CN102889923B - 一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器及其应用，所述的振动传感器一方面可以用于射频识别被测对象的身份，同时还用于监测并记录被测对象的振动加速度是否超过设定阈值，所述的声表面波器件包括天线、压电基片、叉指换能器、反射栅和弹性元件，所述的反射栅中数根用于射频标签编码，另外1-3个反射栅与弹性元件连接并构成常开回路，当所述振动传感器感应的振动加速度超过所设定阈值时，反射栅与弹性元件及匹配网络共同构成闭合回路，改变反射回阅读器的回波信号特征，从而该超阈值的振动加速度可以被记录后报警。与现有技术相比，本发明具有测量方法简单、可进行多维和多量程测量、应用广泛等优点。

Description

一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于测量物体振动加速度的装置及应用，尤其是涉及一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器及其应用。

背景技术

射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是一种应用非接触式标签的技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它是适应信息技术和信息社会发展的一项重要实用技术，在高速公路自动收费、物流管理、邮政航空的自动包裹分拣、仓储图书管理、畜牧业监控管理、车辆防盗等诸多领域的智能管理方面具有重大应用前景。在现代物流中，一些货物如陶瓷、玻璃制品、药品等，往往对振动较为敏感，当振动过于剧烈时会导致货物的损坏或失效。对这类物流，除了利用RFID监管物品的输运各环节外，还需要对这些货物进行运输过程中的振动状况实时监测。尤其需要记录在输运过程中是否发生了超过阈值的振动。一旦振动加速度超过了设定的阈值，记录相应货物发生超振动的发生时刻，或者向监控系统发出报警信号以便采取补救措施。

目前，国外有一种RFID使能的无源振动传感器(Todd，B.，Phillips，M.，Schultz，S.M.，Hawkins，A.R.，Jensen，B.D.，2008.“RFID threshold accelerometer.”ProceedingsIEEE AUTOTESTCON 200855-9.)能够实现上述功能。该传感器使用激光切割工艺制造的双稳态机械结构作为振动敏感元件，并且作为电子开关与RFID芯片相连，当振动加速度达到阈值时，开关状态就会发生变化。加速度阈值可通过改变机械敏感元件的质量而改变，但其精度受到激光切割工艺的较大限制，而且RFID读写器的阅读距离非常有限。

采用声表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)技术的射频标签是一种不使用集成电路芯片的纯无源射频识别方法。基于SAW技术的RFID系统由读写器和SAW标签组成。SAW标签由天线、叉指换能器以及反射栅组成。SAW-RFID系统的工作原理与雷达系统相似：当标签上的叉指换能器(IDT，Interdigital Transducer)接收到读写器发送的无线脉冲查询信号后，根据压电材料的逆压电效应，在压电衬底材料上转换为声表面波，该表面波便在压电晶向方向传播。经过一段延迟时间后到达反射栅，一部分能量被反射回IDT，另一部份能量透射继续向前传播。根据正压电效应，被反射回IDT的声表面波脉冲再次被转换成电信号而由标签天线发送回读写器。利用反射回波脉冲的时延、幅值、相位或频率可实现标签编码。

由于SAW-RFID与IC-RFID在原理上的本质区别，它们具有各自不同的特点。SAW-RFID具有以下优点：

1)SAW标签是纯无源的，只是被动地反射查询信号。只要SAW-RFID回波信号能量超过接收机等效热噪声功率即可；IC标签则需要射频信号供能，只有供能信号的能量超过半导体整流电压阈值后才能开始工作。因此，SAW-RFID比IC标签读取范围大，信号穿透能力强，更适用于贴在金属或内含液体的物体表面上。此外，IC标签必须在背面加贴铁氧体等导磁物体，因此增加了标签成本；

2)由于声表面波标签利用的是压电材料，不牵涉半导体材料中电子的迁移过程，因此可在高、低温(-200～500℃)等恶劣环境下使用，可以承受强射线辐照；

3)读取速度快，能用于识别高速运动物体；

4)SAW标签可与声表面波传感技术结合，在完成识别任务的同时，还可对温度、压力、加速度、湿度和气体浓度等参数进行测量并可通过多阅读器实现物体定位。

SAW标签由于其良好的特性被广泛地应用于许多领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量方法简单、可进行多维和多量程测量、无源的基于声表面波射频识别技术的振动传感器及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，用于射频识别被测对象的身份，同时还用于监测并记录被测对象的振动加速度是否超过设定阈值，所述的振动传感器包括声表面波器件和阅读器，所述的声表面波器件包括天线、压电基片、叉指换能器、反射栅和弹性元件，所述的天线、叉指换能器和反射栅均设置在压电基片上，所述的天线与叉指换能器连接，所述的反射栅包括参考反射栅、编码反射栅和测量反射栅，所述的测量反射栅上连接有匹配网络，所述的弹性元件与测量反射栅连接并构成常开回路。

所述的测量反射栅由极性正负交替的叉指电极组成，所述的编码反射栅由开路电极、短路电极或极性正负交替的叉指电极组成。

所述的编码反射栅的编码方式包括开关键控编码、脉冲位置编码、脉冲相位编码和脉冲位置与相位组合调制编码。

所述的弹性元件为电容式加速度传感器或无源加速度传感器。

所述的无源加速度传感器包括弹簧和簧片。

一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器的应用，包括以下步骤：

1)根据实际需要测量的振动加速度的方向和阈值，获得声表面波器件中弹性元件的安置方式和各项具体参数；

2)根据获得的弹性元件的安置方式和各项具体参数，将弹性元件与对应的测量反射栅连接；

3)在被测对象上安置声表面波器件，每个测量反射栅与对应的弹性元件相连并构成一个可开闭的回路；

4)在监测区域内放置阅读器，用以发射和接收射频信号；

5)声表面波器件上的天线接收阅读器发射的脉冲查询信号，经叉指换能器转换为声表面波，声表面波沿压电基片传播，遇到反射栅后产生回波，经叉指换能器转换回电信号，由天线发送回阅读器；

6)当被测对象在某一方向上的加速度达到阈值时，对应的弹性元件将因为形变而接通所在回路，这时与弹性元件相连的测量反射栅所反射的回波信号幅度或相位则会因此而发生改变；

7)阅读器接收到回波信号特征的变化后，据此判断出该方向上的加速度已达到或超过阈值，从而可以记录该振动加速度后报警。

所述的测量反射栅与弹性元件设置有多组，同时测量多个方向上、多阈值的振动加速度。

所述的各项具体参数包括弹性元件的劲度系数、长度和质量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明所涉及的检测原理相对简单，传感器结构并不复杂，易于专业和非专业人员的设计、制作和调试；

2)本发明可对被测对象的振动加速度进行多维和多量程测量，并且当所测振动加速度的方向和量程发生改变时，只需要改变弹性元件的参数和安置方式即可满足新的测量需求，而不用对其它部分做过多改动，这体现了本传感器的灵活可变性；

3)本发明是一种无源传感器，在测量振动加速度的过程中只是被动地反射查询信号，而不需要电源供电；

4)本发明可在高温、低温、强辐射等恶劣环境下进行测量工作，因此可以在较广泛的领域中得到应用。

附图说明

图1为本发明声表面波器件的结构示意图；

图2为本发明实施例1中弹性元件的示意图；

图3为本发明实施例2中弹性元件的示意图；

图4为T型低失配网络；

图5为PI型低失配网络。

图中：101为压电基片，201为叉指换能器，301为天线，401为参考反射栅，501至503为测量反射栅、601为编码反射栅，701至703为匹配网络，801为弹簧，901为簧片，1001至1003为电感，1101至1103为电容。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，用于射频识别被测对象的身份，同时还用于监测并记录被测对象的振动加速度是否超过设定阈值。所述的振动传感器包括声表面波器件和阅读器，所述的声表面波器件包括偶极子301、压电基片101、叉指换能器201、反射栅和弹性元件，所述的天线301、叉指换能器201和反射栅均设置在压电基片101上，所述的天线301与叉指换能器201连接。所述的编码反射栅601共有8根开路电极组成，采用开关键控编码方式，因此共可以区分2⁸种被测对象。所述的压电基片101选择128°YX-LiNbO₃。

如图2所示，本实施例中，弹性元件选取无源加速度传感器中的弹簧801。所述的弹性元件与测量反射栅连接并构成常开回路。当所感应的振动加速度超过所设定阈值，则测量反射栅与弹性元件及匹配网络共同构成闭合回路。为使振动加速度超过设定阈值后测量反射栅501至503的反射回波幅度发生明显改变，所述的测量反射栅上连接有匹配网络701至703，匹配网络可采用如图4所示的T型低失配网络或采用如图5所示的PI型低失配网络。701至703中的电感1001至1003与电容1101至1103取值应根据具体弹簧的等效电感值和测量反射栅的阻抗共同决定。

基于声表面波射频识别技术的振动传感器对被测对象竖直方向上振动加速度的测量过程包括以下步骤：

1)根据实际需求，确定需要测量竖直方向上的振动加速度，包括三个阈值：3g，4g，5g(g为重力加速度)，因此需要设置三个所述的测量反射栅501至503，由极性正负交替的叉指电极组成。

2)将弹簧的单端固定于金属水平面，使其悬浮端可以上下振动，如图2所示。则通过工程力学分析可知，使弹簧悬浮端接触到水平面的竖直方向临界加速度大小为

$a=\frac{(1+{\mathrm{\β}}^2){\mathrm{kD}}^2\tan \mathrm{\α}}{2\mathrm{mH}}-g$

取弹簧长度H＝0.01m，外径D＝1.5×10^-3m，内径d＝1.3×10^-3m，质量m＝1×10^-3kg，弹簧与固定平面的夹角α＝20°，重力加速度g＝10m/s²，

将阈值，即临界加速度a₁＝3g，a₂＝4g，a₃＝5g分别代入此式，求得弹簧1、弹簧2、弹簧3的劲度系数分别为k₁＝557.86N/m，k₂＝697.33N/m，k₃＝836.79N/m。

3)在被测对象上安置声表面波器件，其中测量反射栅501、502、503分别与对应的弹簧1、弹簧2、弹簧3相连并构成可开闭的回路，回路的开闭取决于弹簧悬浮端在受振时的形变量，弹簧的安置方式和具体参数已由上一步确定。

4)在监测区域内适当的位置安放阅读器，用以发射和接收射频信号。阅读器发射的脉冲查询信号经传感器上的叉指换能器转换为声表面波，声表面波沿压电基片传播，遇到反射栅后产生回波，经叉指换能器转换回电信号，由天线发送回阅读器。

5)当被测对象在竖直方向上的振动加速度小于3g时，测量反射栅501、502、503所反射的回波信号幅度均不会发生变化，这时监测系统认为被测对象的振动状况处在可接受的正常范围内。

6)当竖直方向上的振动加速度达到3g时，对应的弹簧1将因为形变而接通所在回路，这时与弹簧1相连的测量反射栅501所反射的回波信号幅度则会因此而发生改变。阅读器接收到该回波信号的变化后，据此判断出振动加速度已达到3g，振动程度应当引起关注。

7)同理，当振动加速度达到4g时，测量反射栅502所反射的回波信号幅度发生改变，系统由此判断出振动状况已达到比较剧烈的程度；振动加速度达到5g时，测量反射栅503所反射的回波信号幅度发生改变，阅读器将向监测系统发出警告，必须采取一定措施以缓解被测对象的振动状况。

实施例2

如图1和图3所示，本实施例的弹性元件选取为微型簧片901，具体实施过程同实施例1。本实施例中编码反射栅601共有7条，按照脉冲相位编码和脉冲位置与相位组合调制编码，共可以区分108种被测对象。

实施例3

参照图1所示，本实施例的弹性元件选取为电容式加速度传感器，具体实施过程同实施例1。

Claims (8)

1.一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，用于射频识别被测对象的身份，同时还用于监测并记录被测对象的振动加速度是否超过设定阈值，其特征在于，所述的振动传感器包括声表面波器件和阅读器，所述的声表面波器件包括天线、压电基片、叉指换能器、反射栅和弹性元件，所述的天线、叉指换能器和反射栅均设置在压电基片上，所述的天线与叉指换能器连接，所述的反射栅包括参考反射栅、编码反射栅和测量反射栅，所述的测量反射栅上连接有匹配网络，所述的弹性元件与测量反射栅连接并构成常开回路；

所述的振动传感器的应用具体包括以下步骤：

1)根据实际需要测量的振动加速度的方向和阈值，获得声表面波器件中弹性元件的安置方式和各项具体参数；

2)根据获得的弹性元件的安置方式和各项具体参数，将弹性元件与对应的测量反射栅连接；

3)在被测对象上安置声表面波器件，每个测量反射栅与对应的弹性元件相连并构成一个可开闭的回路；

4)在监测区域内放置阅读器，用以发射和接收射频信号；

5)声表面波器件上的天线接收阅读器发射的脉冲查询信号，经叉指换能器转换为声表面波，声表面波沿压电基片传播，遇到反射栅后产生回波，经叉指换能器转换回电信号，由天线发送回阅读器；

6)当被测对象在某一方向上的加速度达到阈值时，对应的弹性元件将因为形变而接通所在回路，这时与弹性元件相连的测量反射栅所反射的回波信号幅度或相位则会因此而发生改变；

7)阅读器接收到回波信号特征的变化后，据此判断出该方向上的加速度已达到或超过阈值，从而可以记录该振动加速度后报警。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，其特征在于，所述的测量反射栅由极性正负交替的叉指电极组成，所述的编码反射栅由开路电极、短路电极或极性正负交替的叉指电极组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，其特征在于，所述的编码反射栅的编码方式包括开关键控编码、脉冲位置编码、脉冲相位编码和脉冲位置与相位组合调制编码。

4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，其特征在于，所述的弹性元件为电容式加速度传感器或无源加速度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器，其特征在于，所述的无源加速度传感器包括弹簧或簧片。

6.一种如权利要求1所述的基于声表面波射频识别技术的振动传感器的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据实际需要测量的振动加速度的方向和阈值，获得声表面波器件中弹性元件的安置方式和各项具体参数；

2)根据获得的弹性元件的安置方式和各项具体参数，将弹性元件与对应的测量反射栅连接；

3)在被测对象上安置声表面波器件，每个测量反射栅与对应的弹性元件相连并构成一个可开闭的回路；

4)在监测区域内放置阅读器，用以发射和接收射频信号；

5)声表面波器件上的天线接收阅读器发射的脉冲查询信号，经叉指换能器转换为声表面波，声表面波沿压电基片传播，遇到反射栅后产生回波，经叉指换能器转换回电信号，由天线发送回阅读器；

6)当被测对象在某一方向上的加速度达到阈值时，对应的弹性元件将因为形变而接通所在回路，这时与弹性元件相连的测量反射栅所反射的回波信号幅度或相位则会因此而发生改变；

7)阅读器接收到回波信号特征的变化后，据此判断出该方向上的加速度已达到或超过阈值，从而可以记录该振动加速度后报警。

7.根据权利要求6所述的一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器的应用，其特征在于，所述的测量反射栅与弹性元件设置有多组，同时测量多个方向上、多阈值的振动加速度。

8.根据权利要求6所述的一种基于声表面波射频识别技术的振动传感器的应用，其特征在于，所述的各项具体参数包括弹性元件的劲度系数、长度和质量。