声表面波无线传感器阅读装置及实现方法技术领域
本发明涉及无线传感领域，具体地，涉及声表面波无线传感器阅读装置及实现方
法。
背景技术
无线传感技术是物联网和无线传感网的基础。由声表面波器件构成的无线传感器
具有纯无源、抗高低温等恶劣环境的显著优点，是无线传感领域的研究热点之一。
谐振式声表面波传感器是一种主要的声表面波无线传感器形式，其核心部件是声
表面波谐振器，通过对谐振式声表面波传感器回波信号的频率进行分析可得到相应的传
感量。为了克服环境的影响并进行多传感数据融合，往往需要集成两个或更多的声表面
波谐振器形成差动结构，通过减去参考谐振器的频率来除去环境的干扰。
目前常用的谐振式声表面波传感器阅读装置，一般只含有一个激励频率源，且该
频率源在单次查询的时候频率是固定的，其工作步骤为：
步骤S1：一次发射/接收一个频点，获得声表面波谐振器在此频点的响应；
步骤S2：步进再收发下一个频点，往复扫描整个声表面波谐振器可能处于的频带；
步骤S3：对工作频带内所有的谐振器往复执行步骤1、2，扫描所有工作频带内的
谐振器。
这种处理方法在检测单个谐振器构成的声表面波传感器时已存在扫面时间较长的
缺点。而用于多个谐振器构成的差动式声表面波传感器时则有更严重的问题：由于一次
只能激励一个谐振器，差动式声表面波传感器的各个谐振器之间存在较长的查询间隔，
而环境是时变的，特别是在动态扭矩、TPMS等高速振动、旋转的环境中，环境影响的
变化是非常迅速的。这种较长的查询间隔明显降低了差动式传感器的精度和抵抗环境的
能力，甚至会放大环境干扰。
参考文献：“AnAlgorithmforAutomatingFastandAccurateMeasurementsofthe
ResonanceFrequenciesofSAWsensors”C.Droit,J.-M.Friedt等公开了一种基于谐振器
BVD电路模型的快速查询方法，但该方法的策略仍和常用结构一致，只是减少了查询
的次数。
中国发明专利，申请号为CN103269252A，发明名称为：多频谱声表面波器件频率
识别装置，提出了一种基于FPGA和数模转换器的阅读装置结构，可以一次同时发射单
个谐振器频带内的多个频率，从而达到快速查询的目的。但这种装置一方面结构比较复
杂，成本较高，更重要的问题是数模转换器的输出存在较大的杂散，如果顾及成本选用
低速率的数模转换器，则将会产生很多低频杂散，这些杂散频率很容易同时对邻近频率
的谐振器产生激励，从而造成误读。如果为避免这一状况采用高频率的数模转换器则会
增加成本，同时还要求FPGA的处理能力和速度也必须相应提升，进一步增加了系统复
杂度和成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种声表面波无线传感器阅读装置
及实现方法。
根据本发明提供的声表面波无线传感器阅读装置，包括：激励信号生成模块、激
励信号放大模块、天线模块、信号接收模块以及信号处理和控制模块，所述激励信号生
成模块的输出端和激励信号放大模块的输入端相连；激励信号放大模块的输出端和天线
模块的输入端相连；天线模块的输出端和信号接收模块的输入端相连；信号接收模块的
输出端和信号处理和控制模块的输入端相连；所述信号处理和控制模块的控制端分别与
激励信号放大模块、天线模块、信号接收模块的控制端相连；其中，
-所述激励信号生成模块用于生成调频信号并传输至激励信号放大模块；
-所述激励信号放大模块用于对调频信号进行放大后输送至天线模块；
-所述天线模块用于发送经过放大后的调频信号和接收外界传感器发送的回波信
号；
-所述信号接收模块用于接收，并放大调理天线模块收到的外界传感器发送的回波
信号；
-所述信号处理和控制模块用于控制激励信号生成模块通过调频方式产生频率值
随时间交替变化的调频信号，并对信号接收模块接收到的信号进行处理。
优选地，所述激励信号生成模块能够生成具有多个频率分量的调频信号，所述调频
信号包括线性调频信号，或者同时产生多个单频信号并合成一个叠加信号；且所述激励
信号生成模块包含若干个频率合成器以及相应个数的功率合成器，所述频率合成器的输
出端与功率合成器相应的输入端相连。
优选地，所述信号接收模块包括若干个解调器和若干个模/数转换通道，且所述解调
器的输出端和模/数转换通道的输入端相连。
优选地，还包括异步通信模块，用于和其他设备之间进行数据交换，所述异步通信
模块与信号处理和控制模块相连。
根据本发明提供的声表面波无线传感器阅读装置的实现方法，利用上述的声表面波
无线传感器阅读装置实现声表面波无线传感器阅读，根据激励信号生成模块中不同数量
的频率合成器，配置不同数量的功率合成器，具体包括如下步骤：
步骤1：信号处理和控制模块控制激励信号生成模块产生查询信号，该查询信号至
少含有两个或以上不同的频率分量；
步骤2：所述查询信号通过信号放大激励信号放大模块和天线模块到达外界的传感
器；
步骤3：传感器上的各谐振器被所述查询信号同时激励，激励结束后，传感器发出
回波信号；
步骤4：天线模块接收传感器发出的回波信号并送入信号处理和控制模块进行处理；
步骤5：信号处理和控制模块对传感器的回波信号进行频率估计，获得传感器上各
谐振器对应的频率和幅值并分析后得到传感器对应的传感量。
优选地，还包括步骤i：当存在多个传感器组成阵列时，步进增加激励信号生成模
块所发出的查询信号的频率值，执行步骤1至步骤5，直至达到量程范围内所有传感器
中的最高频率，获得阵列中每一个传感器对应的传感量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的阅读装置能够根据不同的成本和速度要求采用调频信号交替
频率激励、线性扫频信号激励和多频点共同激励等方法对差动式声表面波传感器的
两个或更多的声表面波谐振器进行同时激励。
2、本发明包括多个谐振器同时受到激励，各谐振器的回波信号可同时被接收
模块接收并被信号处理模块所处理，这就消除了差动式传感器中各个谐振器之间的
查询间隔，从而有效地减少了环境因素的干扰，可显著提高差动式传感器的抗干扰
能力和传感精度。
3、本发明中的阅读装置用于单谐振器的传感器可以有效提高阅读速度，减小
查询周期。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、
目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明提供的实施例1中各自的激励信号生成模块结构示意图；
图3为本发明提供的实施例2中各自的激励信号生成模块结构示意图；
图4为本发明提供的实施例3中各自的激励信号生成模块结构示意图；
图5是本发明实施例1的调频信号的信号波形示意图；
图6是本发明实施例2的线性调频信号的信号波形和频谱示意图；
图7是本发明实施例3的叠加信号的信号频谱示意图；
图8是本发明各实施例作用于含两个谐振器的传感器时的回波信号频谱示意
图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人
员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技
术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于
本发明的保护范围。
图1是本发明的结构示意图，包括激励信号生成模块1、激励信号放大模块2、天
线模块3、信号接收模块4和信号处理和控制模块5。信号处理和控制模块5还连接有
异步通信模块10。
激励信号生成模块1的输出端和激励信号放大模块2的输入端电连接；激励信号放
大模块2的输出端和天线模块3的输入端电连接；天线模块3的输出端和信号接收模块
4的输入端电连接；信号接收模块4的输出端和信号处理和控制模块5的输入端电连接；
信号处理和控制模块5的控制端和其余各模块的控制端电连接。
所述的激励信号生成模块1具有一个或以上的频率合成器111到11n以及一个或
以上的功率合成器121到12n。频率合成器的输出端和功率合成器相应的输入端电连接。
信号接收模块4具有一个或以上的解调器以及一个或以上的模/数转换通道，解调器的输
出端和模/数转换通道的输入端电连接。
下述的各实施例均基于以上结构，不再赘述。
实施例1
所述的激励信号生成模块1产生两个或以上频率的调频信号6。优选地，激励信号
生成模块1含有一个或两个频率合成器和一个功率合成器，其结构如图2所示，激励信
号的形式如图5所示。
本实施例中，优选地，只使用一个频率合成器时，频率合成器可采用直接数字频率
合成器DDS，使用两个频率合成器时可采用锁相环频率合成器PLL。但不限于上述的器
件。
本实施例中具体的查询步骤如下：
步骤A1：信号处理和控制模块5控制激励信号生成模块1通过调频方式产生频率
值随时间交替变化的查询信号6。该步骤首次执行时，查询信号包含的各个频率值是传
感器的各谐振器在量程范围内的最小频率值。
步骤A2：查询信号6通过信号放大激励信号放大模块2和天线模块3到达传感器。
步骤A3：传感器的各谐振器被同时激励，激励结束后，传感器发出回波信号9。
步骤A4：传感器的回波信号9经过天线模块被信号接收模块4处理和采集并送入
信号处理和控制模块5
步骤A5：信号处理和控制模块5对回波信号9进行频率估计，获得各谐振器对应
的频率和幅值并记录。
步骤A6：以一定步进增加频率值，重复步骤1至5直至达到传感器的各谐振器在
量程范围内的最大频率值。
步骤A7：信号处理和控制模块5分析记录的数据得到传感器对应的传感量。
实施例2
所述的激励信号生成模块1产生一个线性调频的扫频信号7。优选地，激励信号生
成模块1含有一个或两个频率合成器和一个功率合成器，其结构如图3所示，激励信号
的形式如图6所示。
本实施例中，优选地，只使用一个频率合成器时，频率合成器可采用直接数字频率
合成器DDS，为了覆盖更多谐振器可采用两个直接数字频率合成器。但不限于上述的器
件。
本实施例中具体的查询步骤如下：
步骤B1：信号处理和控制模块5控制激励信号生成模块1通过线性调频方式产生
扫频查询信号7。扫频查询信号的最低频率值是传感器的所有谐振器中，频率最低的谐
振器在量程范围内的最小频率值；扫频查询信号的最高频率值是传感器的所有谐振器中，
频率最高的谐振器在量程范围内的最高频率值。
步骤B2：查询信号7通过信号放大激励信号放大模块2和天线模块3到达传感器。
步骤B3：传感器的各谐振器被同时激励，激励结束后，传感器发出回波信号9。
步骤B4：传感器的回波信号9经过天线模块被信号接收模块4处理和采集并送入
信号处理和控制模块5
步骤B5：信号处理和控制模块5对回波信号9进行频率估计，获得各谐振器对应
的频率和幅值，即为当前传感器各谐振器的频率。
步骤B6：信号处理和控制模块5分析记录的数据得到传感器对应的传感量。
实施例3
所述的激励信号生成模块1产生多个单频信号，并合成一个叠加信号8。优选地，
激励信号生成模块1含有8个或以上频率合成器和一个或以上的功率合成器，其结构如
图4所示，激励信号的形式如图7所示。
本实施例中，优选地，频率合成器可采用锁相环频率合成器PLL。但不限于上述的
器件。
以含有两个谐振器的差动式传感器说明本实施例中具体的查询步骤如下：
步骤C1：信号处理和控制模块5控制激励信号生成模块1产生8个单频信号，并
合成一个叠加信号8。单频信号中的最小频率值是两个谐振器中频率较低的谐振器在量
程范围内的最低频率值；单频信号中的最大频率值是两个谐振器中频率较高的谐振器在
量程范围内的最高频率值。其余6个单频信号在此范围内平均分布。
步骤C2：查询信号8通过信号放大激励信号放大模块2和天线模块3到达传感器。
步骤C3：传感器的各谐振器被同时激励，激励结束后，传感器发出回波信号9。
步骤C4：传感器的回波信号9经过天线模块被信号接收模块4处理和采集并送入
信号处理和控制模块5
步骤C5：信号处理和控制模块5对回波信号9进行频率估计，获得各谐振器对应
的频率和幅值，即为当前传感器各谐振器的频率。
步骤C6：信号处理和控制模块5分析记录的数据得到传感器对应的传感量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上
述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，
这并不影响本发明的实质内容。