無線無源聲表面波傳感器

     應用

　　這種傳感器具有其獨特的優(yōu)越性即無需任何能量提供，可實現(xiàn)絕對無源，解決了有源傳感器的功耗影響問題，另外，由于無線傳感，可以應用于劇毒危險環(huán)境，如某些工業(yè)流程、戰(zhàn)地環(huán)境等等。目前已經廣泛應用于機械物理量如溫度、濕度、壓力、應變以及力矩等的檢測，特別是對壓力的檢測目前已經成功實現(xiàn)商業(yè)化應用（輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng) TPMS）。除了在扭矩、壓力、溫度、濕度方面的應用，無線傳感器在化學氣體、生物等領域也具有良好的應用前景。

　　圖 對于扭矩檢測，SAW傳感器管芯粘貼在片狀管殼的底部

     基本原理

　　無線傳感器的基本原理是：由無線讀取單元（Reader unit）發(fā)射一定頻率的電磁波信號，經由無線天線由 SAW 器件的叉指換能器接收轉換成 SAW，再由反射器反射回叉指換能器重新轉換成電磁波信號由無線天線傳輸回讀取單元，如果在 SAW 器件表面施加物理（如溫度、濕度或者應力、壓力等）或者化學（如氣體吸附等）參量擾動即會引起聲波速度發(fā)生變化，從而引起無線單元接收的反射信號的頻率或者相位發(fā)生相應改變，實現(xiàn)對待測參量的無線檢測。無線 SAW 傳感器研究內容主要在于兩個方面，其一是無線讀取單元與無線天線的研制，另外一個方面則是各種類型 SAW 傳感器的結構設計與研制。

     技術開發(fā)

　　應用于無線 SAW 傳感器系統(tǒng)之中的無線讀取單元類似于傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)，因此所有傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)中所采用的技術均可應用于無線 SAW 傳感器的讀取單元設計之中。目前的無線讀取單元的設計技術大致分為兩類，一種是時域采樣技術，包含兩種方式，一種基于脈沖雷達，這種方式適應于快速變換或者移動的檢測對象，通過采用開關器件實現(xiàn)簡單的雙工器，但是由于需要快速采樣與信號處理器件，成本較高，另外由于低占空度，因此應用范圍較低；另外一種時域采樣方式采用調頻雷達，類似于脈沖式雷達，但是由于 TB 產品（其中 B 受限于 SAW器件的工作帶寬， 而 T 則限制于發(fā)射機的初始延時）的使用改善了占空度，因此擴展了其應用范圍。無線讀取單元的另外一種設計技術為頻域采樣技術，也包含兩種類型，其一為利用網絡分析儀結構，這樣即可實現(xiàn)低成本，降低信號處理元件使用量，具有較高的占空度，但是這種模式僅僅適宜于低速變換對象測量，另外雙工器僅能以一環(huán)形元件或者兩個獨立天線組成，接收器設計需要有較高的動態(tài)范圍；另外一種頻域采樣技術則是利用調頻連續(xù)波（FMCW）設計，這種方法類似于前面采用網絡分析結構，但是具有更高的動態(tài)分辨率。因此，在無線傳感器讀取單元的設計之中，多采用這種頻率采樣模式。根據歐洲 ISM 規(guī)定，目前主要有兩個頻段分配于無線 SAW 傳感器讀取單元設計：433.0～434.77MHz 與 2.4～2.483MHz。

　　另外，作為無線傳感器的另外一個重要性能指標則是傳感距離 r，其中P0為讀取單元發(fā)射功率， Gi與Ge分別為無線天線增益， λ為波長， kT0為接收天線的噪聲系數， B系統(tǒng)帶寬， F為系統(tǒng)噪聲， S/N為信噪比， D為SAW器件損耗。由此式可以看出，無線天線與SAW器件性能對傳感距離有著重要影響。目前各種不同結構不同類型如環(huán)形、偶極子、螺旋型以及片狀等具有較寬頻帶、低增益的無線天線廣泛應用無線傳感系統(tǒng)，獲得了較好的傳感距離，據報道最大傳感距離目前已經達到 6 米以上。