CN103575315A - 采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法 - Google Patents

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陈智军
张亦居
蒋玲
童锐
王昕辰
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Abstract

本发明公开了一种采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，属于新型传感器测试技术领域。本发明是基于延迟线型声表面波传感器的幅频特性和相位特性进行测试的。首先，信号源在一定频率范围内以一定频率间隔扫频输出激励信号，通过测量扫频范围内每一频率点的传感器输入激励信号与输出响应信号幅值比来得到谐振频率；在此基础上，信号源输出固定频率的激励信号，通过测量传感器输入激励信号与输出响应信号的相位差来精确检测被测对象的特征参数。本发明可使延迟线型声表面波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。

Description

采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法
技术领域
本发明涉及一种延迟线型声表面波传感器，尤其涉及一种基于幅频特性和相位特性的延迟线型声表面波传感器的测试方法，属于新型传感器测试技术领域。
背景技术
声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器是一种新型传感器，有着广泛的应用前景。目前，声表面波传感器可用于温度传感、压力传感、扭矩传感、气体传感、液体传感等多个领域。
从结构上看，声表面波传感器可分为延迟线(Delay Line)型和谐振器(Resonator)型两种类型。延迟线型声表面波传感器结构如图1所示，包括压电基片1、输入叉指换能器2、输出叉指换能器3。在输入叉指换能器上加上激励信号，通过逆压电效应把电信号转化为声表面波信号，声表面波在压电基片上传播到达输出叉指换能器时，再通过正压电效应把声表面波信号转化为电信号。谐振器型声表面波传感器结构如图2所示，包括压电基片1、叉指换能器4和反射栅5。叉指换能器两侧的反射栅构成一个声学谐振腔，叉指换能器则将激励信号的能量导入和将谐振腔内的能量导出。外部激励信号加载在叉指换能器上，通过逆压电效应将电信号转换为声表面波信号，声表面波沿压电基片表面向两侧传播，经反射栅反射叠加，再通过正压电效应把声表面波信号转化为电信号，通过叉指换能器输出。与谐振器型声表面波传感器相比，延迟线型声表面波传感器的优点在于设计简单、对声表面波器件工艺精度要求低、两个换能器之间有较大区域可用于涂覆感应材料等。
延迟线型声表面波传感器测量被测对象时，被测对象特征参数的变化导致声表面波传播速度变化，从而引起传感器谐振频率和输入输出相位差的变化。相位差测量方法的灵敏度高，但量程过大会有盲区。通过直接测量传感器幅频特性，进而得到传感器谐振频率的扫频法虽然不存在大量程盲区问题，但测量灵敏度及精度均不如相位差方法。
迄今为止，延迟线型声表面波传感器的实用化程度还不是很高，大部分的研究尚处于实验室阶段，主要的测量仪器为网络分析仪。如果搭建的测试***能够结合相位差测量方法和扫频法各自的优点并加以组合使用，可使延迟线型声表面波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于幅频特性和相位特性的延迟线型声表面波传感器测试***及其测试方法，能够结合相位差测量方法和扫频法各自的优点并加以组合使用，实现网络分析仪的相应功能，使延迟线型声表面波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，包括如下步骤：
    步骤A，当延迟线型声表面波传感器负载被测对象时，采用微控制器模块控制信号源以一定频率间隔扫频输出激励信号；其中，扫频范围以传感器的理论谐振频率为中心，所述频率的上下限以传感器的参数及被测对象来确定；
    步骤B，将步骤A所述的激励信号传输至延迟线型声表面波传感器后输出响应信号；
    步骤C，将步骤A所述激励信号与步骤B所述响应信号的幅值比转换为模拟电压信号，然后通过A/D转换将模拟电压信号转换为数字信号，再送入微控制器模块；
    步骤D，重复步骤B至步骤C，直至获得关于扫频范围内所有频率点的传感器输入激励信号与输出响应信号的幅值比的数字信号，然后采用微控制器模块对所述数字信号进行处理，获得传感器的幅频特性曲线，从而测得传感器负载被测对象时的谐振频率；
    步骤E，采用微控制器模块控制信号源产生一个频率固定的激励信号，该固定频率即为通过步骤D测得的传感器谐振频率；
    步骤F，将步骤E所述的激励信号传输至延迟线型声表面波传感器后输出响应信号；
    步骤G，将步骤E所述激励信号与步骤F所述响应信号的相位差转换为模拟电压信号，然后通过A/D转换将模拟电压信号转换为数字信号，再送入微控制器模块；
    步骤H，通过步骤D测得的传感器谐振频率和步骤G得到的相位差信息获得被测对象的特征参数，通过显示模块显示出被测对象的特征参数以提供给用户。
    作为本发明的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法进一步的优化方案，所述信号源模块采用直接数字式频率合成器DDS加上锁相环PLL的形式，所述DDS采用美国ADI公司的AD9850芯片，所述PLL采用美国Linear Technology公司的LTC6946芯片。
    作为本发明的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法进一步的优化方案，所述信号转换模块采用美国ADI公司的AD8302芯片。
    作为本发明的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法进一步的优化方案，所述信号采集模块采用微处理器内部集成的A/D转换电路实现。
作为本发明的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法进一步的优化方案，所述微控制器模块采用基于ARM内核的STM32。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明搭建的测试***能够结合延迟线型声表面波传感器的相位差测量方法和扫频法各自优点并加以组合使用，在不存在大量程盲区的同时，灵敏度高、精度高。
2. 本发明的信号源模块采用DDS(直接数字式频率合成器)加上PLL(锁相环)的形式。DDS能够快速改变频率，方便扫频输出激励信号；PLL能够实现倍频功能，提高了输出激励信号的频率。
3. 本发明的信号转换模块采用ADI公司的AD8302芯片，该芯片可以同时测量两路信号的幅值比和相位差；并且，DDS和PLL组合的信号源能同时满足谐振频率测量时频率可变和相位差测量时频率固定的要求。这样，扫频法和相位差测量方法可以用同一个硬件电路实现，从而提高测试电路的性能。
4. 本发明能够实现网络分析仪的幅频特性和相频特性测量功能，从而使延迟线型声表面波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。
附图说明
图1是延迟线型声表面波传感器结构图。
图2是谐振器型声表面波传感器结构图。
图3是本发明的结构模块框图。
图4是本发明的测试电路模块框图。
图5是本发明的测试***的幅频特性测量结果与网络分析仪测量结果对比图。
图6是本发明的测试***的相频特性测量结果与网络分析仪测量结果对比图。
图中的标号名称：1. 压电基片，2. 输入叉指换能器，3. 输出叉指换能器，4. 叉指换能器，5. 反射栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图3所示，一种延迟线型声表面波传感器测试***。其结构包括信号源模块、延迟线型声表面波传感器、信号转换模块、信号采集模块、微控制器模块、显示模块。其中：信号源模块的输出端分别连接传感器的输入端和信号转换模块的第一输入端，传感器的输出端连接信号转换模块的第二输入端，信号转换模块的输出端连接信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端连接微控制器模块的输入端，微控制器模块的输出端连接信号源模块的输入端和显示模块的输入端。
如图4所示，一种延迟线型声表面波传感器测试电路模块框图。信号源模块采用DDS(直接数字式频率合成器)加上PLL(锁相环)的形式。通过DDS作为PLL的源，PLL对DDS倍频来产生信号源。DDS能够快速改变频率，方便扫频输出激励信号；PLL能够实现倍频功能，提高了输出激励信号的频率。因此，DDS和PLL组合的信号源能同时满足谐振频率测量时频率可变和相位差测量时频率固定的要求。
DDS采用美国ADI公司的AD9850芯片，其最大***时钟为125MHz，具有响应速度快、频率分辨率高等优点。PLL采用美国Linear Technology公司的LTC6946芯片，该芯片包括基准分频器、具锁相指示器的相位-频率检测器、超低噪声充电泵、整数反馈分频器和压控振荡器输出分频器。
信号转换模块把传感器输入激励信号与输出响应信号幅值比和相位差信息转换为模拟电压信号。信号转换模块采用美国ADI公司的AD8302芯片，包括内部集成的两个对数放大器、相位检测器、相位输出放大器、幅值比输出放大器组、参考电压输出缓冲器等，其输入频率范围为低频至2.7GHz。AD8302既可以测量两路信号的幅值比，也可以测量相位差。因此，扫频法和相位差测量方法可以用同一个硬件电路实现，从而提高测试电路的性能。
信号采集模块采用微处理器内部集成的A/D转换电路实现。微控制器模块采用基于ARM内核的STM32。
延迟线型声表面波传感器测试方法包括如下步骤：
1) 信号源电路在STM32的控制下以一定频率间隔扫频输出激励信号，扫频范围以延迟线型声表面波传感器的理论谐振频率为中心，频率上下限视传感器参数及被测对象而定；
2) 信号源电路的输出分两路，一路用于激励输入叉指换能器，另一路接入AD8302电路的输入通道A；
3) 声表面波传感器在输入叉指换能器输入激励信号的作用下，输出叉指换能器输出响应信号，接入AD8302电路的输入通道B；
4) AD8302电路把输入通道A和B的幅值比转换为模拟电压信号，经输出端送入A/D转换电路；
5) A/D转换电路把模拟电压信号转换为数字信号，送入STM32；
6) 在一次完整扫频中，STM32对A/D转换电路送来的数字信号进行处理，获得声表面波传感器的幅频特性曲线并得到谐振频率；
7) 信号源电路在STM32的控制下输出频率固定的激励信号，该固定频率即为通过上述扫频法测得的传感器谐振频率；
8) 按照上述步骤2)、3)、4)和5)，把频率固定的激励信号和在该激励信号作用下的输出叉指换能器响应信号分别接入AD8302电路的输入通道A和B；AD8302电路把输入通道A和B的相位差转换为模拟电压信号，经输出端送入A/D转换电路；A/D转换电路把模拟电压信号转换为数字信号，送入STM32；
9) 在频率固定的信号激励下，STM32对A/D转换电路送来的上述数字信号进行处理，获得声表面波传感器输入激励信号与输出响应信号之间的相位差；
10) 通过步骤6)测得的传感器谐振频率和步骤9)得到的相位差信息获得被测对象的特征参数，通过显示模块显示出被测对象的特征参数以提供给用户。
如图5所示，测试***的幅频特性测量结果与网络分析仪测量结果对比。图5中(a)为测试***的幅频特性测量结果，(b)为网络分析仪测量结果。
如图6所示，测试***的相频特性测量结果与网络分析仪测量结果对比。图6中(a)为测试***的相频特性测量结果，(b)为网络分析仪测量结果。
从图5和图6可知，测试电路无论在幅频特性的测量还是相频特性的测量上都和网络分析仪一致，能够实现网络分析仪的幅频特性和相频特性测量功能，从而使延迟线型声表面波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。

Claims (5)

1.一种采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
    步骤A，当延迟线型声表面波传感器负载被测对象时，采用微控制器模块控制信号源以一定频率间隔扫频输出激励信号；其中，扫频范围以传感器的理论谐振频率为中心，所述频率的上下限以传感器的参数及被测对象来确定；
    步骤B，将步骤A所述的激励信号传输至延迟线型声表面波传感器后输出响应信号；
    步骤C，将步骤A所述激励信号与步骤B所述响应信号的幅值比转换为模拟电压信号，然后通过A/D转换将模拟电压信号转换为数字信号，再送入微控制器模块；
    步骤D，重复步骤B至步骤C，直至获得关于扫频范围内所有频率点的传感器输入激励信号与输出响应信号的幅值比的数字信号，然后采用微控制器模块对所述数字信号进行处理，获得传感器的幅频特性曲线，从而测得传感器负载被测对象时的谐振频率；
    步骤E，采用微控制器模块控制信号源产生一个频率固定的激励信号，该固定频率即为通过步骤D测得的传感器谐振频率；
    步骤F，将步骤E所述的激励信号传输至延迟线型声表面波传感器后输出响应信号；
    步骤G，将步骤E所述激励信号与步骤F所述响应信号的相位差转换为模拟电压信号，然后通过A/D转换将模拟电压信号转换为数字信号，再送入微控制器模块；
    步骤H，通过步骤D测得的传感器谐振频率和步骤G得到的相位差信息获得被测对象的特征参数，通过显示模块显示出被测对象的特征参数以提供给用户。
2.根据权利要求1所述的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，其特征在于：所述信号源模块采用直接数字式频率合成器DDS加上锁相环PLL的形式，所述DDS采用美国ADI公司的AD9850芯片，所述PLL采用美国Linear Technology公司的LTC6946芯片。
3.根据权利要求1所述的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，其特征在于：所述信号转换模块采用美国ADI公司的AD8302芯片。
4.根据权利要求1所述的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，其特征在于：所述信号采集模块采用微处理器内部集成的A/D转换电路实现。
5.根据权利要求1所述的采用延迟线型声表面波传感器测试物体特征参数的方法，其特征在于：所述微控制器模块采用基于ARM内核的STM32。
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