【文章內(nèi)容簡介】 W 傳感器可以分為如下兩種[11]：延遲線型和諧振器型。延遲型主要采用編碼脈沖或掃頻信號方式激勵(lì)，而后者多采用沖激脈沖或間歇脈沖激勵(lì)。對于延遲型傳感器，當(dāng)外界被測量發(fā)生變化時(shí)，通過傳感器的信號時(shí)延或相位將發(fā)生變化，檢測該時(shí)延或相變，就能確定被測量大小。諧振型聲表面波傳感器僅響應(yīng)與諧振器固有頻率相同或接近的激勵(lì)信號，而固有頻率會(huì)根據(jù)外界被測量變化而發(fā)生變化，所以可以利用諧振器良好的頻率選擇性直接測量反映器件固有頻率的諧振頻率，確定被測量大小。聲表面波技術(shù)有如下特點(diǎn)[12]：（1）聲表面波具有極低的傳播速度和極短的波長，它們各自比相應(yīng)的電磁波的傳播速度和波長小十萬倍。在VHF 和UHF 頻段內(nèi)，電磁波器件的尺寸是與波長相比擬的。因此，在同一頻段上，聲表面波器件的尺寸比相應(yīng)得電磁波器件的尺寸減少了很多，重量也隨之大為減輕。（2）由于聲表面波系沿固體表面?zhèn)鞑?，加上傳播速度極慢，這使得時(shí)變信號在給定瞬時(shí)可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上。于是當(dāng)信號在器件的輸入和輸出端之間行進(jìn)時(shí)，就容易對信號進(jìn)行取樣和變換。這就給聲表面波器件以極大的靈活性，使它能以非常簡單的方式去完成其他技術(shù)難以完成或完成起來過于繁重的各種功能。（3）由于聲表面波器件是在單晶材料上用半導(dǎo)體平面工藝制作的，所以它具有很好的一致性和重復(fù)性，易于大量生產(chǎn)，而且當(dāng)使用某些單晶材料和復(fù)合材料時(shí)，聲表面波器件具有極高的溫度穩(wěn)定性。（4）聲表面波器件的抗輻射能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍很大，可達(dá)100dB。這是因?yàn)樗玫氖蔷w表面的彈性波而不涉及電子的遷移過程。 諧振器型傳感器[13] 諧振器型傳感器的結(jié)構(gòu)諧振型聲表面波無源傳感器結(jié)構(gòu)如圖41所示，也是由壓電基板、叉指換能器(IDT)和左右的反射柵組成。不同的是在該結(jié)構(gòu)中，每一電極的間距是相等的，為L，左、右反射柵與IDT的距離均為d。其中聲反射鏡構(gòu)成一個(gè)聲學(xué)諧振腔，而IDT將激勵(lì)的能量引入和將諧振腔中能量輸出。D天線IDT壓電基片天線左右反射柵吸收材料圖41諧振型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖一個(gè)聲表面波諧振器的性能很大的程度由反射器的特性來決定。一個(gè)高效率的反射器通常由壓電電場短路的金屬指條或質(zhì)量負(fù)載絕緣指條構(gòu)成。由于傳播方向相反的聲表面波中質(zhì)點(diǎn)的水平和垂直位移相差π／2，所以不能同時(shí)滿足兩個(gè)相反傳播波的邊界條件，不能采用通常體波的單個(gè)分離的高效的反射鏡。而必須采用基于反射元陣列的聲表面波反射鏡，該反射器指條陣列分布不連續(xù)，引起許多小的反射，并使這些小的反射相干疊加，形成全發(fā)射；或限制所發(fā)生反射的帶寬，以便去掉與產(chǎn)生聲體波有關(guān)的頻率。目前，有幾種反射柵陣列形式，每一帶條寬和間隔距離皆為四分之一波長。 諧振器型傳感器的工作原理SAW諧振器用作無源無線傳感器的原理是：當(dāng)諧振器基片表面的壓力或周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)它的諧振頻率發(fā)生相應(yīng)變化，因此諧振頻率的變化反映了溫度和壓力參數(shù)的變化，于是通過檢測諧振器的諧振頻率的變化便可實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力參數(shù)的檢測。當(dāng)作為敏感元件的諧振器受到無線查詢信號的激勵(lì)時(shí)，查詢信號的能量經(jīng)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為SAW 的振動(dòng)能量，此時(shí)SAW作受迫振動(dòng)；當(dāng)激勵(lì)信號停止后，SAW在受迫振動(dòng)后殘余能量的作用下作自由振動(dòng)，震動(dòng)頻率因?yàn)楸粶y量如溫度、壓力等的變化而變化，自由振動(dòng)的SAW 信號再經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號并被天線發(fā)射出去。本文基于聲表面波諧振型無源無線壓力溫度傳感器展開設(shè)計(jì)。 TPMS主機(jī)結(jié)構(gòu)TPMS主機(jī)[14]由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成。發(fā)射機(jī)的任務(wù)是產(chǎn)生激勵(lì)信號實(shí)現(xiàn)對敏感單元的有效激勵(lì)；而接收機(jī)實(shí)現(xiàn)獲取傳感信息。發(fā)射機(jī)的構(gòu)成方案比較簡單，其結(jié)構(gòu)框圖見下圖。發(fā)射機(jī)的任務(wù)是發(fā)送查詢信號，其主要指標(biāo)為功率和效率。激勵(lì)源放大器匹配網(wǎng)絡(luò)圖42發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖接收機(jī)的構(gòu)成常使用二次變頻式和一次變頻式。一次變頻方式由于只需一個(gè)本振，因而電路簡單，頻率穩(wěn)定度也較高，一次變頻式的構(gòu)成如圖43 所示。頻帶選擇濾波帶通濾波中頻放大放大器解調(diào)混頻帶通濾波Wn圖 一次變頻結(jié)構(gòu)為了便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)在接收回路上采用一次變頻的構(gòu)成方式；接收機(jī)和發(fā)射機(jī)通過寬帶匹配技術(shù)共用一根天線[15]，減少硬件成本；通過處理器來控制激勵(lì)源發(fā)射查詢信號；傳感器信號的處理采用硬件頻率測量電路和CPU軟件編程相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式[16]，用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制[17]。具體系統(tǒng)構(gòu)成如圖44所示。匹配網(wǎng)絡(luò)功放濾波SAW傳感器低通濾波處理器報(bào)警功放濾波LCD顯示激勵(lì)源混頻器開關(guān)圖44 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作過程分為發(fā)射周期、接收周期和 CPU數(shù)據(jù)處理。在發(fā)射周期，由可調(diào)本征信號源產(chǎn)生高分辨率的控制信號，該控制信號作為高頻合成芯片的信號源輸入；然后通過高頻合成芯片的內(nèi)部倍頻電路得到準(zhǔn)確的激勵(lì)信號，輸出的激勵(lì)信號則通過濾波和放大后經(jīng)單刀雙擲開關(guān)和匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入發(fā)射天線；天線輻射出去的電磁波被SAW傳感器的諧振器接收后，電磁波的能量經(jīng)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為SAW 的振動(dòng)能量，此時(shí)SAW作受迫振動(dòng)；當(dāng)激勵(lì)信號停止后，SAW在受迫振動(dòng)后殘余能量的作用下作自由振動(dòng)，震動(dòng)頻率因?yàn)楸粶y量如溫度、壓力等的變化而變化，自由振動(dòng)的SAW信號再經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號并被天線發(fā)射出去。在接收周期，發(fā)射信號與天線的通道由單刀雙擲開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)而接通回波信號與接收電路的信號通道。發(fā)射周期結(jié)束后，在壓電基片中的叉指電極不再受到激勵(lì)信號的激勵(lì)，則叉指電極和反射柵以本征頻率作自由振動(dòng)，此時(shí)壓電基片中自由振動(dòng)的聲表面波的波速就是經(jīng)過溫度、壓力等調(diào)制后的傳播速度，所以此時(shí)的聲表面波攜帶有溫度、壓力的信息；該聲表面波在傳播的過程中經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號，該信號通過匹配網(wǎng)絡(luò)和與叉指換能器相連的天線輻射出去。該信號被接收電路的天線接收后，經(jīng)過放大后進(jìn)行混頻，實(shí)現(xiàn)下變頻，再通過帶通濾波，進(jìn)入頻率測量電路對該信號的頻率進(jìn)行測量。測量后的結(jié)果傳遞給處理器，再進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)通過處理器控制單個(gè)通道的測量時(shí)間和各個(gè)通道的激勵(lì)信號的頻率輸出，利用以上的工作模式可以測得各個(gè)傳感器的回波信號的頻率。 主要器件的選擇TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器[18]。它們具有16位RISC(精簡指令集)結(jié)構(gòu)，有強(qiáng)大的處理能力，低電壓、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。在此選用MSP430F435，該芯片具有16KB的程序Flash，512B的數(shù)據(jù)RAM；8通道12位ADC。48個(gè)I／O口。128／160段LCD；16位WDT；8bit基本定時(shí)器；16位Timer_A(3個(gè)比較/捕獲寄存器)；16位Timer_B(3個(gè)比較/捕獲寄存器)；1個(gè)USART接口；比較器A；溫度傳感器；有100引腳PZ封裝。本系統(tǒng)采用直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）+鎖相環(huán)(PLL)的方式作為可調(diào)本征信號源。AD9854數(shù)字合成器是高集成度的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號。以AD9854為核心，與雙通道頻率輸出的頻率合成芯片SI4133G[19]相結(jié)合可構(gòu)成可調(diào)信號源。 系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)基于聲表面波壓力溫度傳感器設(shè)計(jì)的電路框圖如下所示。MSP430F435處理器鍵盤LCD低通濾波AD9854數(shù)字合成器SI4133G射頻合成器ADL5330差分放大器T1ADL5353混頻器AD8362檢波器ADL5330差分放大器T2射頻開關(guān)匹配網(wǎng)絡(luò)報(bào)警LM1117電壓調(diào)節(jié)器12v汽車電源接收主機(jī)SAW傳感器圖45 系統(tǒng)構(gòu)成電路原理框圖具體的電路見附圖。本系統(tǒng)通MSP430F435處理器控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)初始化之后，MSP430F435處理器通過控制字使AD9854輸出高精度的本征信號，該本征信號作為高頻信號合成芯片SI4133G的參考頻率輸入；SI4133G 芯片內(nèi)部的倍頻電路根據(jù)頻率合成控制字合成射頻信號輸出，該射頻信號再經(jīng)過放大器以后，經(jīng)由射頻開關(guān)的通道進(jìn)入天線并輻射出去。經(jīng)過一定時(shí)間的激勵(lì)信號輸出后，MSP430F435處理器在控制射頻開關(guān)進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換的同時(shí)，控制AD9854 和SI4133G 輸出一路與射頻信號相差約30MHz的射頻信號。該經(jīng)過放大器后進(jìn)入混頻器，在混頻器里與等幅放大后的回波信號進(jìn)行下變頻，得到大約30MHz的低頻信號。該低頻信號經(jīng)過低通濾波后進(jìn)入頻率測量電路進(jìn)行頻率測量。測量結(jié)果輸入CPU，處理后的結(jié)果通過LCD 進(jìn)行顯示，告知駕駛員。如果其中的一些參數(shù)要進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以通過鍵盤直接輸入。由于所需檢測信號的頻率為未知量，對諧振器的激勵(lì)要在諧振器的響應(yīng)