声波传感器质询的制作方法

声波传感器质询
1.本发明涉及声波型无源传感器，具体涉及无源表面声波或体声波传感器的质询。
2.传感器越来越重要，并且在日常生活中变得越来越普遍。微机电系统(mems)是满足传感器性能提高以及尺寸和成本降低的需求的一种有吸引力的选择。表面声波(saw)传感器，以及在较低程度上的体声波(baw)传感器或兰姆波或勒夫波声传感器，由于包括例如温度、压力、应变和扭矩的多种可测量的环境参数而提供了特别有利的选择。
3.声波传感器利用压电效应将电信号转换成机械/声波。基于saw的传感器构建在如石英(sio2)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)、硅酸镓镧(lgs)的单晶压电材料上或构建在如氮化铝(aln)或氧化锌(zno)的多晶压电材料上，特别是淀积在硅上，或甚至淀积在包括压电材料层的绝缘体上压电(poi)复合材料上，具体地如钽酸锂或铌酸锂的单晶材料，该压电材料层接合到例如硅的支撑衬底上，如果需要则该接合借助于例如氧化硅层的接合层(通常，单晶压电材料与非压电衬底的任意组合，由于非压电衬底特定性质如热稳定性或声学质量而使用)。换能器，在表面声波传感器的情况下叉指换能器(idt)，将电信号的电能转换为声波能量。声波经由所谓的延迟线穿过装置衬底的表面(或体)传播到另一换能器，特别是idt，该换能器将声波转换回可以被检测的电信号。在一些装置中，提供机械吸收器和/或反射器以防止干涉图案并减少插入损耗。在一些装置中，另一(输出)idt由反射器代替，该反射器将所产生的声波反射回(输入)idt，该(输入)idt可以耦接到用于传感器装置的远程质询的天线。有利地，测量可以完全无源地执行，即传感器不需要由电源供电。
4.一类特定的声传感器包括表现出根据变化的环境状况而变化的谐振频率的谐振器。例如，传统的表面波谐振器包括具有设置在布拉格反射镜之间的叉指梳的电声换能器。在谐振频率下，满足反射器之间的同步条件，使得可以获得在反射器下发生的不同反射的相干叠加。然后在共振腔内观察到声能的最大值，并且从电的观点来看，观察到由换能器接纳的电流的幅度的最大值。差分声波传感器可以包括呈现出不同谐振频率的两个或更多个谐振器或以多模(多个谐振频率)工作的谐振器，其中测量到的频率的差异反映了环境参数的变化，例如温度或应变。
5.然而，虽然有最近的工程过程，整个质询过程仍存在苛刻的技术问题，在质询过程中质询器发送适当的射频信号，射频信号由声波传感器经由接收天线接收并由换能器转换成沿延迟线传播的表面声波(或体波，在体声波传感器类型的装置的情况下)，表面声波被转换成射频信号，射频信号经由发送天线重新发送并由质询器接收和分析。特别地，在通常使用的ism(工业的、科学的和医学的)频带中，例如在具有434mhz或2.45ghz的中心频率的频带中存在的射频噪声导致读取/解释误差，其影响由传感器装置提供的响应光谱的生成和分析的质量。
6.因此，本发明的目的是提供与现有技术相比具有增加的信噪比的用于质询声波传感器的装置和方法。
7.本发明通过提供一种用于质询声波传感器的质询装置来解决上述目的，该质询装置包括：发送天线，所述发送天线配置成向声波传感器发送质询射频信号；接收天线，所述接收天线被配置成从声波传感器接收响应射频信号；以及处理单元，所述处理单元用于处
理/分析响应射频信号，以确定要感测的环境参数。例如，环境参数可以是要监测的某一目标样品的温度、压力或应变水平。
8.处理单元(例如可以包括标准cpu、微处理器或微控制器)被配置成确定响应射频信号的n个连续帧(第1帧，第2帧
…
，第n帧)的各帧中的所接收的响应射频信号的同相分量i和正交分量qn是大于1的整数，其中n个帧的各帧包括x个采样点(采样点例如是在给定频率下测量信号的实部和虚部的点)。根据另选方案，1)借助于范数和加权函数进一步处理所确定的同相分量i和正交分量q的各对的模量(绝对幅度)，或者2)分别借助于i范数和q范数以及i加权函数和q加权函数进一步处理所确定的同相分量i和正交分量q。还应当注意，根据这两种另选方案的处理通常可以至少部分地在时域或频域中执行。
9.根据第一另选方案，针对n个帧的各帧的x个采样点，由处理单元计算模量：
10.[算式1]
[0011][0012]
基于所计算的模量来计算第一范数。基于所确定的第一范数m和所确定的模量|y|确定第一加权函数w。确定所接收的响应射频信号的第n 1帧(例如，直接跟随第n帧)的同相分量i和正交分量q，该第n 1帧包括所接收的响应射频信号的x个采样点。确定第n 1帧的所确定的同相分量i和正交分量q的各对的模量|y|，并将第一加权函数w应用于所确定的第n 1帧中的所接收的响应射频信号的模量|y|，以获得针对第n 1帧的、所接收的响应射频信号的加权后的模量|y|w。例如，可以基于加权后的模量来确定谐振频率，从而确定环境参数。
[0013]
因此，根据该第一另选方案，提供了一种用于质询声波传感器的质询装置，该质询装置包括发送天线，所述发送天线被配置成向声波传感器发送质询射频信号；接收天线，所述接收天线被配置成从所述声波传感器接收响应射频信号；处理单元，所述处理单元被配置成确定所述响应射频信号的n个连续帧的各帧中的所接收的响应射频信号的同相分量i和正交分量q，n是大于1的整数，其中，所述n个帧的各帧包括x个采样点；确定所确定的同相分量i和正交分量q的各对的模量|y|；基于所确定的模量|y|确定第一范数m；基于所确定的第一范数m和所确定的模量|y|来确定第一i加权函数wi；确定所接收的响应射频信号的第n 1帧的同相分量i和正交分量q，第n 1帧包括所接收的响应射频信号的x个采样点；确定第n 1帧的所确定的同相分量i和正交分量q的各对的模量|y|；以及将所述第一加权函数w应用于所确定的第n 1帧中的所接收的响应射频信号的模量|y|，以获得针对第n 1帧的、所接收的响应射频信号的加权后的模量|y|w。
[0014]
根据该第二另选方案，提供了一种用于质询声波传感器的质询装置，所述质询装置包括发送天线，该发送天线被配置成向所述声波传感器发送质询射频信号；接收天线，所述接收天线被配置成从所述声波传感器接收响应射频信号；处理单元，所述处理单元被配置成确定所述响应射频信号的n个连续帧的各帧中的所接收的响应射频信号的同相分量i和正交分量q，n是大于1的整数，其中，所述n个帧的各帧包括x个采样点；基于所确定的同相分量i确定第一i范数mi；基于所确定的正交分量q确定第一q范数mq；基于所确定的第一i范数mi和所确定的同相分量i确定第一i加权函数wi；基于所确定的第一q范数mq和所确定的正交分量q确定第一q加权函数wq；确定所接收的响应射频信号的第n 1帧的同相分量i和正交分量q，所述第n 1帧包括所接收的响应射频信号的x个采样点；将所述第一i加权函数wi
应用于所确定的第n 1帧中的所接收的响应射频信号的同相分量i，以获得针对上述第n 1帧的、所接收的响应射频信号的加权后的同相分量iw；以及将第一q加权函数wq应用于所确定的第n 1帧中的所接收的响应射频信号的正交分量q，以获得针对第n 1帧的、所接收的响应射频信号的加权后的正交分量qw。
[0015]
从所获得的针对第n 1帧的、所接收响应射频信号的加权后的同相分量iw和针对第n 1帧的、所接收的响应射频信号的加权后的正交分量iw，可以计算加权后的模量。
[0016]
借助于在两种另选方案中应用范数和加权函数，可以实现与现有技术相比增加的信噪比。对后续帧递归地应用上述操作，尤其是这种情况，其中对于各随后帧(第n 2帧，第n 3帧
…
)，当确定范数和加权函数时，忽略相应的第1帧(即，当处理第n 2帧时忽略第1帧，当处理第n 3帧时忽略第2帧(和第1帧)等)。因此，提供了考虑最近的环境条件的有效的自适应加权处理。
[0017]
因此，处理单元可以被配置成(根据第一另选方案)确定在响应射频信号的第n 2帧(例如，直接跟随第n 1帧)中的所接收的响应射频信号的同相分量i和正交分量q，第n 2帧包括所接收的响应射频信号的x个采样点；确定所述第n 2帧的所确定的同相分量i和正交分量q的各对的模量|y|；基于所确定的第2至第n 1帧的模量|y|而不使用所确定的所述n个帧的第1帧的模量|y|来确定第二范数m；基于所确定的第二范数m和所确定的第2至第n 1帧的模量|y|而不使用所确定的所述n个帧的第1帧的模量|y|来确定第二加权函数w；以及将所述第二加权函数w应用于所确定的第n 2帧中的所接收的响应射频信号的模量|y|，以获得针对所述第n 2帧的、所接收的响应射频信号的加权后的模量|y|w。
[0018]
根据第二另选方案，处理单元可以被配置成确定在响应射频信号的第n 2帧中的所接收的响应射频信号的同相分量i和正交分量q，所述第n 2帧包括所接收的响应射频信号的x个采样点；基于所确定的第2到第n 2帧的同相分量i而不使用所确定的所述n个帧的第1帧的同相分量i确定第二i范数mi；基于所确定的第2到第n 2帧的正交分量q而不使用所确定的所述n个帧的第1帧的正交分量q确定第二q范数mq；基于所确定的第二i范数mi和所确定的第2帧至第n 2帧的同相分量i而不使用所确定的所述n个帧的第1帧的同相分量i确定第二i加权函数wi；基于所确定的第二q范数mq和所确定的第2帧至第n 2帧的正交分量q而不使用所确定的所述n个帧的第1帧的正交分量q确定第二q加权函数wq；以及将所述第二q加权函数wq应用于所确定的所述第n 2帧中的所接收的响应射频信号的正交分量q，以获得针对所述第n 2帧的、所接收的响应射频信号的加权后的正交分量qw。
[0019]
如已经陈述的，这些处理可以对随后的第n 3、第n 4等帧递归地执行。
[0020]
在下文中，给出了用于计算范数和加权函数的具体的非限制的示例。根据第一另选方案(基于所确定的n个帧的模量来计算第一范数和第一加权函数)，处理单元可以被配置成根据以下算式确定第一范数m：
[0021]
[算式2]
[0022][0023]
其中|y
n
(ω
x
)|表示针对第x个采样点和第n帧的同相分量i和正交分量q的模量。
[0024]
在这种情况下，处理单元可以被配置成根据以下算式确定第一加权函数：
[0025]
[算式3]
[0026][0027]
其包括针对各采样点x(x＝1,
…
,x)在n个帧上的模量y
n
(ω
n
)的平均值
[0028]
[算式4]
[0029][0030]
所述处理单元还可以被配置成将高斯密度函数应用于所获得的加权后的模量|y|w，以进一步增加信噪比。
[0031]
根据第二另选方案(分别借助于i范数和q范数以及i加权函数和q加权函数来进一步处理所确定的同相分量i和正交分量q)，处理单元可以被配置成根据以下算式确定第一i范数mi：
[0032]
[算式5]
[0033][0034]
其中，i
n
(ω
x
)表示针对第x个采样点和第n帧的同相分量，并根据下式确定第一q范数mq：
[0035]
[算式6]
[0036][0037]
其中q
n
(ω
x
)表示针对第x个采样点和第n帧的正交分量。
[0038]
在这种情况下，处理单元可以被配置成根据以下算式确定第一i加权函数wi：
[0039]
[算式7]
[0040][0041]
以及根据以下算式确定第一q加权函数wq：
[0042]
[算式8]
[0043][0044]
如在第一另选方案中，可以通过应用高斯密度函数来进一步增强信噪比。因此，处理单元还可以被配置成针对所获得的第n 1帧的所接收的响应射频信号的加权后的同相分量iw和所获得的第n 1帧的所接收的响应射频信号的加权后的正交分量qw计算加权后的模量|y|w并将高斯密度函数应用于所计算的加权后的模量|y|w。如在第一另选方案中，高斯密度函数可以应用于上述递归过程中的后续帧n 2、n 3等帧。
[0045]
通过忽略有缺陷的帧，可以进一步提高上述实施方式的操作的效率和可靠性。因此，根据上述任一实施方式的质询装置还可以包括过滤单元(其可以为处理单元的一部分)，该过滤单元被配置成在确定第一范数m或第一i范数mi和第一q范数mq之前对所接收的响应射频信号进行过滤，以消除n个帧中在相应的整个帧上呈现出超过预定方差阈值或标
准偏差阈值的同相分量i和正交分量q的方差或标准偏差的帧。应当理解，当执行可选的过滤以消除有缺陷的帧时，上述的第n帧，第n 1帧和第n 2帧分别表示无缺陷帧和相应的后续无缺陷帧。
[0046]
方差或标准偏差阈值根据实施方式可以如下实现。计算n个帧的特定整个帧(例如第1帧)上的同相分量i和正交分量q的方差或标准偏差并代表初始阈值。对于后续帧，再次地，计算相应的整个帧上的同相分量i和正交分量q的方差或标准偏差。如果后续帧的方差或标准偏差正在减小，则将通过后续帧的方差或标准偏差来更新阈值。当后续帧的方差或标准偏差大于前一帧的方差或标准偏差时，将前一帧的方差或标准偏差用作阈值。
[0047]
此外，提供了一种用于监视/测量环境参数(例如，旋转轴的温度、应变水平、压力或扭矩水平)的系统，该系统包括根据上述实施方式之一的质询装置和在通信上耦接到所述质询装置的声波传感器装置，其中所述声波传感器装置例如是无源表面声波传感器装置。
[0048]
此外，本文提供了质询声波传感器的方法，其中执行上述处理步骤。另外，这里提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括使处理单元(当在处理单元上运行时)执行上述处理步骤的指令。
[0049]
如上所述，处理可以至少部分地在时域或频域中执行。所有上述算式可以直接转换成频域中的相应表达式，并且应当理解，所要求保护的发明涵盖时域中的范数和加权函数的适当表示。
[0050]
将参考附图描述本发明的其它特征和优点。在说明书中，参考了用于说明本发明优选实施方式的附图。应当理解，这些实施方式不代表本发明的全部范围。
[0051]
图1表示能够实现本发明的实施方式的包含声波传感器和质询装置的系统。
[0052]
图2是示出根据本发明实施方式的接收响应射频信号的处理的流程图。
[0053]
图3表示根据本发明实施方式的接收响应射频信号的处理对所获得的信号的信号质量的影响。
[0054]
本发明提供用于无源声波传感器，特别是saw传感器的远程质询的技术，其中该技术的特征在于信噪比高。该技术可以应用于被配置成确定来自被质询的声波传感器的响应谱的任何质询器。质询声波传感器例如可以是谐振器装置，例如差分saw传感器。图1例示了示例性的相对简单的系统(即，呈现满足空腔谐振条件的多个模式的谐振器)，根据实施方式的本发明可以在该系统中实现。不言而喻，本发明可以在采用声波传感器或电介质谐振器、rlc电路等的任何装置中实现。所使用的质询装置可以包括例如在网络分析器信号获取/处理模式中与iq检测器一起操作的任何读取器。
[0055]
图1所示的系统包括谐振器1、声波(saw)传感器装置10，声波(saw)传感器装置10包括用于接收质询射频信号和发送响应射频信号的天线11、连接到天线11并且包括叉指电极的梳状换能器12、以及包括两个反射器系列的saw谐振腔13。传感器装置10可以包括基于saw的传感器，该基于saw的传感器构建在单晶压电材料如石英(sio2)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)、硅酸镓镧(lgs)或多晶压电材料如氮化铝(aln)或氧化锌(zno)上，特别是淀积在硅上，或甚至淀积在包括压电材料层的绝缘体上压电(poi)复合材料上，具体地如钽酸锂或铌酸锂的单晶材料，该压电材料层接合到例如硅的支撑衬底上，如果需要则该接合借助于例如氧化硅层的接合层。换能器12将由天线11接收的质询射频信号转换为声波，该声
波由谐振腔13的反射器反射回来，并被转换回射频信号，该射频信号在过程中由天线11作为响应射频信号发送。
[0056]
该系统还包括质询装置20，质询装置20包括用于向声波(saw)传感器装置10发送质询射频信号的发送天线21和用于从声波(saw)传感器装置10接收响应射频信号的接收天线22。由发送天线21发送的质询射频信号由信号发生器23产生，该信号发生器23可以包括射频合成器或振荡器以及可选的一些信号整形模块，该信号整形模块提供要由发送天线21发送的信号的适当频率变换和/或放大。由信号发生器23产生的质询射频信号可以是具有根据声学传感器装置10的谐振频率选择的频率的脉冲或突发信号。
[0057]
此外，质询装置20包括连接到接收天线22的处理单元24。处理单元24可以包括过滤和/或放大装置，并且被配置成分析由接收天线22接收的响应射频信号。例如，传感器装置10以434mhz或2.45ghz的谐振频率工作。质询装置20可以发送长射频脉冲，并且在发送已经停止之后，谐振腔13以等于qf/πf的时间常数τ在其谐振本征频率处放电，其中f是中心频率，并且qf是对应于中心频率与质询过程中使用的带通的半高宽之间的比的品质因数qf。由质询装置20的处理单元24执行的谱分析允许计算谐振器频率，并且从而允许感测环境参数。所接收的响应射频信号可以由处理单元根据本领域已知的所谓i
‑
q协议与质询射频信号混合，以提取实部和虚部(同相i和正交q)，然后可以从这些实部和虚部导出模量和相位。
[0058]
根据本发明，通过范数和加权函数对所接收的响应射频信号进行处理，以增加信噪比。原则上，该处理可以至少部分地在时域或频率(频谱)域中执行。出于示例性目的，将考虑以下谱域中的处理。图2示出了例示根据本发明实施方式的处理的流程图，例如可以由图1所示的质询装置20的处理单元24执行的处理。
[0059]
在该处理的第一步骤中，由质询装置(例如图1所示的质询装置20)向声波传感器装置(例如图1所示的声波传感器装置10)发送101质询射频信号。质询装置接收102响应射频信号。所接收的响应射频信号由质询装置处理/分析，例如由图1所示的质询装置20的处理单元24。
[0060]
特别地，在响应射频信号的n个连续帧(响应射频信号的n个连续帧(1,...,n)的各帧中确定所接收的响应射频信号的同相分量i和正交分量q，n是大于1的整数，其中，n帧的各帧包括x个采样(频率)点。例如，x可以在100至1000的范围内，n可以在20至100的范围内。
[0061]
基于所确定的同相分量i和正交分量q，确定104范数。根据特定实施方式，计算针对所接收的响应射频信号的n个帧的所确定的同相分量i和正交分量q的对的模量：
[0062]
[算式9]
[0063][0064]
根据以下算式计算104第一范数：
[0065]
[算式10]
[0066][0067]
其中|y
n
(ω
x
)|表示针对第x个采样点和第n帧的同相分量i和正交分量q的模量。
[0068]
基于第一范数，计算105第一加权函数：
[0069]
[算式11]
[0070][0071]
该加权函数被应用于106所接收的响应射频信号的(也包括x个采样点)，第n 1帧可以直接跟随第n帧(为了理解，函数意味着不存在应用于第n 1帧的数据系列的唯一或单个值，而是权重依赖于在各个采样点处记录的信号，由此通过将各个采样点处的权重与第n 1帧中该采样点的值相乘来实现加权操作)。确定所接收的响应射频信号的第n 1帧的同相分量i和正交分量q，并且确定所确定的第n 1帧的同相分量i和正交分量q的各对的模|y|。将加权函数应用于模量，以获得表现出优良信噪比的加权后的模量。通过将数据拟合到适当的拟合函数，特别是如下面更详细描述的高斯拟合，可以根据加权后的模量确定谐振频率，并且基于所确定的谐振频率，可以监视环境参数。
[0072]
对后续帧n 2、n 3等帧递归地执行根据本实施方式的上述处理，其中，在各递归循环中，在忽略在前一循环中使用的第一帧的情况下计算范数(并且因此计算加权函数)。因此，在下一循环107中，将第一(最旧)帧1从考虑中删除，并且通过使用第2帧到第n 1帧来计算第二(更新后的)范数：
[0073]
[算式12]
[0074][0075]
因此，在下一循环107中，(第二)加权函数由下式给出
[0076]
[算式13]
[0077][0078]
并被应用于第n 2帧，以此类推。
[0079]
图3例示了这种处理关于增强信噪比的效果。图3示出了i分量和q分量的原始数据以及针对原始数据获得的模量(曲线a)。相比之下，图3中的曲线b示出了通过上述过程获得的加权后的模量。从图3中可以明显看出，在该示例中，信噪比可以增加一个数量级。
[0080]
然而，在上述实施方式中，确定范数和加权函数并对i分量和q分量的模量应用范数和加权函数，另选地可以分别针对i分量和q分量确定范数和加权函数，并且可以将由此获得的加权函数应用于相应的后续帧的i分量和q分量。根据该另选方案，根据以下算式计算第一i范数mi：
[0081]
[算式14]
[0082][0083]
其中，i
n
(ω
x
)表示针对第x个采样点和第n帧的同相分量，并且根据下式计算第一q范数mq：
[0084]
[算式15]
[0085]
[0086]
其中，q
n
(ω
x
)表示针对第x个采样点和第n帧的正交分量。
[0087]
因此，根据以下算式计算第一i加权函数wi：
[0088]
[算式16]
[0089][0090]
根据以下算式确定所述第一q加权函数wq：
[0091]
[算式17]
[0092][0093]
然后将第一i加权函数wi应用于第n 1帧的i分量，并且将第一q加权函数wq应用于第n 1帧的q分量。相应地，计算第二i范数mi和第二q范数mq：
[0094]
[算式18]
[0095][0096]
以确定第二i加权函数wi以及第二q加权函数wq：
[0097]
[算式19]
[0098][0099]
第二i加权函数wi以及第二q加权函数wq将分别应用于第n 1帧的i分量和q分量，以获得加权后的i分量和q分量。根据加权的i分量和q分量可以容易地计算出加权后的模量。另外的递归循环(用于第n 2帧、第n 3帧等)以直接的方式跟随(各个循环忽略前一循环的相应的第1帧)。
[0100]
根据特定实施方式，图2的流程图的步骤104之前是预过滤步骤，以消除有缺陷的帧。实际上，可以消除n个帧中在相应的整个帧上同相分量i和正交分量q的方差呈现出超过预定方差阈值的帧。阈值化可以是自适应的。例如，可以通过以下处理动态地确定方差阈值：将初始阈值设置为n个帧中的特定帧中的同相分量i和正交分量q的方差，并且如果直接跟随该特定帧的帧中的同相分量i和正交分量q的方差小于特定帧中的方差，则将直接跟随该特定帧的帧中的同相分量i和正交分量q的方差确定为阈值，或者否则该初始阈值。可以对后续帧递归地执行该处理，即，对于后续帧，再次计算相应的整个帧上的同相分量i和正交分量q的方差，并且如果后续帧的方差减小，则用后续帧的方差来更新阈值。在后续帧的方差大于前一帧的方差的情况下，前一帧的方差被用作阈值。
[0101]
此外，在上述两种另选方案中，高斯密度函数exp(
‑
0,5(|b
‑
x|/c)2)可以应用于所得的加权后的模量，其中，x表示时间或频率变量，c表示方差，并且b表示x的最大值。由此，例如能够可靠地提取图1所示的谐振装置的谐振频率。将处理后的信号与这样的密度函数拟合直接得到对应于变量b的谐振频率。
[0102]
由于所获得的高信噪比，在本领域需要的一些后处理的情况下不再需要对数据的任何平滑。特别地，可以可靠地最小化或者甚至消除表现出接近噪声水平的幅度的任何信
号分量。
[0103]
通过本文公开的技术，可以使用声波传感器装置和质询声波传感器的质询装置来感测环境参数，其中通过使用范数和加权函数，可以实现增强的信噪比。特别地，环境参数(例如旋转轴的温度、应变、压力或扭矩)的测量的稳定性允许鲁棒和可靠的监测。
[0104]
所有先前讨论的实施方式不旨在作为限制，而是用作例示本发明的特征和优点的示例。应当理解，上述特征中的一些或全部也可以以不同的方式组合。