甘 宇，譚秋林*，韓 磊，王 鑫

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

傳感器技術，作為高新技術之一，發(fā)展迅猛[1]。傳統(tǒng)的有線傳感器成本高、易老化、安全性較低，導致傳感器的安裝和長期使用中出現(xiàn)重大問題。 有源傳感器無法滿足在一些極端溫度、高速旋轉、密閉空間等惡劣環(huán)境的測量需求[2]。 所以基于SAW 技術的無線無源傳感器受到廣泛關注，在過去的30 年中取得了豐碩的研究成果[3]。

聲表面波無線無源傳感器因其具有高Q 值、小體積、低成本及遠距離傳輸特性[4-5]，對于測量參數(shù)的獲取具有重要意義。 測量傳感器的諧振頻率的方法很多，文獻[6]提出一種基于檢測群時延的方法，利用相位在諧振峰的偏移提取傳感器信息，這種方法測頻范圍廣，但測量過程需要使用網(wǎng)絡分析儀，靈活性不高。 文獻[7]采用的等精度測量法通過AGC電路對傳感器信號限幅，利用施密特觸發(fā)器將波形整形為方波后送入FPGA 測量。 此種方法精度較高，不過測頻范圍有限。

本文設計了一種無線無源SAW 溫度傳感器測量系統(tǒng)，通過分析詢問天線的回波信息[8]與環(huán)境溫度參數(shù)建立的對應關系，運用Welch 算法對噪聲信號進行處理[9]，解算環(huán)境的溫度參數(shù)，測量精度高，測頻范圍廣。 通過溫升實驗，驗證測量系統(tǒng)可行性，利用最小二乘法[10]擬合溫度曲線。

1 基本理論和方法

1.1 聲表面波測溫原理

諧振型SAW 傳感器相對于延遲線型結構的傳感器，具有傳輸距離遠，抗干擾能力強和測試精確度高等優(yōu)勢。 聲表面波測溫技術的無線讀取，是通過表面波器件與天線耦合實現(xiàn)的[11]，通過提取頻率信號獲取環(huán)境溫度值。 當叉指換能器(IDT)通過應答天線受到外界的激勵信號源時，由于逆壓電效應，輸入的電信號將轉變?yōu)槁曅盘柌⑶掖诵盘枙刂r底的表面進行傳播。 產(chǎn)生的SAW 信號被兩邊的反射柵反射，并與IDT 激發(fā)的SAW 形成駐波，產(chǎn)生諧振信號，諧振信號通過IDT 將聲信號轉變成電信號并傳遞給應答天線。 遠程聲表面波溫度傳感器讀取系統(tǒng)總體結構如圖1 所示。

圖1 聲表面波溫度傳感器讀取系統(tǒng)總體結構

SAW 傳感器[12]的壓電基片的表面區(qū)域是聲表面波傳播的區(qū)域，基底壓電材料的物理或化學屬性發(fā)生改變[13]，將導致基底中SAW 傳播速率或者IDT 結構發(fā)生改變，最終將會引起諧振頻率的變化。其中諧振頻率fT的溫度特性滿足方程[14]

式中:T 為測量溫度，T0為參考溫度；fT為測量諧振頻率；f0為應變情況下的諧振頻率；a0、b0分別代表1 階和2 階的頻率溫度系數(shù)；SG為應變靈敏度；ξ 為應變大小。

1.2 Welch 算法原理

平滑周期圖法(Welch 法)是一種快速傅里葉變換算法在功率譜估計中的估計方法，該方法包括對數(shù)據(jù)進行分段，對分段的數(shù)據(jù)進行修正，并對修正后的周期圖進行平均。 在許多情況下，這種方法比其他方法所需的計算量要少。 平滑周期圖法的主要優(yōu)點是減少了計算量和所需的核心存儲量，并且在非平穩(wěn)性測試中運用廣泛。

假設x(n)＝{x(0)，x(1)，……，x(N-1)}是一個二階隨機序列信號，該信號的功率譜為:

Welch P D 提出的Welch 算法[15]解決了當N趨向于無窮大時，方差性能差及頻譜泄露的問題，是對周期圖法的一種改進:

(1)將二階隨機序列信號x(n)的數(shù)據(jù)視為能量有限信號，分為L 段，每段的長度為M；

(2)對分段的數(shù)據(jù)進行加窗處理；

(4)對所有分段的功率譜累加、除以N，求平均功率譜。

通過分段求功率譜再累加求平均，有效降低了序列的方差，各分度數(shù)據(jù)相互獨立，減小了隨機起伏的現(xiàn)象，是一種優(yōu)良的估計方法。

2 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

無線無源溫度測量系統(tǒng)總體思路為:主控板和上位機組成的微控制單元，控制著發(fā)射及接收鏈路，其中發(fā)射鏈路包含激勵信號源、濾波器、功率放大器，實現(xiàn)問詢信號的發(fā)送。 接收鏈路包含低噪聲放大器、帶通濾波器、運算放大器、模數(shù)轉換器等。 當發(fā)射的掃頻信號與應答天線的諧振頻率相同時，傳感器被激勵產(chǎn)生的諧振信號最強。接收鏈路通過電磁耦合方式接收傳感器受到激勵諧振后產(chǎn)生的回波信號。 調制開關通過周期性開啟和關斷產(chǎn)生間歇性正弦激勵信號。 射頻收發(fā)隔離開關，主要作用是實現(xiàn)詢問單元發(fā)送與接收之間的切換，起到鏈路隔離的作用。 測量系統(tǒng)結構框圖如圖2 所示。

圖2 測量系統(tǒng)結構框圖

2.1 信號發(fā)射鏈路設計

2.1.1 射頻激勵源設計

直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)，主要由信號發(fā)生器部分和控制部分組成[16]。 DDS 信號源(AD9910)產(chǎn)生相應的正弦電流信號。 基于微控制器指令，信號通過低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)和信號調節(jié)電路。 A/D 芯片采集輸出的正弦信號，將采集數(shù)字信號至STM32F407 單片機主控板與用戶設定值相比較，保證輸出正弦電流信號是標準的。 通過主控板調節(jié)DDS 的三個信號控制參數(shù):頻率、相位和幅度。 配合高精度溫度補償型晶振(TCXO)產(chǎn)生頻率、相位可編程控制的并且頻譜純凈的模擬正弦波輸出。

DDS 產(chǎn)生兩路低頻信號，經(jīng)鎖相環(huán)(PLL)64 倍頻，分別作為發(fā)射模塊的激勵源及接收模塊的本振信號。

2.1.2 功率放大器設計

發(fā)射鏈路的發(fā)射功率應足夠大，即激勵信號在經(jīng)過無線傳輸路徑損耗后，回波信號仍然能夠被接收鏈路檢測到。 溫度傳感系統(tǒng)的傳輸距離約為1 m，選擇的功率放大器的增益應在20 dB～30 dB 之間，芯片的工作范圍需包含射頻信號的頻率范圍。 根據(jù)以上要求，功率放大器選擇ADI 公司的HMC580 組成一個分布式功率放大器，工作在直流和1 GHz 之間。

鎖相環(huán)倍頻后激勵源通過兩級功放實現(xiàn)射頻放大，射頻放大電路由兩級組成，第一級功放PA1 將信號功率放大到13.5 dBm，第二級功放PA2 將信號功率放大30 dBm，功率放大電路如圖3 所示。

圖3 功率放大電路

2.2 Welch 算法的頻率估計

為了分析Welch 算法在功率譜估計中的性能，對有噪序列進行功率譜估計。 采用的信號是正弦信號加高斯白噪聲，采樣率Fs＝1 000 Hz，交疊數(shù)為8，正弦信號的頻率為f ＝433 MHz，所用數(shù)據(jù)長度N ＝400。 將周期圖法與Welch 法得到的功率譜曲線進行對比，如圖4 所示。

圖4 周期圖法與Welch 法功率譜曲線

由圖4 可知，周期圖法功率譜線起伏較為劇烈，而且在譜峰處起伏較大，這種方法功率譜分辨率高，但是方差性能差。 在實際測試環(huán)境中，背景環(huán)境不可能是絕對的純凈環(huán)境，由于干擾信號的存在譜峰甚至有被淹沒的可能性。 而Welch 法估計的功率譜曲線，起伏平緩并且方差性能好，估計的功率譜也較為平滑，雖然Welch 法是以分辨率的下降及偏差的增大為代價的，不過此種方法，原理簡單易實現(xiàn)，能夠得到較為準確的估計效果。

2.3 信號接收鏈路設計

影響回波信號質量的主要是電路的噪聲及測試環(huán)境的干擾源。 噪聲的來源很多，包括前置放大電路混入的噪聲以及ADC 采樣噪聲。 干擾信號的存在對傳感器測試產(chǎn)生了很大的影響，甚至有可能會淹沒傳感器回波信號。 回波信號接收的基本功能，指在一定信噪比(SNR)條件下，接收傳感器諧振產(chǎn)生的小功率回波信號。 收鏈路可以檢測到最小功率P 為:

式中:kT 是熱能，B 是接收器的帶寬，F(xiàn) 是接收器的噪聲系數(shù)，最小功率P 越低，檢測的回波信號的靈敏度越低，電路穩(wěn)定性就越高。 由式(5)可知，噪聲系數(shù)F直接影響接收鏈路功率P 帶寬越小，熱噪聲的功率越低，適當減小帶寬能提高接收鏈路的檢測能力。

綜合以上要求，測量系統(tǒng)接收鏈路必須要有足夠高的信噪比、較大的動態(tài)范圍。 其中低噪聲放大器處于接收鏈路前端，對微弱的回波信號進行放大，在整個測量系統(tǒng)中尤為重要。 低噪聲放大器的選取需根據(jù)電路實際情況權衡噪聲系數(shù)、外部電路阻抗、增益及電路帶寬等參數(shù)。 防止信號失真，同時為了保證后級混頻器工作在線性工作狀態(tài)，增益不能過大，低噪聲放大芯片選用凌力爾特公司的RF2361，電路如圖5 所示。

圖5 低噪聲放大器電路圖

混頻器位于低噪聲放大器之后，直接處理LNA放大后的射頻信號。 混頻器選用ADI 公司的AD8343，通過計算回波信號與射頻激勵信號的頻差，從而得到溫度造成傳感器變化的頻率值。

2.4 軟件設計

溫度測量系統(tǒng)開始工作后，它將首先進行軟件復位，包括微控制單元程序，DDS 及PLL 模塊程序，模數(shù)轉換器程序等。 復位后，設定的頻率經(jīng)過濾波及功率放大，微控制單元打開射頻隔離開關，通過天線發(fā)送掃頻信號。 進行一次掃頻后，判斷是否已發(fā)送掃描信號。 成功發(fā)射完畢后，判斷接收鏈路能否接收到信號，若不能則說明掃頻頻率值過低，不足以激勵溫度傳感器，因此增加DDS 頻率。 掃頻完成后，對回波信號進行Welch 運算，得到諧振頻率。 根據(jù)諧振器溫度頻率曲線，解算當前環(huán)境溫度值。 軟件流程圖，如圖6 所示。

圖6 處理回波信號流程圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 射頻信號發(fā)射測試

在程序里設置好頻率值后，將程序下載到主控芯片。 測試的頻率值與設置值基本一樣，稍微的偏差是受環(huán)境、儀器探頭等的影響。 使用Tektronix 公司生產(chǎn)的MDO3054 示波器測試DDS 掃頻信號頻率，掃頻范圍是6.707 MHz～6.803 MHz，如圖7 所示。

圖7 掃頻信號頻率

通過鎖相環(huán)對DDS 的掃頻頻率進行64 倍頻，鎖相環(huán)倍頻后的輸出頻率為428 MHz～435 MHz，通過功率放大器后，從頻譜儀上觀測頻率值及信號功率，如圖8 所示。 從圖中可以看出，射頻發(fā)射信號主瓣帶寬大，旁瓣雜波較小，與預期結果一致。

圖8 頻譜儀實測頻譜圖

3.2 信號接收鏈路測試

測量系統(tǒng)通過天線接收傳感器受到激勵產(chǎn)生諧振后的回波信號。 回波信號是一個雙邊帶信號，其包絡呈指數(shù)衰減。 由于發(fā)射鏈路產(chǎn)生的激勵信號在信道中傳播一定的距離，需要花費時間，所以與接收鏈路收到的回波信號間有時延，利用射頻隔離開關，將回波信號進行分離。 傳感器回波信號如圖9 所示。

圖9 傳感器回波信號

3.3 傳感器溫度測試

為了探究SAW 傳感器諧振頻率與溫度之間的關系，設計了溫升實驗，同時搭建了無線無源的SAW 傳感器的測試平臺，如圖10 所示。 將聲表面波傳感器放置在SET 高精度數(shù)顯恒溫加熱臺上，控制加熱臺溫度從室溫25 ℃以每次5 ℃的間隔升溫到110 ℃。 在數(shù)顯加熱平臺每次調節(jié)溫度后且達到穩(wěn)定時，將諧振頻率數(shù)據(jù)保存到上位機里，測試結束后將數(shù)據(jù)導出，剔除個別偏差較大的頻率值后，一共得到10 組數(shù)據(jù)。

表1 溫升實驗測試數(shù)據(jù)

圖10 溫升實驗測試平臺

將實驗所得的數(shù)據(jù)繪制在圖11 中，使用最小二乘法對得到的數(shù)據(jù)進行擬合，圖中實線為一次多項式擬合，虛線為二次多項式擬合。

圖11 數(shù)據(jù)擬合圖

根據(jù)式(1)擬合的二次多項式，f 的單位為MHz，T 的單位為攝氏度:

f＝-3.333×10-5T2+6.666×10-5T+432.798 (6)

對得到的擬合圖線中較大的誤差點進行分析，頻率在433.58 MHz 附近，實際測試溫度為85 ℃，而擬合曲線計算出的溫度為83 ℃。

由式(7)可知誤差比為-2.4%，誤差主要來源于DDS 頻偏，電路的溫漂等。

4 結語

聲表面波技術已經(jīng)證明了其傳感和無線通信能力，它最大優(yōu)勢是具有無線無源信號傳遞特性，近年來受到國內外研究機構普遍重視，值得進一步研究。根據(jù)測溫SAW 傳感器設計了基于SAW 傳感器的測量系統(tǒng)，包括發(fā)射及接收鏈路。 匹配的Welch 算法降低了噪聲及背景環(huán)境干擾源對信號質量的影響，提升了溫度測量精度，回波信號頻譜分析結果表明算法性能良好。 最后通過傳感器實測驗證了系統(tǒng)的可行性，實驗結果表明該系統(tǒng)測量的精度高，具有優(yōu)良的測試性能。