剖析SAW諧振器諧振頻率微秒級快速檢測方法

摘要：

針對高速旋轉環(huán)境下的諧振式聲表面波（ SAW ）傳感器信號快速檢測，提出基于回波損耗測量原理的 SAW 諧振器諧振頻率微妙級快速檢測方法。對SAW諧振器進行線性掃頻激勵的過程中，將反射信號經(jīng)功率檢波與比較器轉換為數(shù)字脈沖信號，使用計時器實時計算脈沖信號中心對應頻率快速求得SAW傳感器諧振頻率。

在8000 r/min轉速范圍內(nèi)對SAW諧振器在700 kHz帶寬內(nèi)進行檢測實驗，最多用時35 μs，相對于毫秒級的傳統(tǒng)SAW諧振器諧振頻率檢測方法，速度提高了兩個數(shù)量級。

0 引言

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

在電機轉子、動車傳動軸等旋轉的密閉復雜環(huán)境中，需要對應變、扭矩等參量實時快速檢測，監(jiān)測機械傳動軸的運行狀態(tài)。特別是在轉速5000 r/min左右的高速旋轉環(huán)境下，需要微秒級的檢測速度，因此需要研究一種適用于高速旋轉環(huán)境下SAW諧振頻器諧振頻率微秒級快速檢測方法。

針對諧振式SAW傳感器諧振頻率檢測，采用功率檢波器檢測回波信號功率，先大步進掃頻定位再小步進掃頻進行頻率估計，一次查詢周期需要約10 ms，頻率估計偏差7 kHz。

利用線性調(diào)頻信號對SAW諧振器進行連續(xù)掃頻激勵，使用自動頻率控制（ Automatic frequencycontrol，AFC ）環(huán)路跟蹤檢測反射信號變化，環(huán)路跟蹤時間常數(shù)最快為0.57 ms，頻率偏差20 kHz。

采用并行SAW信號采集與處理電路，對諧振式SAW傳感器實現(xiàn)最快達16 kHz的測量更新率，一次問詢周期62.5 μs。針對單端口微波器件，通過微波傳輸/反射測量方法實現(xiàn)對諧振腔型SiALCN溫度傳感器回波損耗的檢測。為了進一步加快SAW諧振器諧振頻率的檢測速度。

本文基于單端口微波器件的回波損耗檢測原理，在對SAW諧振器進行線性信號激勵的過程中，使用功率檢波與比較器將回波信號直接轉換為數(shù)字脈沖信號，結合計時器實時記錄脈沖中心頻率即諧振頻率，實現(xiàn)一種SAW諧振器諧振頻率的微秒級快速檢測方法。

1 快速檢測方法原理

針對單端口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量來進行諧振頻率估計，通過分析回波損耗頻響曲線來確定傳感器對應諧振器的諧振頻率值。

利用等幅線性掃頻信號源對SAW諧振器進行快速掃頻測量，當掃頻信號中的頻率與SAW諧振器的諧振頻率相等時，諧振器發(fā)生諧振，此時SAW諧振器內(nèi)部吸收激勵信號的能量達到最大值，反射回來的能量最小，即回波損耗最小。

圖1 回波損耗測量原理示意圖

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

本文結合比較器與定時器在線性掃頻激勵的過程中實現(xiàn)諧振頻率快速檢測。將回波損耗實時與比較器比較電壓Vref進行比較，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，回波損耗曲線關于諧振頻率點左右對稱，通過定時器記錄邏輯脈沖電平跳變沿對應的頻率f1與f2，則SAW諧振器諧振頻率f0為

該諧振式SAW傳感信號快速檢測方法，在掃頻的同時實現(xiàn)諧振頻率的測量，節(jié)省了大量信號處理時間。此方法的頻率分辨率受SAW諧振器本身品質因數(shù)的限制，品質因數(shù)越高，回波曲線越尖銳，頻率分辨率越高，所以在實際應用中，該方法對SAW諧振器本身品質因數(shù)要求較高。

2 快速檢測方法硬件實現(xiàn)

基于功率檢波的SAW傳感器回波信號檢測系統(tǒng)不需要對高頻回波信號進行下變頻處理，提高了信號采集速度，但需要對每個激勵點的回波信號進行AD采樣處理。為了進一步提高諧振式SAW傳感器信號的檢測速度，本文基于回波損耗測量原理，使用比較器結合定時器設計了SAW諧振器諧振頻率快速檢測系統(tǒng)方案。

快速SAW諧振器諧振頻率檢測系統(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)制信號源與功率放大器。線性調(diào)制信號源用來生成線性掃頻信號；功率放大器將線性掃頻信號放大到合適的輸出功率傳輸?shù)蕉ㄏ?a href="http://srfitnesspt.com/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)射鏈路的線性激勵信號傳輸?shù)絊AW諧振器，同時在耦合端耦合SAW諧振器的回波損耗信號傳輸?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、比較器和定時器組成。功率檢波器對定向耦合器耦合的回波損耗信號進行功率到電壓的轉換，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行比較；比較器是將回波損耗曲線與比較電壓進行對比輸出數(shù)字邏輯電平傳輸?shù)蕉〞r器；定時器用來記錄邏輯脈沖中點對應頻率值即諧振頻率。

3 實驗結果分析

為了驗證本文在SAW諧振器諧振頻率快速檢測方法的可行性，在室溫下，使用本文快速檢測硬件系統(tǒng)對諧振頻率為430.6468 MHz、品質因數(shù)約為6000的SAW諧振器進行快速檢測，設置掃頻區(qū)間為［430.3，431.0］ MHz，在700 kHz帶寬內(nèi)設置700個掃頻點，每個頻點持續(xù)50 ns，總掃頻時間為35 μs。

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

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

將本文快速檢測方法與SAW回波信號功率檢波的檢測方法進行對比，在同樣700 kHz帶寬內(nèi)進行掃頻，對SAW回波信號進行功率檢波檢測方法完成一次頻率檢測需要對SAW諧振器進行110次激勵，每次激勵時間約為100 μs，同時需要對每次的回波信號進行數(shù)據(jù)處理，用時大于11 ms。

綜上分析，兩種檢測方法使用時間對比如表1所示。

本文SAW諧振器諧振頻率快速檢測方法進一步提高了SAW諧振器諧振頻率的檢測速度。相比于SAW回波信號功率檢波的檢測方法，提高了兩個數(shù)量級。

為了驗證本文SAW扭矩傳感器快速檢測系統(tǒng)在高速旋轉環(huán)境下的適用性，采用cence公司型號為H1650的高速離心機模擬高速旋轉環(huán)境，搭建高速旋轉測試平臺。

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

設置掃頻區(qū)間為［430.3， 431.0］ MHz，掃頻增量為1 kHz，總掃頻時間為35 μs。在8000r/min轉速范圍內(nèi)設置離心機轉速，待轉速穩(wěn)定后，在室溫下對上述SAW諧振器重復進行500次快速諧振頻率測量實驗，記錄500次測量頻率估計平均值及最大頻率估計偏差，結果如表2所示。

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

在8000 r/min 轉速下相對頻率偏差達到最大約為0.004%。驗證了該SAW傳感信號檢測方法在高速旋轉環(huán)境下的適用性。

4 結論

針對高動態(tài)環(huán)境下的諧振式SAW傳感器信號快速檢測，提出一種基于回波損耗檢測原理的SAW諧振器諧振頻率微秒級快速檢測方法。

采用此方法，對單個SAW傳感器的諧振器進行一次快速檢測用時約35 μs，較毫秒級檢測系統(tǒng)速度提高了兩個數(shù)量級。同時，搭建了模擬高速旋轉環(huán)境的SAW諧振器高速旋轉測試平臺，在室溫下，實現(xiàn)在8000 r/min轉速范圍內(nèi)對SAW諧振器進行快速頻率估計。

但受轉速等環(huán)境因素的影響，轉速較大時頻率估計精度偏差偏大。在針對高速旋轉環(huán)境下的扭矩測量應用時，為了保障測量精度，可以采用差動式測量方法減小環(huán)境因素的影響。

本文內(nèi)容轉載自《應用聲學》2021年6月，版權歸《應用聲學》編輯部所有。

王威威，盧孜筱，田亞會，李紅浪

中國科學院聲學研究所，中國科學院大學，國家納米科學中心

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