CN112114034B - 具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件及其工作方法，声表面波器件为双频四通道单端延迟线型结构，通过对回波脉冲信号的相位测量，其中两个通道实现射频识别与温度传感的一体化功能，另外两个通道实现对两种气体并行传感的功能，可用于冷藏、冷冻等冷链食品或对温度有明确要求的食品，也可进一步用于气调包装食品。声表面波器件的多个反射栅中，参考反射栅用于消除距离对相位测量结果的影响，温补反射栅用于补偿温度对相位测量结果的影响。本发明的特点是仅通过一个无源器件即可同时实现食品安全领域的信息溯源和质量检测，并且功能易于实现、性价比高。
Description
技术领域：
本发明涉及一种具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件及其工作方法，属于射频识别、无线传感领域。
背景技术：
信息溯源和质量检测是食品安全不可或缺的两个方面。食品信息溯源的核心是强调食品的唯一编码，在唯一编码的基础上，对食品从生产基地到餐桌的一系列信息转化成具体的数据储存到中央数据库，并可通过唯一编码实时调用、查看、汇总和分析食品从农场到餐桌的所有数据，实现追溯功能。但是，不可能仅通过事故发生之后的溯源和追责来解决食品安全问题，更重要的是结合传感器技术，通过对食品的质量检测来提前避免事故、保障食品安全，如：
(1)可对冷藏、冷冻食品或对温度有明确要求的食品在运输、流通及储存过程中进行温度检测，通过检测上述各个环节的温度来及时了解食品的品质，确定食品是否保持新鲜并采取相应的措施。
(2)肉制品等容易氧化变质以及生长微生物的食品经常采用气调包装技术，即根据实际需求将一定比例的包括二氧化碳、氧气、氮气的混合气体充入包装内，以起到保鲜、保色、保味并抑制细菌繁殖的作用。可通过对气调包装内相应气体的检测来保证食品的质量。
食品安全领域的信息溯源和质量检测目前存在着以下问题亟待解决：
(1)现有的食品信息溯源主要采用条形码技术，存在着识别距离近、识别效率低、环境适应性差等问题。
(2)现有的食品质量检测主要采取抽样检验方式，不能实现对所有食品的全方位实时检测，且某些方法属于破坏性检测，譬如用于检测气调包装食品中气体浓度的顶空气体分析仪等。
(3)近年来虽然通过先进的智能包装(Smart Packaging)技术可同时实现食品的信息溯源和质量检测，但目前采用的是射频识别与无线传感两种技术各自独立、各司其职的方式，***整合的难度较大、成本较高。
发明内容：
本发明针对目前食品安全领域信息溯源和质量检测存在的问题，提出具有射频识别与无线传感一体化功能的声表面波器件及其工作方法，该工作方法通过相应的射频识别与无线温度传感、气体传感，可用于冷藏、冷冻等冷链食品或对温度有明确要求的食品，也可进一步用于气调包装食品。
本发明采用如下技术方案：一种具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件，其特征在于：所述声表面波器件采用双频四通道单端延迟线型结构，包括压电基底、第一叉指换能器、第二叉指换能器、第一参考反射栅、第二参考反射栅、第三参考反射栅、第一温补反射栅、第二温补反射栅、第三温补反射栅、第四温补反射栅、第一编码反射栅、第二编码反射栅、第三编码反射栅、第四编码反射栅、第五编码反射栅、第六编码反射栅、第七编码反射栅、第一气体传感反射栅、第二气体传感反射栅、第一气体敏感膜、第二气体敏感膜以及天线；
所述第一叉指换能器沉积在压电基底的左侧上半部分，第二叉指换能器沉积在压电基底的左侧下半部分；
所述第一叉指换能器和第二叉指换能器的孔径相等且小于压电基底宽度的一半，两者通过并联的方式与天线连接；
所述天线为双频天线，涵盖840～845MHz、920～925MHz两个频段；
所述第一参考反射栅、第二温补反射栅、第二编码反射栅、第四编码反射栅、第六编码反射栅沉积在压电基底的上部，孔径均相等且小于第一叉指换能器的孔径的一半，与第一叉指换能器的上半部分一起构成声表面波的第一传播通道；
所述第一温补反射栅、第一编码反射栅、第三编码反射栅、第五编码反射栅、第七编码反射栅沉积在压电基底的中间偏上位置，孔径均相等且小于第一叉指换能器的孔径的一半，与第一叉指换能器的下半部分一起构成声表面波的第二传播通道；
所述第二参考反射栅、第三温补反射栅、第一气体传感反射栅沉积在压电基底的中间偏下位置，孔径均相等且小于第二叉指换能器的孔径的一半，与第二叉指换能器的上半部分一起构成声表面波的第三传播通道；
所述第一气体敏感膜涂覆在声表面波的第三传播通道的第三温补反射栅与第一气体传感反射栅之间；
所述第三参考反射栅、第四温补反射栅、第二气体传感反射栅沉积在压电基底的下部，孔径均相等且小于第二叉指换能器的孔径的一半，与第二叉指换能器的下半部分一起构成声表面波的第四传播通道；
所述第二气体敏感膜涂覆在声表面波的第四传播通道的第四温补反射栅与第二气体传感反射栅之间；
通过设计第一叉指换能器的指条宽度和第一参考反射栅、第一温补反射栅、第二温补反射栅、第一编码反射栅、第二编码反射栅、第三编码反射栅、第四编码反射栅、第五编码反射栅、第六编码反射栅、第七编码反射栅的栅条宽度，使声表面波的第一传播通道、第二传播通道的中心频率f1为922.5MHz；通过设计第二叉指换能器的指条宽度和第二参考反射栅、第三参考反射栅、第三温补反射栅、第四温补反射栅、第一气体传感反射栅、第二气体传感反射栅的栅条宽度，使声表面波的第三传播通道、第四传播通道的中心频率f2为842.5MHz。
进一步地，第一编码反射栅、第二编码反射栅、第三编码反射栅、第四编码反射栅、第五编码反射栅、第六编码反射栅、第七编码反射栅分别位于七个编码数据区；每个编码数据区内等间距地划分N个时隙，编码反射栅位于其中一个时隙；每个时隙内进一步对360°相位等间距地划分n个相隙，编码反射栅位于其中一个相隙。
进一步地，所述第一参考反射栅、第一温补反射栅、第二温补反射栅、第一编码反射栅、第二编码反射栅、第三编码反射栅、第四编码反射栅、第五编码反射栅、第六编码反射栅、第七编码反射栅与第一叉指换能器的距离各不相同，以确保第一传播通道、第二传播通道的所有反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。
进一步地，所述第二参考反射栅、第三参考反射栅、第三温补反射栅、第四温补反射栅、第一气体传感反射栅、第二气体传感反射栅与第二叉指换能器的距离各不相同，以确保第三传播通道、第四传播通道的所有反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。
进一步地，在食品安全领域，针对常规充入包括二氧化碳、氧气、氮气的混合气体的气调包装食品，第一气体敏感膜采用对二氧化碳的吸附具有选择性和可逆性的聚醚酰亚胺膜，第二气体敏感膜采用对氧气的吸附具有选择性和可逆性的二氧化钛膜；
所述声表面波器件的第一气体敏感膜、第二气体敏感膜所在位置不封装，以敏感气调包装内的气体；所述声表面波器件的其它位置封装，以保护叉指换能器和反射栅。
本发明还采用如下技术方案：一种具有射频识别与无线传感一体化功能的声表面波器件的工作方法，其在食品安全领域用于冷藏、冷冻等冷链食品或对温度有明确要求食品的射频识别与无线温度传感，包括如下步骤：
步骤A：针对固定式阅读器，食品移动到阅读器作用区域；针对手持式阅读器，阅读器移动到食品附近，以保证食品位于阅读器作用区域；
步骤B：阅读器发射载波频率为f1的激励脉冲信号，通过阅读器天线以电磁波的形式向外辐射；
步骤C：声表面波器件通过天线接收激励脉冲信号，中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的第一传播通道、第二传播通道响应该激励脉冲信号，第一叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波，分别沿第一传播通道、第二传播通道的压电基底表面传播；
步骤D：沿第一传播通道传播的声表面波依次遇到第一参考反射栅、第二温补反射栅、第二编码反射栅、第四编码反射栅、第六编码反射栅产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第一叉指换能器；与之相同，沿第二传播通道传播的声表面波依次遇到第一温补反射栅、第一编码反射栅、第三编码反射栅、第五编码反射栅、第七编码反射栅产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第一叉指换能器；第一叉指换能器通过正压电效应将反射信号转换为包括10个回波脉冲信号的第一回波脉冲串，其中10个回波脉冲信号时序与上述10个反射栅位置具有一一对应关系；第一回波脉冲串通过天线发射回阅读器天线；
步骤E：阅读器对第一回波脉冲串进行信号处理，经过正交解调直接解算出时隙编码；通过温补反射栅构造参考时延，使其在温度变化范围内相应的相位变化不超过一个周期，并进一步通过对第一温补反射栅、第二温补反射栅对应的回波脉冲信号的时延求差的方法构造并减小参考时延；根据参考时延的相位变化及10个反射栅之间的位置关系反推出7个编码反射栅在参考温度时的初始相位，从而解算出相隙编码，实现射频识别功能；
步骤F：正交解调直接解算出的相位减去参考温度时的初始相位即为温度引起的相位变化，在实现射频识别功能的前提下，根据10个反射栅之间的距离在参考温度时的已知关系，通过由近及远、比例递推的方式，将参考时延随温度引起的相位变化逐步递推到10个反射栅中距离最远的两个反射栅即第一参考反射栅与第七编码反射栅之间的相位变化，根据温度变化与相位变化之间的关系检测出温度，完成射频识别与无线温度传感的一体化功能。
本发明又采用如下技术方案：一种具有射频识别与无线传感一体化功能的声表面波器件的工作方法，其在食品安全领域用于气调包装食品的射频识别与无线温度传感、气体传感，包括如下步骤：
步骤a：与权利要求6中的步骤A、步骤B、步骤C、步骤D、步骤E、步骤F相同，实现射频识别与无线温度传感功能；
步骤b：阅读器发射载波频率为f2的激励脉冲信号，通过阅读器天线以电磁波的形式向外辐射；
步骤c：声表面波器件通过天线接收激励脉冲信号，中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的第三传播通道、第四传播通道响应该激励脉冲信号，第二叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波，分别沿第三传播通道、第四传播通道的压电基底表面传播；
步骤d：沿第三传播通道传播的声表面波依次遇到第二参考反射栅、第三温补反射栅、第一气体传感反射栅产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第二叉指换能器；与之相同，沿第四传播通道传播的声表面波依次遇到第三参考反射栅、第四温补反射栅、第二气体传感反射栅产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第二叉指换能器；第二叉指换能器通过正压电效应将反射信号转换为包括6个回波脉冲信号的第二回波脉冲串，其中6个回波脉冲信号时序与上述6个反射栅位置具有一一对应关系；第二回波脉冲串通过天线发射回阅读器天线；
步骤e：阅读器对第二回波脉冲串中与第二参考反射栅、第三温补反射栅、第一气体传感反射栅对应的3个回波脉冲信号进行信号处理，当气调包装中的二氧化碳浓度变化时，第一气体敏感膜即聚醚酰亚胺膜吸附的二氧化碳量随之改变，并进一步导致第三温补反射栅、第一气体传感反射栅对应的回波脉冲信号的相位差发生变化；通过对第二参考反射栅、第三温补反射栅对应的回波脉冲信号的时延差构造参考时延，将该参考时延随温度引起的相位变化递推到第三温补反射栅与第一气体传感反射栅对应的回波脉冲信号之间，从而补偿温度变化引起的相位差，测得气调包装中二氧化碳的浓度；
步骤f：阅读器对第二回波脉冲串中与第三参考反射栅、第四温补反射栅、第二气体传感反射栅对应的3个回波脉冲信号进行信号处理，采用与步骤e相同的方法，测得气调包装中氧气的浓度；
步骤g：由于气调包装中二氧化碳、氧气、氮气的浓度之和为100％，在通过步骤e测得二氧化碳浓度、通过步骤f测得氧气浓度之后，即可获知气调包装中氮气的浓度，完成射频识别与无线温度传感、气体传感的一体化功能。
本发明具有如下有益效果：
1.与条形码技术相比，声表面波射频识别技术存在着识别距离远、识别效率高、环境适应性强等优点。
2.声表面波器件体积小、纯无源、价格低，便于与食品包装集成，从而可实现对所有食品的全方位实时检测。用于检测气调包装食品中气体的浓度时，不需要破坏气调包装。
3.声表面波器件具有射频识别与无线温度传感、气体传感的一体化功能，仅通过一个无源器件即可同时实现食品的信息溯源和质量检测，并且功能易于实现、性价比高。
4.声表面波器件采用时隙编码与相隙编码相结合的方式，可以大幅度提高射频识别的编码容量，便于规模化应用；采用单频双通道实现射频识别与温度传感的一体化功能，与采用单通道相比，反射栅的反射率可以设计得更高，射频识别与温度传感的距离可以更远；采用两个温补反射栅实现射频识别与温度传感的一体化功能，与采用单个温补反射栅相比，可以大幅度扩大温度传感时的测温范围。
附图说明：
图1是本发明的声表面波器件结构示意图。
图2是本发明的声表面波器件的射频识别编码方式示意图。
图3是本发明的声表面波器件的第一传播通道、第二传播通道的所有反射栅对应的回波信号(第一回波脉冲串)示意图。
图4是本发明的声表面波器件结构加以简化的单频双通道单端延迟线型结构示意图。
图5是本发明的声表面波器件的第三传播通道、第四传播通道的所有反射栅对应的回波信号(第二回波脉冲串)示意图。
上述图中的标号名称：1.压电基底，2.第一叉指换能器，3.第二叉指换能器，4.第一参考反射栅，5.第二参考反射栅，6.第三参考反射栅，7.第一温补反射栅，8.第二温补反射栅，9.第三温补反射栅，10.第四温补反射栅，11.第一编码反射栅，12.第二编码反射栅，13.第三编码反射栅，14.第四编码反射栅，15.第五编码反射栅，16.第六编码反射栅，17.第七编码反射栅，18.第一气体传感反射栅，19.第二气体传感反射栅，20.第一气体敏感膜，21.第二气体敏感膜，22.天线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参照图1所示，本发明具有射频识别与无线传感一体化功能的声表面波器件采用双频四通道单端延迟线型结构，包括压电基底1、第一叉指换能器2、第二叉指换能器3、第一参考反射栅4、第二参考反射栅5、第三参考反射栅6、第一温补反射栅7、第二温补反射栅8、第三温补反射栅9、第四温补反射栅10、第一编码反射栅11、第二编码反射栅12、第三编码反射栅13、第四编码反射栅14、第五编码反射栅15、第六编码反射栅16、第七编码反射栅17、第一气体传感反射栅18、第二气体传感反射栅19、第一气体敏感膜20、第二气体敏感膜21以及天线22。
第一叉指换能器2沉积在压电基底1的左侧上半部分，第二叉指换能器3沉积在压电基底1的左侧下半部分；第一叉指换能器2和第二叉指换能器3的孔径相等且小于压电基底1宽度的一半，两者通过并联的方式与天线22连接；天线22为双频天线，涵盖840～845MHz、920～925MHz两个频段。
第一参考反射栅4、第二温补反射栅8、第二编码反射栅12、第四编码反射栅14、第六编码反射栅16沉积在压电基底1的上部，孔径均相等且小于第一叉指换能器2的孔径的一半，与第一叉指换能器2的上半部分一起构成声表面波的第一传播通道；第一温补反射栅7、第一编码反射栅11、第三编码反射栅13、第五编码反射栅15、第七编码反射栅17沉积在压电基底1的中间偏上位置，孔径均相等且小于第一叉指换能器2的孔径的一半，与第一叉指换能器2的下半部分一起构成声表面波的第二传播通道；第二参考反射栅5、第三温补反射栅9、第一气体传感反射栅18沉积在压电基底1的中间偏下位置，孔径均相等且小于第二叉指换能器3的孔径的一半，与第二叉指换能器3的上半部分一起构成声表面波的第三传播通道；第三参考反射栅6、第四温补反射栅10、第二气体传感反射栅19沉积在压电基底1的下部，孔径均相等且小于第二叉指换能器3的孔径的一半，与第二叉指换能器3的下半部分一起构成声表面波的第四传播通道。
第一气体敏感膜20涂覆在声表面波的第三传播通道的第三温补反射栅9与第一气体传感反射栅18之间；第二气体敏感膜21涂覆在声表面波的第四传播通道的第四温补反射栅10与第二气体传感反射栅19之间。
根据中心频率f＝v/λ，其中v为声表面波的传播速度，取决于压电基底的切型，λ为声表面波的波长，与叉指换能器的指条宽度和反射栅的栅条宽度具有对应关系，并根据我国标准把800/900MHz频带分为840～845MHz、920～925MHz两个独立频段的实际情况，通过设计第一叉指换能器2的指条宽度和第一参考反射栅4、第一温补反射栅7、第二温补反射栅8、第一编码反射栅11、第二编码反射栅12、第三编码反射栅13、第四编码反射栅14、第五编码反射栅15、第六编码反射栅16、第七编码反射栅17的栅条宽度，使声表面波的第一传播通道、第二传播通道的中心频率f1为922.5MHz；通过设计第二叉指换能器3的指条宽度和第二参考反射栅5、第三参考反射栅6、第三温补反射栅9、第四温补反射栅10、第一气体传感反射栅18、第二气体传感反射栅19的栅条宽度，使声表面波的第三传播通道、第四传播通道的中心频率f2为842.5MHz。
请参照图2所示，声表面波器件的第一编码反射栅11、第二编码反射栅12、第三编码反射栅13、第四编码反射栅14、第五编码反射栅15、第六编码反射栅16、第七编码反射栅17分别位于七个编码数据区；每个编码数据区内等间距地划分N个时隙，编码反射栅位于其中一个时隙，譬如图2所示的第二编码反射栅12位于第二编码数据区的第1个时隙；每个时隙内进一步对360°相位等间距地划分n个相隙，编码反射栅位于其中一个相隙，譬如图2所示的第二编码反射栅12进一步位于第二编码数据区的第1个时隙内的第2个相隙；当时隙N＝4时，声表面波器件采用时隙编码的编码容量仅为N7＝16384；如果阅读器的相位测量精度在±20°以内，则相隙n可设计为9，声表面波器件采用时隙编码与相隙编码相结合方式的编码容量为(N×n)7＝78364164096，从而可通过相位测量的高分辨率来弥补时间分辨率的不足，大幅度提高射频识别的编码容量以便于规模化应用。
请参照图1、图3所示，声表面波的第一传播通道、第二传播通道实现射频识别与无线温度传感的一体化功能；其中，第一参考反射栅4、第一温补反射栅7、第二温补反射栅8、第一编码反射栅11、第二编码反射栅12、第三编码反射栅13、第四编码反射栅14、第五编码反射栅15、第六编码反射栅16、第七编码反射栅17与第一叉指换能器2的距离各不相同，以确保第一传播通道、第二传播通道的所有反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉；通过第一参考反射栅4消除距离对射频识别、温度传感的影响；通过第一温补反射栅7、第二温补反射栅8补偿射频识别时温度变化对相位测量的影响，与采用单个温补反射栅相比，可以大幅度扩大温度传感时的测温范围；采用两个通道实现射频识别与温度传感的一体化功能，与采用单通道相比，反射栅的反射率可以设计得更高，射频识别与温度传感的距离可以更远。
请参照图4所示，在食品安全领域，针对冷藏、冷冻等冷链食品或对温度有明确要求但对气体传感没有要求的食品，可对声表面波器件的结构加以简化，只保留声表面波的第一传播通道、第二传播通道以构成单频双通道单端延迟线型结构，并附于食品包装上，具有集射频识别与无线温度传感功能于一体的特点；其中，通过对单频双通道单端延迟线型声表面波器件整体封装的方式以保护叉指换能器和反射栅，并且封装材料具有高导热特性以传递食品温度。
请参照图1、图5所示，声表面波的第三传播通道、第四传播通道实现对两种气体并行无线传感的一体化功能；其中，第二参考反射栅5、第三参考反射栅6、第三温补反射栅9、第四温补反射栅10、第一气体传感反射栅18、第二气体传感反射栅19与第二叉指换能器3的距离各不相同，以确保第三传播通道、第四传播通道的所有反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉；通过第二参考反射栅5、第三参考反射栅6分别消除距离对两种气体传感的影响；通过第三温补反射栅9、第四温补反射栅10分别补偿对两种气体传感时温度变化对相位测量的影响。
请参照图1所示，在食品安全领域，针对常规充入一定比例的包括二氧化碳、氧气、氮气的混合气体的气调包装食品，第一气体敏感膜20采用对二氧化碳的吸附具有选择性和可逆性的聚醚酰亚胺膜，第二气体敏感膜21采用对氧气的吸附具有选择性和可逆性的二氧化钛膜，声表面波器件集成于气调包装内，具有集射频识别与无线温度传感、气体传感功能于一体的特点；其中，声表面波器件的第一气体敏感膜20、第二气体敏感膜21所在位置不封装，以敏感气调包装内的气体；通过对声表面波器件其它位置封装的方式以保护叉指换能器和反射栅，并且封装材料具有高导热特性以传递食品温度。
请参照图4、图3所示，具有射频识别与无线传感一体化功能的声表面波器件在食品安全领域用于冷藏、冷冻等冷链食品或对温度有明确要求食品的射频识别与无线温度传感，其工作方法包括如下步骤：
步骤A：针对固定式阅读器，食品移动到阅读器作用区域；针对手持式阅读器，阅读器移动到食品附近，以保证食品位于阅读器作用区域；
步骤B：阅读器发射载波频率为f1的激励脉冲信号，通过阅读器天线以电磁波的形式向外辐射；
步骤C：声表面波器件通过天线22接收激励脉冲信号，中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的第一传播通道、第二传播通道响应该激励脉冲信号，第一叉指换能器2通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波，分别沿第一传播通道、第二传播通道的压电基底表面传播；
步骤D：沿第一传播通道传播的声表面波依次遇到第一参考反射栅4、第二温补反射栅8、第二编码反射栅12、第四编码反射栅14、第六编码反射栅16产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第一叉指换能器2；与之相同，沿第二传播通道传播的声表面波依次遇到第一温补反射栅7、第一编码反射栅11、第三编码反射栅13、第五编码反射栅15、第七编码反射栅17产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第一叉指换能器2；第一叉指换能器2通过正压电效应将反射信号转换为包括10个回波脉冲信号的第一回波脉冲串，其中10个回波脉冲信号时序与上述10个反射栅位置具有一一对应关系；第一回波脉冲串通过天线22发射回阅读器天线；
步骤E：阅读器对第一回波脉冲串进行信号处理，经过正交解调直接解算出时隙编码，但直接解算出的相位受温度影响，需要对相位进行温度补偿；通过温补反射栅构造参考时延，使其在温度变化范围内相应的相位变化不超过一个周期，并进一步通过对第一温补反射栅7、第二温补反射栅8对应的回波脉冲信号的时延求差的方法构造并减小参考时延，从而扩大温度传感时的测温范围；根据参考时延的相位变化及10个反射栅之间的位置关系反推出每个编码反射栅在参考温度时的初始相位，从而解算出相隙编码，实现射频识别功能；
步骤F：正交解调直接解算出的相位减去参考温度时的初始相位即为温度引起的相位变化，但鉴于相位测量存在模糊性问题，实际只能直接测得相位中小于2π的小数部分而不能测出2π的整数部分；在实现射频识别功能的前提下，根据10个反射栅之间的距离在参考温度时的已知关系，通过由近及远、比例递推的方式，将参考时延随温度引起的相位变化逐步递推到10个反射栅中距离最远的两个反射栅即第一参考反射栅4与第七编码反射栅17之间的相位变化，从而解决相位测量的模糊性问题并实现对温度的高精度检测，完成射频识别与无线温度传感的一体化功能。
请参照图1、图3、图5所示，具有射频识别与无线传感一体化功能的声表面波器件在食品安全领域用于气调包装食品的射频识别与无线温度传感、气体传感，其工作方法包括如下步骤：
步骤a：与前述方法中的步骤A、步骤B、步骤C、步骤D、步骤E、步骤F相同，实现射频识别与无线温度传感功能；
步骤b：阅读器发射载波频率为f2的激励脉冲信号，通过阅读器天线以电磁波的形式向外辐射；
步骤c：声表面波器件通过天线22接收激励脉冲信号，中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的第三传播通道、第四传播通道响应该激励脉冲信号，第二叉指换能器3通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波，分别沿第三传播通道、第四传播通道的压电基底表面传播；
步骤d：沿第三传播通道传播的声表面波依次遇到第二参考反射栅5、第三温补反射栅9、第一气体传感反射栅18产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第二叉指换能器3；与之相同，沿第四传播通道传播的声表面波依次遇到第三参考反射栅6、第四温补反射栅10、第二气体传感反射栅19产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第二叉指换能器3；第二叉指换能器3通过正压电效应将反射信号转换为包括6个回波脉冲信号的第二回波脉冲串，其中6个回波脉冲信号时序与上述6个反射栅位置具有一一对应关系；第二回波脉冲串通过天线22发射回阅读器天线；
步骤e：阅读器对第二回波脉冲串中与第二参考反射栅5、第三温补反射栅9、第一气体传感反射栅18对应的3个回波脉冲信号进行信号处理，当气调包装中的二氧化碳浓度变化时，第一气体敏感膜20即聚醚酰亚胺膜吸附的二氧化碳量随之改变，导致声表面波传播速度发生变化，并进一步导致第三温补反射栅9、第一气体传感反射栅18对应的回波脉冲信号的相位差发生变化，但该相位差不仅与二氧化碳浓度有关，还与温度有关；通过对第二参考反射栅5、第三温补反射栅9对应的回波脉冲信号的时延差构造参考时延，将该参考时延随温度引起的相位变化递推到第三温补反射栅9与第一气体传感反射栅18对应的回波脉冲信号之间，从而补偿温度变化引起的相位差，测得气调包装中二氧化碳的浓度；
步骤f：阅读器对第二回波脉冲串中与第三参考反射栅6、第四温补反射栅10、第二气体传感反射栅19对应的3个回波脉冲信号进行信号处理，采用与步骤e相同的方法，测得气调包装中氧气的浓度；
步骤g：由于气调包装中二氧化碳、氧气、氮气的浓度之和为100％，在通过步骤e测得二氧化碳浓度、通过步骤f测得氧气浓度之后，即可获知气调包装中氮气的浓度，完成射频识别与无线温度传感、气体传感的一体化功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件，其特征在于：所述声表面波器件采用双频四通道单端延迟线型结构，包括压电基底(1)、第一叉指换能器(2)、第二叉指换能器(3)、第一参考反射栅(4)、第二参考反射栅(5)、第三参考反射栅(6)、第一温补反射栅(7)、第二温补反射栅(8)、第三温补反射栅(9)、第四温补反射栅(10)、第一编码反射栅(11)、第二编码反射栅(12)、第三编码反射栅(13)、第四编码反射栅(14)、第五编码反射栅(15)、第六编码反射栅(16)、第七编码反射栅(17)、第一气体传感反射栅(18)、第二气体传感反射栅(19)、第一气体敏感膜(20)、第二气体敏感膜(21)以及天线(22)；
所述第一叉指换能器(2)沉积在压电基底(1)的左侧上半部分，第二叉指换能器(3)沉积在压电基底(1)的左侧下半部分；
所述第一叉指换能器(2)和第二叉指换能器(3)的孔径相等且小于压电基底(1)宽度的一半，两者通过并联的方式与天线(22)连接；
所述天线(22)为双频天线，涵盖840～845MHz、920～925MHz两个频段；
所述第一参考反射栅(4)、第二温补反射栅(8)、第二编码反射栅(12)、第四编码反射栅(14)、第六编码反射栅(16)沉积在压电基底(1)的上部，孔径均相等且小于第一叉指换能器(2)的孔径的一半，与第一叉指换能器(2)的上半部分一起构成声表面波的第一传播通道；
所述第一温补反射栅(7)、第一编码反射栅(11)、第三编码反射栅(13)、第五编码反射栅(15)、第七编码反射栅(17)沉积在压电基底(1)的中间偏上位置，孔径均相等且小于第一叉指换能器(2)的孔径的一半，与第一叉指换能器(2)的下半部分一起构成声表面波的第二传播通道；
所述第二参考反射栅(5)、第三温补反射栅(9)、第一气体传感反射栅(18)沉积在压电基底(1)的中间偏下位置，孔径均相等且小于第二叉指换能器(3)的孔径的一半，与第二叉指换能器(3)的上半部分一起构成声表面波的第三传播通道；
所述第一气体敏感膜(20)涂覆在声表面波的第三传播通道的第三温补反射栅(9)与第一气体传感反射栅(18)之间；
所述第三参考反射栅(6)、第四温补反射栅(10)、第二气体传感反射栅(19)沉积在压电基底(1)的下部，孔径均相等且小于第二叉指换能器(3)的孔径的一半，与第二叉指换能器(3)的下半部分一起构成声表面波的第四传播通道；
所述第二气体敏感膜(21)涂覆在声表面波的第四传播通道的第四温补反射栅(10)与第二气体传感反射栅(19)之间；
通过设计第一叉指换能器(2)的指条宽度和第一参考反射栅(4)、第一温补反射栅(7)、第二温补反射栅(8)、第一编码反射栅(11)、第二编码反射栅(12)、第三编码反射栅(13)、第四编码反射栅(14)、第五编码反射栅(15)、第六编码反射栅(16)、第七编码反射栅(17)的栅条宽度，使声表面波的第一传播通道、第二传播通道的中心频率f1为922.5MHz；通过设计第二叉指换能器(3)的指条宽度和第二参考反射栅(5)、第三参考反射栅(6)、第三温补反射栅(9)、第四温补反射栅(10)、第一气体传感反射栅(18)、第二气体传感反射栅(19)的栅条宽度，使声表面波的第三传播通道、第四传播通道的中心频率f2为842.5MHz。
2.根据权利要求1所述的具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件，其特征在于：第一编码反射栅(11)、第二编码反射栅(12)、第三编码反射栅(13)、第四编码反射栅(14)、第五编码反射栅(15)、第六编码反射栅(16)、第七编码反射栅(17)分别位于七个编码数据区；每个编码数据区内等间距地划分N个时隙，编码反射栅位于其中一个时隙；每个时隙内进一步对360°相位等间距地划分n个相隙，编码反射栅位于其中一个相隙。
3.根据权利要求1所述的具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件，其特征在于：所述第一参考反射栅(4)、第一温补反射栅(7)、第二温补反射栅(8)、第一编码反射栅(11)、第二编码反射栅(12)、第三编码反射栅(13)、第四编码反射栅(14)、第五编码反射栅(15)、第六编码反射栅(16)、第七编码反射栅(17)与第一叉指换能器(2)的距离各不相同，以确保第一传播通道、第二传播通道的所有反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。
4.根据权利要求1所述的具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件，其特征在于：所述第二参考反射栅(5)、第三参考反射栅(6)、第三温补反射栅(9)、第四温补反射栅(10)、第一气体传感反射栅(18)、第二气体传感反射栅(19)与第二叉指换能器(3)的距离各不相同，以确保第三传播通道、第四传播通道的所有反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。
5.根据权利要求1所述的具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件，其特征在于：在食品安全领域，针对常规充入包括二氧化碳、氧气、氮气的混合气体的气调包装食品，第一气体敏感膜(20)采用对二氧化碳的吸附具有选择性和可逆性的聚醚酰亚胺膜，第二气体敏感膜(21)采用对氧气的吸附具有选择性和可逆性的二氧化钛膜；
所述声表面波器件的第一气体敏感膜(20)、第二气体敏感膜(21)所在位置不封装，以敏感气调包装内的气体；所述声表面波器件的其它位置封装，以保护叉指换能器和反射栅。
6.一种如权利要求1所述的具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件的工作方法，其在食品安全领域用于冷藏、冷冻等冷链食品或对温度有明确要求食品的射频识别与无线温度传感，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A：针对固定式阅读器，食品移动到阅读器作用区域；针对手持式阅读器，阅读器移动到食品附近，以保证食品位于阅读器作用区域；
步骤B：阅读器发射载波频率为f1的激励脉冲信号，通过阅读器天线以电磁波的形式向外辐射；
步骤C：声表面波器件通过天线(22)接收激励脉冲信号，中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的第一传播通道、第二传播通道响应该激励脉冲信号，第一叉指换能器(2)通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波，分别沿第一传播通道、第二传播通道的压电基底表面传播；
步骤D：沿第一传播通道传播的声表面波依次遇到第一参考反射栅(4)、第二温补反射栅(8)、第二编码反射栅(12)、第四编码反射栅(14)、第六编码反射栅(16)产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第一叉指换能器(2)；与之相同，沿第二传播通道传播的声表面波依次遇到第一温补反射栅(7)、第一编码反射栅(11)、第三编码反射栅(13)、第五编码反射栅(15)、第七编码反射栅(17)产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第一叉指换能器(2)；第一叉指换能器(2)通过正压电效应将反射信号转换为包括10个回波脉冲信号的第一回波脉冲串，其中10个回波脉冲信号时序与上述10个反射栅位置具有一一对应关系；第一回波脉冲串通过天线(22)发射回阅读器天线；
步骤E：阅读器对第一回波脉冲串进行信号处理，经过正交解调直接解算出时隙编码；通过温补反射栅构造参考时延，使其在温度变化范围内相应的相位变化不超过一个周期，即通过对第一温补反射栅(7)、第二温补反射栅(8)对应的回波脉冲信号的时延求差的方法构造并减小参考时延；根据参考时延的相位变化及10个反射栅之间的位置关系反推出7个编码反射栅在参考温度时的初始相位，从而解算出相隙编码，实现射频识别功能；
步骤F：正交解调直接解算出的相位减去参考温度时的初始相位即为温度引起的相位变化，在实现射频识别功能的前提下，根据10个反射栅之间的距离在参考温度时的已知关系，通过由近及远、比例递推的方式，将参考时延随温度引起的相位变化逐步递推到10个反射栅中距离最远的两个反射栅即第一参考反射栅(4)与第七编码反射栅(17)之间的相位变化，根据温度变化与相位变化之间的关系检测出温度，完成射频识别与无线温度传感的一体化功能。
7.一种如权利要求5所述的具有射频识别无线传感一体化功能的声表面波器件的工作方法，其在食品安全领域用于气调包装食品的射频识别与无线温度传感、气体传感，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a：与权利要求6中的步骤A、步骤B、步骤C、步骤D、步骤E、步骤F相同，实现射频识别与无线温度传感功能；
步骤b：阅读器发射载波频率为f2的激励脉冲信号，通过阅读器天线以电磁波的形式向外辐射；
步骤c：声表面波器件通过天线(22)接收激励脉冲信号，中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的第三传播通道、第四传播通道响应该激励脉冲信号，第二叉指换能器(3)通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波，分别沿第三传播通道、第四传播通道的压电基底表面传播；
步骤d：沿第三传播通道传播的声表面波依次遇到第二参考反射栅(5)、第三温补反射栅(9)、第一气体传感反射栅(18)产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第二叉指换能器(3)；与之相同，沿第四传播通道传播的声表面波依次遇到第三参考反射栅(6)、第四温补反射栅(10)、第二气体传感反射栅(19)产生部分反射和部分透射，其反射信号传回第二叉指换能器(3)；第二叉指换能器(3)通过正压电效应将反射信号转换为包括6个回波脉冲信号的第二回波脉冲串，其中6个回波脉冲信号时序与上述6个反射栅位置具有一一对应关系；第二回波脉冲串通过天线(22)发射回阅读器天线；
步骤e：阅读器对第二回波脉冲串中与第二参考反射栅(5)、第三温补反射栅(9)、第一气体传感反射栅(18)对应的3个回波脉冲信号进行信号处理，当气调包装中的二氧化碳浓度变化时，第一气体敏感膜(20)即聚醚酰亚胺膜吸附的二氧化碳量随之改变，并导致第三温补反射栅(9)、第一气体传感反射栅(18)对应的回波脉冲信号的相位差发生变化；通过对第二参考反射栅(5)、第三温补反射栅(9)对应的回波脉冲信号的时延差构造参考时延，将该参考时延随温度引起的相位变化递推到第三温补反射栅(9)与第一气体传感反射栅(18)对应的回波脉冲信号之间，从而补偿温度变化引起的相位差，测得气调包装中二氧化碳的浓度；
步骤f：阅读器对第二回波脉冲串中与第三参考反射栅(6)、第四温补反射栅(10)、第二气体传感反射栅(19)对应的3个回波脉冲信号进行信号处理，采用与步骤e相同的方法，测得气调包装中氧气的浓度；
步骤g：由于气调包装中二氧化碳、氧气、氮气的浓度之和为100％，在通过步骤e测得二氧化碳浓度、通过步骤f测得氧气浓度之后，即可获知气调包装中氮气的浓度，完成射频识别与无线温度传感、气体传感的一体化功能。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112114034A (zh) | 2020-12-22 |
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