摘要：

針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的諧振式聲表面波（ SAW ）傳感器信號(hào)快速檢測(cè)，提出基于回波損耗測(cè)量原理的 SAW 諧振器諧振頻率微妙級(jí)快速檢測(cè)方法。對(duì)SAW諧振器進(jìn)行線性掃頻激勵(lì)的過程中，將反射信號(hào)經(jīng)功率檢波與比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，使用計(jì)時(shí)器實(shí)時(shí)計(jì)算脈沖信號(hào)中心對(duì)應(yīng)頻率快速求得SAW傳感器諧振頻率。

在8000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)SAW諧振器在700 kHz帶寬內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，最多用時(shí)35 μs，相對(duì)于毫秒級(jí)的傳統(tǒng)SAW諧振器諧振頻率檢測(cè)方法，速度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

0 引言

隨著聲表面波（ Surface acoustic wave，SAW ）傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，諧振型SAW傳感器由于無線無源、高Q值、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用。

在電機(jī)轉(zhuǎn)子、動(dòng)車傳動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)的密閉復(fù)雜環(huán)境中，需要對(duì)應(yīng)變、扭矩等參量實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，監(jiān)測(cè)機(jī)械傳動(dòng)軸的運(yùn)行狀態(tài)。特別是在轉(zhuǎn)速5000 r/min左右的高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下，需要微秒級(jí)的檢測(cè)速度，因此需要研究一種適用于高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下SAW諧振頻器諧振頻率微秒級(jí)快速檢測(cè)方法。

針對(duì)諧振式SAW傳感器諧振頻率檢測(cè)，采用功率檢波器檢測(cè)回波信號(hào)功率，先大步進(jìn)掃頻定位再小步進(jìn)掃頻進(jìn)行頻率估計(jì)，一次查詢周期需要約10 ms，頻率估計(jì)偏差7 kHz。

利用線性調(diào)頻信號(hào)對(duì)SAW諧振器進(jìn)行連續(xù)掃頻激勵(lì)，使用自動(dòng)頻率控制（ Automatic frequencycontrol，AFC ）環(huán)路跟蹤檢測(cè)反射信號(hào)變化，環(huán)路跟蹤時(shí)間常數(shù)最快為0.57 ms，頻率偏差20 kHz。

采用并行SAW信號(hào)采集與處理電路，對(duì)諧振式SAW傳感器實(shí)現(xiàn)最快達(dá)16 kHz的測(cè)量更新率，一次問詢周期62.5 μs。針對(duì)單端口微波器件，通過微波傳輸/反射測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔型SiALCN溫度傳感器回波損耗的檢測(cè)。為了進(jìn)一步加快SAW諧振器諧振頻率的檢測(cè)速度。

本文基于單端口微波器件的回波損耗檢測(cè)原理，在對(duì)SAW諧振器進(jìn)行線性信號(hào)激勵(lì)的過程中，使用功率檢波與比較器將回波信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，結(jié)合計(jì)時(shí)器實(shí)時(shí)記錄脈沖中心頻率即諧振頻率，實(shí)現(xiàn)一種SAW諧振器諧振頻率的微秒級(jí)快速檢測(cè)方法。

1 快速檢測(cè)方法原理

針對(duì)單端口SAW諧振器，根據(jù)其工作原理可以采用散射矩陣中回波損耗作為檢測(cè)量來進(jìn)行諧振頻率估計(jì)，通過分析回波損耗頻響曲線來確定傳感器對(duì)應(yīng)諧振器的諧振頻率值。

利用等幅線性掃頻信號(hào)源對(duì)SAW諧振器進(jìn)行快速掃頻測(cè)量，當(dāng)掃頻信號(hào)中的頻率與SAW諧振器的諧振頻率相等時(shí)，諧振器發(fā)生諧振，此時(shí)SAW諧振器內(nèi)部吸收激勵(lì)信號(hào)的能量達(dá)到最大值，反射回來的能量最小，即回波損耗最小。

圖1 回波損耗測(cè)量原理示意圖

回波損耗通過功率檢波將回波功率轉(zhuǎn)換為電壓輸出回波曲線，通過查找回波曲線最小值檢測(cè)諧振頻率。傳統(tǒng)信號(hào)處理方法常對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行下變頻處理后經(jīng)AD采樣查找頻響曲線最值求得諧振頻率，增加了信號(hào)處理時(shí)間。

本文結(jié)合比較器與定時(shí)器在線性掃頻激勵(lì)的過程中實(shí)現(xiàn)諧振頻率快速檢測(cè)。將回波損耗實(shí)時(shí)與比較器比較電壓Vref進(jìn)行比較，大于Vref輸出邏輯低電平0V，小于Vref輸出邏輯高電平3 V。

在理想情況下，回波損耗曲線關(guān)于諧振頻率點(diǎn)左右對(duì)稱，通過定時(shí)器記錄邏輯脈沖電平跳變沿對(duì)應(yīng)的頻率f1與f2，則SAW諧振器諧振頻率f0為

該諧振式SAW傳感信號(hào)快速檢測(cè)方法，在掃頻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧振頻率的測(cè)量，節(jié)省了大量信號(hào)處理時(shí)間。此方法的頻率分辨率受SAW諧振器本身品質(zhì)因數(shù)的限制，品質(zhì)因數(shù)越高，回波曲線越尖銳，頻率分辨率越高，所以在實(shí)際應(yīng)用中，該方法對(duì)SAW諧振器本身品質(zhì)因數(shù)要求較高。

2 快速檢測(cè)方法硬件實(shí)現(xiàn)

基于功率檢波的SAW傳感器回波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)不需要對(duì)高頻回波信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，提高了信號(hào)采集速度，但需要對(duì)每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的回波信號(hào)進(jìn)行AD采樣處理。為了進(jìn)一步提高諧振式SAW傳感器信號(hào)的檢測(cè)速度，本文基于回波損耗測(cè)量原理，使用比較器結(jié)合定時(shí)器設(shè)計(jì)了SAW諧振器諧振頻率快速檢測(cè)系統(tǒng)方案。

快速SAW諧振器諧振頻率檢測(cè)系統(tǒng)主要由發(fā)射鏈路、定向耦合器和接收鏈路組成。

發(fā)射鏈路主要包含線性調(diào)制信號(hào)源與功率放大器。線性調(diào)制信號(hào)源用來生成線性掃頻信號(hào)；功率放大器將線性掃頻信號(hào)放大到合適的輸出功率傳輸?shù)蕉ㄏ?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合器。

定向耦合器的作用是連接發(fā)射鏈路與接收鏈路，將發(fā)射鏈路的線性激勵(lì)信號(hào)傳輸?shù)絊AW諧振器，同時(shí)在耦合端耦合SAW諧振器的回波損耗信號(hào)傳輸?shù)浇邮真溌贰?/p>

接收鏈路端主要由功率檢波器、濾波器、低噪聲放大器、比較器和定時(shí)器組成。功率檢波器對(duì)定向耦合器耦合的回波損耗信號(hào)進(jìn)行功率到電壓的轉(zhuǎn)換，通過帶通濾波器濾除低頻與高頻干擾后輸入到低噪聲放大器；

低噪聲放大器的作用是將回波損耗頻響曲線放大到合適電壓便于與比較器比較電壓進(jìn)行比較；比較器是將回波損耗曲線與比較電壓進(jìn)行對(duì)比輸出數(shù)字邏輯電平傳輸?shù)蕉〞r(shí)器；定時(shí)器用來記錄邏輯脈沖中點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率值即諧振頻率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文在SAW諧振器諧振頻率快速檢測(cè)方法的可行性，在室溫下，使用本文快速檢測(cè)硬件系統(tǒng)對(duì)諧振頻率為430.6468 MHz、品質(zhì)因數(shù)約為6000的SAW諧振器進(jìn)行快速檢測(cè)，設(shè)置掃頻區(qū)間為［430.3，431.0］ MHz，在700 kHz帶寬內(nèi)設(shè)置700個(gè)掃頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)持續(xù)50 ns，總掃頻時(shí)間為35 μs。

使用本文的快速頻率檢測(cè)方法進(jìn)行頻率估計(jì)，由于電磁、溫度等環(huán)境噪聲的影響，可能導(dǎo)致回波損耗產(chǎn)生波動(dòng)，比較器輸出隨之變化，使得每次頻率估計(jì)存在不定值偏差，統(tǒng)計(jì)500次頻率估計(jì)最大偏差為6.7 kHz。

理論上，若對(duì)200 Nm量程的靈敏度約為3 kHz的SAW扭矩傳感器進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，此最大頻率偏差約存在2 Nm的測(cè)量誤差，可以保證SAW扭矩傳感器±1%FS的測(cè)量精度，驗(yàn)證了本文快速檢測(cè)方法的可行性。

將本文快速檢測(cè)方法與SAW回波信號(hào)功率檢波的檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，在同樣700 kHz帶寬內(nèi)進(jìn)行掃頻，對(duì)SAW回波信號(hào)進(jìn)行功率檢波檢測(cè)方法完成一次頻率檢測(cè)需要對(duì)SAW諧振器進(jìn)行110次激勵(lì)，每次激勵(lì)時(shí)間約為100 μs，同時(shí)需要對(duì)每次的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用時(shí)大于11 ms。

綜上分析，兩種檢測(cè)方法使用時(shí)間對(duì)比如表1所示。

本文SAW諧振器諧振頻率快速檢測(cè)方法進(jìn)一步提高了SAW諧振器諧振頻率的檢測(cè)速度。相比于SAW回波信號(hào)功率檢波的檢測(cè)方法，提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了驗(yàn)證本文SAW扭矩傳感器快速檢測(cè)系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的適用性，采用cence公司型號(hào)為H1650的高速離心機(jī)模擬高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境，搭建高速旋轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)。

在離心機(jī)內(nèi)，使用環(huán)狀天線對(duì)SAW傳感器進(jìn)行無線通信，在整個(gè)旋轉(zhuǎn)密閉空間內(nèi)，SAW諧振器的發(fā)射天線與接收天線距離約1 cm，離心機(jī)內(nèi)部SAW天線安裝如圖8（a）所示，高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)。

設(shè)置掃頻區(qū)間為［430.3， 431.0］ MHz，掃頻增量為1 kHz，總掃頻時(shí)間為35 μs。在8000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)設(shè)置離心機(jī)轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，在室溫下對(duì)上述SAW諧振器重復(fù)進(jìn)行500次快速諧振頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，記錄500次測(cè)量頻率估計(jì)平均值及最大頻率估計(jì)偏差，結(jié)果如表2所示。

在不同旋轉(zhuǎn)速度下，本文快速檢測(cè)系統(tǒng)均可快速檢測(cè)到SAW諧振器的諧振頻率。在4000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，最大頻率估計(jì)偏差基本穩(wěn)定在10 kHz以內(nèi)，再隨著轉(zhuǎn)速增加到8000 r/min最大頻率估計(jì)偏差逐漸增大。

在8000 r/min 轉(zhuǎn)速下相對(duì)頻率偏差達(dá)到最大約為0.004%。驗(yàn)證了該SAW傳感信號(hào)檢測(cè)方法在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的適用性。

4 結(jié)論

針對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的諧振式SAW傳感器信號(hào)快速檢測(cè)，提出一種基于回波損耗檢測(cè)原理的SAW諧振器諧振頻率微秒級(jí)快速檢測(cè)方法。

采用此方法，對(duì)單個(gè)SAW傳感器的諧振器進(jìn)行一次快速檢測(cè)用時(shí)約35 μs，較毫秒級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)速度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，搭建了模擬高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境的SAW諧振器高速旋轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)，在室溫下，實(shí)現(xiàn)在8000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)SAW諧振器進(jìn)行快速頻率估計(jì)。

但受轉(zhuǎn)速等環(huán)境因素的影響，轉(zhuǎn)速較大時(shí)頻率估計(jì)精度偏差偏大。在針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的扭矩測(cè)量應(yīng)用時(shí)，為了保障測(cè)量精度，可以采用差動(dòng)式測(cè)量方法減小環(huán)境因素的影響。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《應(yīng)用聲學(xué)》2021年6月，版權(quán)歸《應(yīng)用聲學(xué)》編輯部所有。

王威威，盧孜筱，田亞會(huì)，李紅浪

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，國(guó)家納米科學(xué)中心

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