无源无线传感器设计开题报告.docVIP

开题报告 一、研究背景和课题意义 模仿人的感觉功能的智能化传感器，是现代传感技术的前沿和重要的研究内容之一。随着智能化、自动化技术发展，以及智能结构材料系统的深入研究，人们希望现代的智能结构单元和系统能够自诊断、自适应和自控制[1]。 天线型传感器采用天线收集空间的电磁能量，然后高效地转化为其它形式的能量，它能感知被测量的大小，然后，将被调制的传感量通过天线高效地转化成电磁能量发送给远端的接收系统，实现无源无线的传感和测量。由于能量转换方式的不同，从理论上它比电感耦合的传感器有更远的测量距离。 目前，声表面波器件是将天线的电磁能直接、高效转换为声能进行传感的最佳器件之一。而声表面波传感器(SAWS)是一种将声表面波技术与电子技术结合起来的新型传感器，它将各种非电量信息，如：压力、温度、流量、磁场强度、加速度等的变化转换为声表面波振荡器振荡频率的变化。这种频率输出的特点比起一般用电压、电流输出的传感器来讲．测量精度可以明显提高。同时，它可省去A/D转换而可直接用于自动控制，便于实现传感器的智能化。另外，由于SAWS是采用先进的半导体制作工艺完成的，因此器件的重复性、一致性好．便于集成化、小型化和批量生产[2]。 由于该无源无线传感器无需电能，体积小，传感距离较远，测量方便，成本较低，传感的参量多，还可构造成分布式和阵列传感器，并可应用于许多传统传感器无法应用的场合，因此，它是非常理想的传感器。随着传感效率和传输距离的进一步提高，它极有可能取代现有的许多其它传感器。因此，对无源无线传感器的研究具有重要的实用意义[1]。近十多年来，国外投入较多力量开发。据资料报导，当前对一些物理量敏感的SAWS已有产品，进一步还在开发的是对化学量敏感的SAWS以及智能化、多功能化的SAWN[2]。二、国内外现状和可行性分析 1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声－电换能器― 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。在1987年无源无线SAW传感器首次被报道。最近几十年无源无线SAW传感器的应用得到了蓬勃的发展。该类传感器最初应用于监测火车车厢圆盘刹车的温度，后来用于测量扭矩力、位移、振动、加速度等物理量，如智能轮胎传感器已用于监测轮胎的压力和轮胎与路面之间的摩擦力。目前已研制出湿度压力位置加速度磨损磁场和电流声表面波传感器。 目前对无源无线SAW传感器的研究主要集中在美国，德国和日本。在上个世纪90年代后期，我国对该类型传感器的研究，在清华，上海交大和浙江大学等高校才开始，主要产品是声表面波滤波器，研究的内容主要集中在传感器系统的建立上[3]。 无源无线SAW谐振式延时线性传感器已被应用在测量旋转器件的温度、机械压力等领域。例如，谐振式SAW传感器被用于自动轮胎压力监测系统（TPMS），电子电源汽车协助转向系统的扭转力测量，汽车的动力传动系统控制和引擎管理系统等[4]。三、研究方案 无源无线声表面波传感器系统 无源无线声表面波传感器系统主要由无源无线声表面波传感器和远端质询系统两部分组成。以下就这两部分内容阐述整个系统，针对该项目无源无线声表面波温度传感器进行具体分析。 声表面波温度传感器 本项目所用的声表面波传感器为单端口谐振型声表面波温度传感器，主要结构由压电基底、叉指电极（IDT）和反射栅构成，其中反射栅构成声学谐振腔，叉指电极则将激励信号的能量导入和将谐振腔内的能量导出，结构如图1所示。 图1 单端口谐振型声表面波传感器内部结构 谐振器频率取决于叉指换能器的叉指间距和波传播速度，如公式(3.1)所示。 （3.1） 式中，V是在基底上传播的声表面波波速，为叉指电极的周期。 当声表面波谐振器压电基片的温度变化时，会引起声表面波传播速度和反射栅间距的变化，从而引起谐振器谐振频率变化，即 （3.2） 但由于温度变化引起基片的尺寸变化较小，因此 （3.3） 式中，TCF为频率温度系数。 由于频率温度系数是由压电基底的材料和切向决定，故当声表面波传感器的压电材料和切型选定后，温度传感器的频率温度系数TCF即成为常数。从而当环境温度发生变化时，传感器的谐振频率也以频率温度系数为比例发生改变，以实现温度的测量。 由实验室项目所做传感器可知，本项目所用的声表面波传感器压电基底材料为YX切型石英晶体，理论TCF值为37.3ppm/℃。 射频质询系统 本硬件系统采用射频质询方式，即质询器通过天线发出射频质询信号，为传感器提供能量；传感器获取能量后将待测的物理信号转换为频率信号或相位信号通过天线响应质询器；然后质询器再将接收到的射频响应信号通过处理转化为对应的物理量