурами чертежей, где:

Фиг.1- функциональная схема устройства считывания информации с беспроводного датчика на ПАВ, где обозначено:

1- высокочастотный генератор гармонических колебаний;

2- резистор;

3- детектор;

4- АЦП;

5- вычислитель f(x_i) - F(x_i)=0;

6- ФНЧ;

7- приемопередающая антенна считывателя;

8 -приемопередающая антенна датчика на ПАВ;

9 - датчик на ПАВ;

10- приемопередающий ВШП;

11- отражательный ВШП.

Фиг. 2 - график изменении частотной зависимости параметра S11 антенны при физическом воздействии на датчик на ПАВ.

Фиг. 3 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 500 кГц на датчик на ПАВ.

Фиг. 4 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 50 кГц на датчик на ПАВ.

Фиг. 5 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 5 кГц на датчик на ПАВ.

Фиг. 6 - осциллограмма на выходе детекторной головки при физическом воздействии с частотой 500 Гц на датчик на ПАВ.

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.

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).

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.

В этом случае напряжение U на приемо-передающей антенне 7 с импедансом Z определяют по формуле:

, (1)

где: U_г - амплитуда напряжения на ВЧ генераторе;

R_г - внутреннее сопротивление ВЧ генератора;

R - сопротивление резистора

Z - импеданс приемопередающей антенны считывателя.

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]:

, (2)

где R₀ – сопротивление измерительного прибора.

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.

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.

Пример выполнения.

Датчик на ПАВ 9 представляет собой линию задержки, содержащей один приемо-передающий 10 и один отражательный 11 узкополосные ВШП.

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.

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.

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. R_г=R=50 Ом. Таким образом можно визуально непрерывно наблюдать за изменением измеряемой физической величиной.

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).

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.

Источники информации:

1. RU2296950, 6МПК G01 D5/00 опубл. 27.02.2006.

2. RU 2387051, 6МПК, H01L41/107, G01D5/12, опубл. 20.04.2010).

3.  RU2550697, МПК-2006.01 G01D5/00, B82B1/00, опубл. 10.05.2015.

4. RU2581570, МПК-2006.01 H03H9/25, опубл. 20.04.2016.

5.  RU2585487, МПК-2006.01 G01K 11/24, H01L 41/08, опубл. 27.05.2016.

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.

8. US Patent 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82 от 02.08.2011.

9. RU 2629892, 6МПК Н03Н 31/00, опубл.04.09.2017).

10. RU 2486646, МПК-2006: H01Q 23/00,G01S 13/75, опубл. 27.06.2013.

11. СВЧ – устройства электронных средств. Лекция 1. Матрица рассеяния. Согласующие устройства. https://ppt-online.org/150867.

Изобретение предназначено для использования в системах мониторинга состояния объектов с целью предупреждения непредвиденных ситуаций при контроле быстроменяющихся физических величин. Устройство позволяет следить за измеряемой физической величиной непрерывно и фиксировать все ее изменения во времени, что исключает потерю информации. Высокочастотный генератор гармонических колебаний 1 выдает зондирующий непрерывный радиосигнал одной частоты с постоянной амплитудой на приемо-передающую антенну 7, направленную на приемо-передающую антенну 8 приемного встречно-штыревого преобразователя 10 датчика на поверхностных акустических волнах 9. Модулированный в соответствии с изменением измеряемой физической величины низкочастотный сигнал на выходе детектора 3 поступает на вход АЦП 4, который непрерывно оцифровывает сигналы от датчика 9, который подключен к компьютеру 5, который определяет измеряемую физическую величину в реальном масштабе времени, а с выхода фильтра низких частот снимается временная зависимость измеряемой физической величины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство считывания информации с беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах, содержащее высокочастотный генератор гармонических колебаний, который посылает зондирующий радиосигнал одной частоты с постоянной амплитудой через резистор на приемо-передающую антенну считывателя, направленную на приемо-передающую антенну приемного встречно-штыревого преобразователя датчика на поверхностных акустических волнах, выход резистора подключен к входу детектора, выход которого соединен с входом АЦП, выход которого подключен к входу вычислителя, который определяет дискретные значения измеряемой физической величины x_i из уравнения f(x_i) - F(x_i)=0 в реальном масштабе времени и выход которого соединен с 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 приемо-передающая антенна считывателя одним концом соединена с корпусом генератора гармонических колебаний, а другим концом - с резистором в точке соединения его с входом детектора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве детектора использована детекторная головка.