本實用新型涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用聲表面?zhèn)鞲衅骷钆c查詢的裝置。

背景技術(shù)：

聲表面波(surface acoustic wave，以下簡稱SAW)傳感器對許多物理、化學(xué)或生物量敏感，已在溫度監(jiān)測、扭矩測量、氣壓監(jiān)測以及生化檢測等方面得到了較深入的研究。

但是一般情況下SAW傳感器為無源系統(tǒng)，也就是說需要外部激勵信號去激勵SAW傳感器，然后SAW傳感器發(fā)出回波，通?；夭ㄏ鄬钚盘柕念l偏就攜帶有這些物理、化學(xué)或生物量的信息，例如溫度、扭矩、氣壓等。對SAW傳感器進行激勵，并接收傳感器回波進行頻偏測定的裝置就是聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置，也稱為閱讀器。在圖1中，左側(cè)裝置為閱讀器，右側(cè)裝置為無源SAW傳感器。

聲表面波傳感器是一種新型傳感器，它具有體積小,精度高,靈敏度高,抗干擾能力強、容易與數(shù)字化測試系統(tǒng)連接等優(yōu)點。SAW諧振器可以工作在30MHz--3GHz頻率范圍，因此它可直接將射頻電磁波轉(zhuǎn)換成SAW或?qū)AW轉(zhuǎn)換成射頻電磁波，無需電源供電。這一特性使得以SAW諧振器為傳感元的諧振器型SAW傳感器可以實現(xiàn)無源、無線傳感，在無源、無線單端對SAW諧振器型傳感器中，間歇發(fā)送脈沖信號到傳感元，在兩次發(fā)送間歇接收被傳感元返回的回波信號。該信號是諧振器的瞬態(tài)輸出信號，它已受被測量調(diào)制，是一個以諧振器的諧振頻率振蕩的衰減信號。當外界環(huán)境變化時SAW諧振器的諧振頻率隨之改變，因此從回波信號中獲得諧振頻率，就能提取出傳感的被測量信息。

現(xiàn)有技術(shù)中某些SAW閱讀器的如圖2所示，未在接收鏈路中使用開關(guān)進行隔離。因此在激勵信號發(fā)射階段激勵信號會泄漏到接收鏈路，導(dǎo)致自動增益控制模塊將低噪放大器的增益降低，影響回波接收的靈敏度。

現(xiàn)有技術(shù)中的另外一些SAW閱讀器如圖2、3所示。有的在發(fā)射鏈路中不設(shè)置開關(guān)，要么設(shè)置開關(guān)，但是開關(guān)的位置在功放之后。在發(fā)射鏈路中不設(shè)置開關(guān)會導(dǎo)致激勵信號泄漏到接收鏈路(不管是激勵信號發(fā)射階 段還是在回波接收階段)，大大降低回波信號信噪比。如果在功放之后設(shè)置開關(guān)，因為此時信號源還在工作，還會有部分激勵信號在回波接收階段泄漏到接收鏈路中。

在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，控制模塊負責生成開關(guān)控制信號。開關(guān)控制信號是數(shù)字脈沖，來自于數(shù)字芯片(DSP、MCU以及FPGA等)的管腳輸出，因此不可避免的帶有過沖(上沖或者下沖)現(xiàn)象(見圖4)。過沖主要發(fā)生在數(shù)字脈沖的開始與結(jié)束時刻，會使得開關(guān)的開啟與閉合不穩(wěn)定。如果在回波接收階段，由于開關(guān)控制信號過沖，會使得開關(guān)閉合時，破壞回波信號的完整，降低接收信號信噪比。在激勵信號發(fā)射階段，由于開關(guān)控制信號過沖，會使得開關(guān)閉合、斷開的時候，破壞激勵信號的完整性，影響激勵效果(見圖5、圖6)。

由于無源聲表面波傳感器沒有電源，只是依靠外部電磁波的激勵產(chǎn)生回波，因此有效回波的有效長度極短，一般在10us左右。另外，由于傳感器回波的頻偏中攜帶了溫度的信息，需要測量計算出此頻偏。根據(jù)FFT理論，頻率的分辨率取決于下式：

$\frac{f_s}{N}=\frac{f_s}{{\mathrm{LT}}_s}=\frac{1}{L}$

其中，fs為回波信號采樣率，Ts為回波信號采樣周期，L為回波時長。從式可以看出，一味地提高回波信號的采樣速率，對于頻頻的分辨率是沒有用處的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型提供一種改進的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置。

本實用新型采用如下技術(shù)方案，構(gòu)造聲表面波傳感器激勵與查詢裝置，它包括發(fā)射鏈路，接收鏈路，過沖整形模塊，選擇開關(guān)以及控制模塊；

發(fā)射鏈路，用于在過沖整形模塊的控制下發(fā)射激勵信號，其輸入端連接控制模塊，其輸出端連接選擇開關(guān)；

接收鏈路，用于在過沖整形模塊的控制下接收回波信號，其輸入端連接選擇開關(guān)，其輸出端連接外部設(shè)備；

過沖整形模塊，用于將控制模塊生成的開關(guān)控制信號的過沖消除掉，其輸入端連接控制模塊，其輸出端分別與發(fā)射鏈接，接收鏈路和選擇開關(guān)的控制端連接；

選擇開關(guān)，根據(jù)接收到的來自過沖整形模塊的開關(guān)控制信號，選擇發(fā)射鏈路或者接收鏈路的導(dǎo)通，其一端與天線連接；

控制模塊，用于配置發(fā)射鏈路和接收鏈路中信號源的輸出頻率，同時生成開關(guān)控制信號。

優(yōu)選的，所述接收鏈路包括控制端與過沖整形模塊一輸出端連接的開關(guān)S2，開關(guān)S2根據(jù)過沖整形模塊輸出的控制信號，控制接收鏈路的通斷。

優(yōu)選的，所述發(fā)射鏈路包括開關(guān)S1，鎖相環(huán)1，功放2；

開關(guān)S1，根據(jù)過沖整形模塊輸出的控制信號，控制發(fā)射鏈路的通斷，其輸出端連接鎖相環(huán)1，其控制端連接過沖整形模塊的一輸出端；

鎖相環(huán)1，用于鎖定信號源輸出激勵信號的頻率，其輸出端和反饋端連接功放2；

功放2，用于對信號源輸出激勵信號進行放大。

優(yōu)選的，它還包括回波信號處理模塊，回波信號處理模塊，用于對聲表面波傳感器輸出的回波信號進行FFT處理，輸出頻偏，其輸入端連接接收鏈路和控制模塊；所述控制模塊，還用于向回波信號處理模塊提供回波到來通知信號。

本實用新型還提供一種聲表面波傳感器激勵與查詢裝置的回波頻偏獲取方法，它包括如下步驟：

A1:利用最大譜線及其相鄰的1根“第二大”譜線進行插值來確定真實頻率位置。對回波離散信號s(n)作N點FFT處理，最大譜線值記為|S(k₀)|，第二大譜線值記為|S(k₀+r)|，則得到的頻率估計值為：

${\hat{f}}_0=\frac{1}{{\mathrm{NT}}_s}\[k_0+m\frac{\left|S(k_0+m)\right|}{\left|S(k_0+m)\right|+\left|S\left(k_0\right)\right|}\]$

其中，當|S(k₀+1)|≥|S(k₀-1)|時，m＝1；|S(k₀+1)|＜|S(k₀-1)|時，m＝-1；

A2:計算δ：

A3:如果則頻率估計值為：

A4:如果則頻率估計值為:

${\hat{f}}_0=\frac{1}{{\mathrm{NT}}_s}\[k_0+\frac{\tan (\mathrm{\π}/N)}{\mathrm{\π}/N}\·real\left\{\frac{\left|S(k_0-1)\right|-\left|S(k_0+m)\right|}{2\left|S\left(k_0\right)\right|-\left|S(k_0+1)\right|-\left|S(k_0-1)\right|}\right\}\].$

本實用新型的有益技術(shù)效果是：

1.在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，控制模塊負責生成開關(guān)控制信號。開關(guān)控制信號是數(shù)字脈沖，來自于數(shù)字芯片(DSP、MCU以及FPGA等)的管腳輸出，因此不可避免的帶有過沖(上沖或者下沖)現(xiàn)象。過沖主要發(fā)生在數(shù)字脈沖的開始或結(jié)束時刻，會使得開關(guān)的開啟與閉合不穩(wěn)定。如果在回波接收階段，由于開關(guān)控制信號過沖，會使得開關(guān)動作時，破壞回波信號的完整，降低接收信號信噪比。而在激勵信號發(fā)射階段，由于開關(guān)控制信號過沖，會使得開關(guān)動作的時候，破壞激勵信號的完整性，影響激勵效果。為了保證激勵信號與回波信號的完整性，因此本實用新型使用過沖整形電路消除了開關(guān)控制信號的過沖。

2.在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，未在接收鏈路使用開關(guān)進行隔離。因此在激勵信號發(fā)射階段激勵信號會泄漏到接收鏈路，導(dǎo)致自動增益控制模塊將低噪放大器的增益降低，影響回波接收的靈敏度。而本實用新型中在激勵信號發(fā)射階段，使用開關(guān)S0與S2進行雙重隔離。在激勵信號發(fā)射階段，開關(guān)S2斷開，開關(guān)S0連接在發(fā)射鏈路，在雙重開關(guān)的隔離下，激勵信號泄露到接收鏈路的能量很小，不會使自動增益控制將LNA2的增益降低，提高了回波接收的靈敏度。

3.在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，有的在發(fā)射鏈路中不設(shè)置開關(guān)，要么設(shè)置開關(guān)，但是開關(guān)的位置在功放之后。在發(fā)射鏈路中不設(shè)置開關(guān)會導(dǎo)致激勵信號泄漏到接收鏈路(不管是激勵信號發(fā)射階段還是在回波接收階段)，大大降低回波信號信噪比。如果在功放之后設(shè)置開關(guān)，因為此時信號源還在工作，還會有部分激勵信號在回波接收階段泄漏到接收鏈路中。而在本實用新型中，在發(fā)射鏈路的開關(guān)S1閉合的時候，鎖相環(huán)1開始工作，當鎖相環(huán)1鎖定激勵信號頻率的時候，鎖相環(huán)1才將功放2啟動輸出激勵信號。因此功放2激勵信號從起始階段頻率是完 整的，同時幅度也是完整的。在發(fā)射鏈路的開關(guān)S1斷開的時候，鎖相環(huán)1立刻關(guān)閉自身與功放2的激勵信號輸出，使得激勵信號結(jié)束時頻率與幅度保持完整。同時在回波接收階段，沒有激勵信號泄漏到接收鏈路，提高了回波接收信號的信噪比。

4.因此本實用新型提出一種方法，可以在fs較小的情況下(但是需要滿足采樣定理)，也能達到較好的頻偏分辨率。這種方法顯著的降低了信號處理器件的成本。

【附圖說明】

圖1現(xiàn)有技術(shù)一中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置示意圖；

圖2現(xiàn)有技術(shù)二中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置電路組成示意圖；

圖3現(xiàn)有技術(shù)三中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置電路組成示意圖；

圖4現(xiàn)有技術(shù)中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置的開關(guān)控制信號的波形圖；

圖5現(xiàn)有技術(shù)中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置接收階段激勵信號的波形圖；

圖6現(xiàn)有技術(shù)中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置發(fā)射階段激勵信號的波形圖；

圖7實施例一中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置組成框圖；

圖8實施例一中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置發(fā)射階段激勵信號的波形圖；

圖9實施例一中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置接收階段激勵信號的波形圖；

圖10實施例一中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置的過沖整形電路電路原理圖；

圖11實施例一中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置獲取的頻偏波形圖。

【具體實施方式】

為了使本專利的技術(shù)方案和技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例對本專利的具體實施方式進行詳細描述。

實施例一：

如圖7，本實施例中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置，包括發(fā)射鏈路，接收鏈路，回波信號處理模塊，過沖整形模塊，選擇開關(guān)以及控制模塊。

發(fā)射鏈路，用于在過沖整形模塊的控制下發(fā)射激勵信號，其輸入端連接控制模塊，其輸出端連接選擇開關(guān)。

接收鏈路，用于在過沖整形模塊的控制下接收回波信號，其輸入端連接選擇開關(guān)，其輸出端連接外部設(shè)備。

回波信號處理模塊，用于對聲表面波傳感器輸出的回波信號進行FFT處理，輸出頻偏，其輸入端連接接收鏈路和控制模塊。

過沖整形模塊，用于將控制模塊生成的開關(guān)控制信號的過沖消除掉，其輸入端連接控制模塊，其輸出端分別與發(fā)射鏈接，接收鏈路和選擇開關(guān)的控制端連接。

選擇開關(guān)，根據(jù)接收到的來自過沖整形模塊的開關(guān)控制信號，選擇發(fā)射鏈路或者接收鏈路的導(dǎo)通，其一端與天線連接。

控制模塊，用于配置兩個信號源的輸出頻率，同時生成開關(guān)控制信號，以及向回波信號處理模塊提供回波到來通知信號。

發(fā)射鏈路，包括信號源1，開關(guān)S1，鎖相環(huán)1，功放1，功放2和帶通濾波器1。

信號源1，用于產(chǎn)生特定頻率的高頻信號，其輸入端連接控制模塊，其輸出端連接開關(guān)S1。

開關(guān)S1，根據(jù)過沖整形模塊輸出的控制信號，控制發(fā)射鏈路的通斷，其輸出端連接鎖相環(huán)1。

鎖相環(huán)1，用于鎖定激勵信號的頻率，其輸出端和反饋端連接功放2。

功放2和功放1串聯(lián)，用于對激勵信號進行放大，功放1的輸出端連接帶通濾波器1。

帶通濾波器1，用于濾除激勵信號中的雜波分量，其輸出端連接選 擇開關(guān)S0。

接收鏈路，包括信號源2，鎖相環(huán)2，帶通濾波器2，低噪放大器1，開關(guān)S2，自動增益控制單元，低噪放大器2，下變頻器，中頻放大器，低通濾波器，模數(shù)變換單元。

信號源2，用于產(chǎn)生特定頻率的高頻信號，其輸入端連接控制模塊，其輸出端連接鎖相環(huán)2。

鎖相環(huán)2，用于鎖定激勵信號的頻率，其輸出端連接下變頻器。

帶通濾波器2，用于濾除回波中的雜波分量，其輸入端連接選擇開關(guān)S0，其輸出端連接低噪放大器1。

低噪放大器1，用于放大回波，其輸出端連接開關(guān)S2。

開關(guān)S2，根據(jù)過沖整形模塊輸出的控制信號，控制接收鏈路的通斷，其輸出端連接自動增益控制單元。

自動增益控制單元，根據(jù)回波信號的強弱自動調(diào)節(jié)低噪放大器2的放大增益，其輸出端連接低噪放大器2。

低噪放大器2，用于放大回波，其輸出端連接下變頻器。

下變頻器，用于將回波和激勵信號產(chǎn)生本振信號，同時調(diào)制回波到低中頻，其輸出端連接中頻放大器。

中頻放大器，用于放大調(diào)制后的回波，其輸出端連接低通濾波器。

低通濾波器，用于濾除回波中的高頻分量，其輸出端連接模數(shù)變換單元。

模數(shù)變換單元，用于將回波轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

本實施例中的聲表面波傳感器激勵與查詢裝置工作原理如下：

在激勵信號發(fā)射階段，首先控制模塊配置信號源1、2的輸出頻率，然后輸出開關(guān)控制脈沖，開關(guān)控制脈沖經(jīng)過過沖整形，控制S1關(guān)閉，S2斷開，S0接通發(fā)射鏈路。在發(fā)射鏈路的開關(guān)S1閉合的時候，鎖相環(huán)1開始工作，當鎖相環(huán)1鎖定激勵信號頻率的時候，鎖相環(huán)1才將功放2啟動輸出激勵信號。因此功放2激勵信號從起始階段頻率是完整的，同時幅度也是完整的(見圖8)。在發(fā)射鏈路的開關(guān)S1斷開的時候，鎖相環(huán)1立刻關(guān)閉自身與功放2的激勵信號輸出，使得激勵信號結(jié)束時頻率與幅度保持完整。 同時在回波接收階段，沒有激勵信號泄漏到接收鏈路，提高了回波接收信號的信噪比(見圖9)。其中，開關(guān)控制脈沖過沖整形電路如圖10所示：

在回波信號接收階段，控制模塊輸出的開關(guān)控制信號將S1斷開，將S2閉合，將S0接到接收鏈路。此時回波信號經(jīng)過低噪放大器1，觸發(fā)自動增益控制，然后低噪放大器2繼續(xù)放大回波。在下變頻器中，信號源2與鎖相環(huán)2共同產(chǎn)生本振信號，將回波信號降到低中頻。后續(xù)經(jīng)過中頻放大與濾波，通過模數(shù)變換器將中頻回波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

最后，由控制模塊通知回波信號處理模塊讀取回波數(shù)字信號，并進行FFT操作，獲取頻偏信息(見圖11)。具體獲取頻偏的方法如下：

A1、首先利用最大譜線及其相鄰的1根“第二大”譜線進行插值來確定真實頻率位置。對回波離散信號s(n)作N點FFT處理，最大譜線值記為|S(k₀)|，第二大譜線值記為|S(k₀+r)|，則得到的頻率估計值為：

${\hat{f}}_0=\frac{1}{{\mathrm{NT}}_s}\[k_0+m\frac{\left|S(k_0+m)\right|}{\left|S(k_0+m)\right|+\left|S\left(k_0\right)\right|}\]$

其中，當|S(k₀+1)|≥|S(k₀-1)|時，m＝1；|S(k₀+1)|＜|S(k₀-1)|時，m＝-1。

A2、計算δ：

A3、如果則頻率估計值為：

A4、如果則頻率估計值為：

${\hat{f}}_0=\frac{1}{{\mathrm{NT}}_s}\[k_0+\frac{\tan (\mathrm{\π}/N)}{\mathrm{\π}/N}\·real\left\{\frac{\left|S(k_0-1)\right|-\left|S(k_0+m)\right|}{2\left|S\left(k_0\right)\right|-\left|S(k_0+1)\right|-\left|S(k_0-1)\right|}\right\}\]$

由上述工作過程可見，在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，控制模塊負責生成開關(guān)控制信號。開關(guān)控制信號是數(shù)字脈沖，來自于數(shù)字芯片(DSP、MCU以及FPGA等)的管腳輸出，因此不可避免的帶有過沖(上沖或者下沖)現(xiàn)象。過沖主要發(fā)生在數(shù)字脈沖的開始或結(jié)束時刻，會使得開關(guān)的開啟與閉合不穩(wěn)定。如果在回波接收階段，由于開關(guān)控制信號過沖，會使得開關(guān)動作時，破壞回波信號的完整，降低接收信號信 噪比。而在激勵信號發(fā)射階段，由于開關(guān)控制信號過沖，會使得開關(guān)動作的時候，破壞激勵信號的完整性，影響激勵效果。因此本系統(tǒng)中，為了保證激勵信號與回波信號的完整性，使用過沖整形電路消除開關(guān)控制信號的過沖。

在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，未在接收鏈路使用開關(guān)進行隔離。因此在激勵信號發(fā)射階段激勵信號會泄漏到接收鏈路，導(dǎo)致自動增益控制模塊將低噪放大器的增益降低，影響回波接收的靈敏度。而本實施例在激勵信號發(fā)射階段，使用開關(guān)S0與S2進行雙重隔離。在激勵信號發(fā)射階段，開關(guān)S2斷開，開關(guān)S0連接在發(fā)射鏈路，在雙重開關(guān)的隔離下，激勵信號泄露到接收鏈路的能量很小，不會使自動增益控制將LNA2的增益降低，提高了回波接收的靈敏度。

在當前的聲表面波(SAW)傳感器激勵與查詢裝置中，有的在發(fā)射鏈路中不設(shè)置開關(guān)，要么設(shè)置開關(guān)，但是開關(guān)的位置在功放之后。在發(fā)射鏈路中不設(shè)置開關(guān)會導(dǎo)致激勵信號泄漏到接收鏈路(不管是激勵信號發(fā)射階段還是在回波接收階段)，大大降低回波信號信噪比。如果在功放之后設(shè)置開關(guān)，因為此時信號源還在工作，還會有部分激勵信號在回波接收階段泄漏到接收鏈路中。而在本實施例中，在發(fā)射鏈路的開關(guān)S1閉合的時候，鎖相環(huán)1開始工作，當鎖相環(huán)1鎖定激勵信號頻率的時候，鎖相環(huán)1才將功放2啟動輸出激勵信號。因此功放2激勵信號從起始階段頻率是完整的，同時幅度也是完整的。在發(fā)射鏈路的開關(guān)S1斷開的時候，鎖相環(huán)1立刻關(guān)閉自身與功放2的激勵信號輸出，使得激勵信號結(jié)束時頻率與幅度保持完整。同時在回波接收階段，沒有激勵信號泄漏到接收鏈路，提高了回波接收信號的信噪比。

由于無源聲表面波傳感器沒有電源，只是依靠外部電磁波的激勵產(chǎn)生回波，因此有效回波的有效長度極短，一般在10us左右。另外，由于傳感器回波的頻偏中攜帶了溫度的信息，需要測量計算出此頻偏。根據(jù)FFT理論，頻偏的分辨率取決于下式：

$\frac{f_s}{N}=\frac{f_s}{{\mathrm{LT}}_s}=\frac{1}{L}$

其中，fs為回波信號采樣率，Ts為回波信號采樣周期，L為回波時長。從上式可以看出，一味地提高回波信號的采樣速率，對于頻偏的分 辨率是沒有用處的。因此本實施例提出一種方法，可以在fs較小的情況下(但是需要滿足采樣定理)，也能達到較好的頻偏分辨率。這種方法顯著的降低了信號處理器件的成本。

以上所述僅為本專利的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本專利，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本專利可以有各種更改和變化。凡在本專利的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本專利的保護范圍之內(nèi)。