無線無源聲表面波傳感器

     應(yīng)用

　　這種傳感器具有其獨(dú)特的優(yōu)越性即無需任何能量提供，可實(shí)現(xiàn)絕對無源，解決了有源傳感器的功耗影響問題，另外，由于無線傳感，可以應(yīng)用于劇毒危險(xiǎn)環(huán)境，如某些工業(yè)流程、戰(zhàn)地環(huán)境等等。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械物理量如溫度、濕度、壓力、應(yīng)變以及力矩等的檢測，特別是對壓力的檢測目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用（輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng) TPMS）。除了在扭矩、壓力、溫度、濕度方面的應(yīng)用，無線傳感器在化學(xué)氣體、生物等領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用前景。

　　圖 對于扭矩檢測，SAW傳感器管芯粘貼在片狀管殼的底部

     基本原理

　　無線傳感器的基本原理是：由無線讀取單元（Reader unit）發(fā)射一定頻率的電磁波信號，經(jīng)由無線天線由 SAW 器件的叉指換能器接收轉(zhuǎn)換成 SAW，再由反射器反射回叉指換能器重新轉(zhuǎn)換成電磁波信號由無線天線傳輸回讀取單元，如果在 SAW 器件表面施加物理（如溫度、濕度或者應(yīng)力、壓力等）或者化學(xué)（如氣體吸附等）參量擾動即會引起聲波速度發(fā)生變化，從而引起無線單元接收的反射信號的頻率或者相位發(fā)生相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)對待測參量的無線檢測。無線 SAW 傳感器研究內(nèi)容主要在于兩個(gè)方面，其一是無線讀取單元與無線天線的研制，另外一個(gè)方面則是各種類型 SAW 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制。

     技術(shù)開發(fā)

　　應(yīng)用于無線 SAW 傳感器系統(tǒng)之中的無線讀取單元類似于傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)，因此所有傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中所采用的技術(shù)均可應(yīng)用于無線 SAW 傳感器的讀取單元設(shè)計(jì)之中。目前的無線讀取單元的設(shè)計(jì)技術(shù)大致分為兩類，一種是時(shí)域采樣技術(shù)，包含兩種方式，一種基于脈沖雷達(dá)，這種方式適應(yīng)于快速變換或者移動的檢測對象，通過采用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)簡單的雙工器，但是由于需要快速采樣與信號處理器件，成本較高，另外由于低占空度，因此應(yīng)用范圍較低；另外一種時(shí)域采樣方式采用調(diào)頻雷達(dá)，類似于脈沖式雷達(dá)，但是由于 TB 產(chǎn)品（其中 B 受限于 SAW器件的工作帶寬， 而 T 則限制于發(fā)射機(jī)的初始延時(shí)）的使用改善了占空度，因此擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。無線讀取單元的另外一種設(shè)計(jì)技術(shù)為頻域采樣技術(shù)，也包含兩種類型，其一為利用網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)，這樣即可實(shí)現(xiàn)低成本，降低信號處理元件使用量，具有較高的占空度，但是這種模式僅僅適宜于低速變換對象測量，另外雙工器僅能以一環(huán)形元件或者兩個(gè)獨(dú)立天線組成，接收器設(shè)計(jì)需要有較高的動態(tài)范圍；另外一種頻域采樣技術(shù)則是利用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）設(shè)計(jì)，這種方法類似于前面采用網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)，但是具有更高的動態(tài)分辨率。因此，在無線傳感器讀取單元的設(shè)計(jì)之中，多采用這種頻率采樣模式。根據(jù)歐洲 ISM 規(guī)定，目前主要有兩個(gè)頻段分配于無線 SAW 傳感器讀取單元設(shè)計(jì)：433.0～434.77MHz 與 2.4～2.483MHz。

　　另外，作為無線傳感器的另外一個(gè)重要性能指標(biāo)則是傳感距離 r，其中P0為讀取單元發(fā)射功率， Gi與Ge分別為無線天線增益， λ為波長， kT0為接收天線的噪聲系數(shù)， B系統(tǒng)帶寬， F為系統(tǒng)噪聲， S/N為信噪比， D為SAW器件損耗。由此式可以看出，無線天線與SAW器件性能對傳感距離有著重要影響。目前各種不同結(jié)構(gòu)不同類型如環(huán)形、偶極子、螺旋型以及片狀等具有較寬頻帶、低增益的無線天線廣泛應(yīng)用無線傳感系統(tǒng)，獲得了較好的傳感距離，據(jù)報(bào)道最大傳感距離目前已經(jīng)達(dá)到 6 米以上。