采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，屬于新型傳感器測試【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是基于延遲線型聲表面波傳感器的幅頻特性和相位特性進(jìn)行測試的。首先，信號源在一定頻率范圍內(nèi)以一定頻率間隔掃頻輸出激勵信號，通過測量掃頻范圍內(nèi)每一頻率點的傳感器輸入激勵信號與輸出響應(yīng)信號幅值比來得到諧振頻率；在此基礎(chǔ)上，信號源輸出固定頻率的激勵信號，通過測量傳感器輸入激勵信號與輸出響應(yīng)信號的相位差來精確檢測被測對象的特征參數(shù)。本發(fā)明可使延遲線型聲表面波傳感器突破實驗室使用局限，實現(xiàn)工業(yè)在線應(yīng)用。
【專利說明】采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種延遲線型聲表面波傳感器，尤其涉及一種基于幅頻特性和相位特性的延遲線型聲表面波傳感器的測試方法，屬于新型傳感器測試【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)傳感器是一種新型傳感器,有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，聲表面波傳感器可用于溫度傳感、壓力傳感、扭矩傳感、氣體傳感、液體傳感等多個領(lǐng)域。
[0003]從結(jié)構(gòu)上看，聲表面波傳感器可分為延遲線(Delay Line)型和諧振器(Resonator)型兩種類型。延遲線型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括壓電基片1、輸入叉指換能器2、輸出叉指換能器3。在輸入叉指換能器上加上激勵信號，通過逆壓電效應(yīng)把電信號轉(zhuǎn)化為聲表面波信號，聲表面波在壓電基片上傳播到達(dá)輸出叉指換能器時，再通過正壓電效應(yīng)把聲表面波信號轉(zhuǎn)化為電信號。諧振器型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所包括壓電基片1、叉指換能器4和反射柵5。叉指換能器兩側(cè)的反射柵構(gòu)成一個聲學(xué)諧振腔，叉指換能器則將激勵信號的能量導(dǎo)入和將諧振腔內(nèi)的能量導(dǎo)出。外部激勵信號加載在叉指換能器上，通過逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為聲表面波信號，聲表面波沿壓電基片表面向兩側(cè)傳播，經(jīng)反射柵反射疊加，再通過正壓電效應(yīng)把聲表面波信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過叉指換能器輸出。與諧振器型聲表面波傳感器相比，延遲線型聲表面波傳感器的優(yōu)點在于設(shè)計簡單、對聲表面波器件工藝精度要求低、兩個換能器之間有較大區(qū)域可用于涂覆感應(yīng)材料等。
[0004]延遲線型聲表面波傳感器測量被測對象時，被測對象特征參數(shù)的變化導(dǎo)致聲表面波傳播速度變化，從而引起傳感器諧振頻率和輸入輸出相位差的變化。相位差測量方法的靈敏度高，但量程過大會有盲區(qū)。通過直接測量傳感器幅頻特性，進(jìn)而得到傳感器諧振頻率的掃頻法雖然不存在大量程盲區(qū)問題，但測量靈敏度及精度均不如相位差方法。
[0005]迄今為止，延遲線型聲表面波傳感器的實用化程度還不是很高，大部分的研究尚處于實驗室階段，主要的測量儀器為網(wǎng)絡(luò)分析儀。如果搭建的測試系統(tǒng)能夠結(jié)合相位差測量方法和掃頻法各自的優(yōu)點并加以組合使用，可使延遲線型聲表面波傳感器突破實驗室使用局限，實現(xiàn)工業(yè)在線應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于幅頻特性和相位特性的延遲線型聲表面波傳感器測試系統(tǒng)及其測試方法，能夠結(jié)合相位差測量方法和掃頻法各自的優(yōu)點并加以組合使用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的相應(yīng)功能，使延遲線型聲表面波傳感器突破實驗室使用局限，實現(xiàn)工業(yè)在線應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，包括如下步驟:
步驟A，當(dāng)延遲線型聲表面波傳感器負(fù)載被測對象時，采用微控制器模塊控制信號源以一定頻率間隔掃頻輸出激勵信號；其中，掃頻范圍以傳感器的理論諧振頻率為中心，所述頻率的上下限以傳感器的參數(shù)及被測對象來確定；
步驟B，將步驟A所述的激勵信號傳輸至延遲線型聲表面波傳感器后輸出響應(yīng)信號；步驟C，將步驟A所述激勵信號與步驟B所述響應(yīng)信號的幅值比轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入微控制器模塊；
步驟D，重復(fù)步驟B至步驟C，直至獲得關(guān)于掃頻范圍內(nèi)所有頻率點的傳感器輸入激勵信號與輸出響應(yīng)信號的幅值比的數(shù)字信號，然后采用微控制器模塊對所述數(shù)字信號進(jìn)行處理，獲得傳感器的幅頻特性曲線，從而測得傳感器負(fù)載被測對象時的諧振頻率；
步驟E，采用微控制器模塊控制信號源產(chǎn)生一個頻率固定的激勵信號，該固定頻率即為通過步驟D測得的傳感器諧振頻率；
步驟F，將步驟E所述的激勵信號傳輸至延遲線型聲表面波傳感器后輸出響應(yīng)信號；步驟G，將步驟E所述激勵信號與步驟F所述響應(yīng)信號的相位差轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入微控制器模塊；
步驟H，通過步驟D測得的傳感器諧振頻率和步驟G得到的相位差信息獲得被測對象的特征參數(shù)，通過顯示模塊顯示出被測對象的特征參數(shù)以提供給用戶。
[0008]作為本發(fā)明的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述信號源模塊采用直接數(shù)字式頻率合成器DDS加上鎖相環(huán)PLL的形式，所述DDS采用美國ADI公司的AD9850芯片，所述PLL采用美國Linear Technology公司的LTC6946 芯片。
[0009]作為本發(fā)明的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述信號轉(zhuǎn)換模塊采用美國ADI公司的AD8302芯片。
[0010]作為本發(fā)明的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述信號采集模塊采用微處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。
[0011]作為本發(fā)明的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述微控制器模塊采用基于ARM內(nèi)核的STM32。
[0012]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1.本發(fā)明搭建的測試系統(tǒng)能夠結(jié)合延遲線型聲表面波傳感器的相位差測量方法和掃頻法各自優(yōu)點并加以組合使用，在不存在大量程盲區(qū)的同時，靈敏度高、精度高。
[0013]2.本發(fā)明的信號源模塊采用DDS (直接數(shù)字式頻率合成器)加上PLL (鎖相環(huán))的形式。DDS能夠快速改變頻率，方便掃頻輸出激勵信號；PLL能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻功能，提高了輸出激勵信號的頻率。
[0014]3.本發(fā)明的信號轉(zhuǎn)換模塊采用ADI公司的AD8302芯片，該芯片可以同時測量兩路信號的幅值比和相位差；并且，DDS和PLL組合的信號源能同時滿足諧振頻率測量時頻率可變和相位差測量時頻率固定的要求。這樣，掃頻法和相位差測量方法可以用同一個硬件電路實現(xiàn)，從而提聞測試電路的性能。
[0015]4.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的幅頻特性和相頻特性測量功能，從而使延遲線型聲表面波傳感器突破實驗室使用局限，實現(xiàn)工業(yè)在線應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1是延遲線型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖2是諧振器型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)模塊框圖。
[0019]圖4是本發(fā)明的測試電路模塊框圖。
[0020]圖5是本發(fā)明的測試系統(tǒng)的幅頻特性測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果對比圖。
[0021]圖6是本發(fā)明的測試系統(tǒng)的相頻特性測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果對比圖。
[0022]圖中的標(biāo)號名稱:1.壓電基片，2.輸入叉指換能器，3.輸出叉指換能器，4.叉指換能器，5.反射柵。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
如圖3所示，一種延遲線型聲表面波傳感器測試系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)包括信號源模塊、延遲線型聲表面波傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊、微控制器模塊、顯示模塊。其中:信號源模塊的輸出端分別連接傳感器的輸入端和信號轉(zhuǎn)換模塊的第一輸入端，傳感器的輸出端連接信號轉(zhuǎn)換模塊的第二輸入端，信號轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接信號采集模塊的輸入端，信號采集模塊的輸出端連接微控制器模塊的輸入端，微控制器模塊的輸出端連接信號源模塊的輸入端和顯示模塊的輸入端。
[0024]如圖4所示，一種延遲線型聲表面波傳感器測試電路模塊框圖。信號源模塊采用DDS (直接數(shù)字式頻率合成器)加上PLL(鎖相環(huán))的形式。通過DDS作為PLL的源，PLL對DDS倍頻來產(chǎn)生信號源。DDS能夠快速改變頻率，方便掃頻輸出激勵信號；PLL能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻功能，提高了輸出激勵信號的頻率。因此，DDS和PLL組合的信號源能同時滿足諧振頻率測量時頻率可變和相位差測量時頻率固定的要求。
[0025]DDS采用美國ADI公司的AD9850芯片，其最大系統(tǒng)時鐘為125MHz，具有響應(yīng)速度快、頻率分辨率高等優(yōu)點。PLL采用美國Linear Technology公司的LTC6946芯片，該芯片包括基準(zhǔn)分頻器、具鎖相指示器的相位-頻率檢測器、超低噪聲充電泵、整數(shù)反饋分頻器和壓控振蕩器輸出分頻器。
[0026]信號轉(zhuǎn)換模塊把傳感器輸入激勵信號與輸出響應(yīng)信號幅值比和相位差信息轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號。信號轉(zhuǎn)換模塊采用美國ADI公司的AD8302芯片，包括內(nèi)部集成的兩個對數(shù)放大器、相位檢測器、相位輸出放大器、幅值比輸出放大器組、參考電壓輸出緩沖器等，其輸入頻率范圍為低頻至2.7GHz。AD8302既可以測量兩路信號的幅值比，也可以測量相位差。因此，掃頻法和相位差測量方法可以用同一個硬件電路實現(xiàn)，從而提高測試電路的性倉泛。
[0027]信號采集模塊采用微處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。微控制器模塊采用基于ARM內(nèi)核的STM32。
[0028]延遲線型聲表面波傳感器測試方法包括如下步驟:
1)信號源電路在STM32的控制下以一定頻率間隔掃頻輸出激勵信號，掃頻范圍以延遲線型聲表面波傳感器的理論諧振頻率為中心，頻率上下限視傳感器參數(shù)及被測對象而定;
2)信號源電路的輸出分兩路，一路用于激勵輸入叉指換能器，另一路接入AD8302電路的輸入通道A;
3)聲表面波傳感器在輸入叉指換能器輸入激勵信號的作用下，輸出叉指換能器輸出響應(yīng)信號，接入AD8302電路的輸入通道B ；
4)AD8302電路把輸入通道A和B的幅值比轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，經(jīng)輸出端送入A/D轉(zhuǎn)換電路；
5)A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入STM32 ；
6)在一次完整掃頻中，STM32對A/D轉(zhuǎn)換電路送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，獲得聲表面波傳感器的幅頻特性曲線并得到諧振頻率；
7)信號源電路在STM32的控制下輸出頻率固定的激勵信號，該固定頻率即為通過上述掃頻法測得的傳感器諧振頻率；
8)按照上述步驟2)、3)、4)和5)，把頻率固定的激勵信號和在該激勵信號作用下的輸出叉指換能器響應(yīng)信號分別接入AD8302電路的輸入通道A和B ;AD8302電路把輸入通道A和B的相位差轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號,經(jīng)輸出端送入A/D轉(zhuǎn)換電路；A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入STM32 ；
9)在頻率固定的信號激勵下，STM32對A/D轉(zhuǎn)換電路送來的上述數(shù)字信號進(jìn)行處理，獲得聲表面波傳感器輸入激勵信號與輸出響應(yīng)信號之間的相位差；
10)通過步驟6)測得的傳感器諧振頻率和步驟9)得到的相位差信息獲得被測對象的特征參數(shù)，通過顯示模塊顯示出被測對象的特征參數(shù)以提供給用戶。
[0029]如圖5所示，測試系統(tǒng)的幅頻特性測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果對比。圖5中(a)為測試系統(tǒng)的幅頻特性測量結(jié)果，(b)為網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果。
[0030]如圖6所示，測試系統(tǒng)的相頻特性測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果對比。圖6中
(a)為測試系統(tǒng)的相頻特性測量結(jié)果，(b)為網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果。
[0031]從圖5和圖6可知，測試電路無論在幅頻特性的測量還是相頻特性的測量上都和網(wǎng)絡(luò)分析儀一致，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的幅頻特性和相頻特性測量功能，從而使延遲線型聲表面波傳感器突破實驗室使用局限，實現(xiàn)工業(yè)在線應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A，當(dāng)延遲線型聲表面波傳感器負(fù)載被測對象時，采用微控制器模塊控制信號源以一定頻率間隔掃頻輸出激勵信號；其中，掃頻范圍以傳感器的理論諧振頻率為中心，所述頻率的上下限以傳感器的參數(shù)及被測對象來確定； 步驟B，將步驟A所述的激勵信號傳輸至延遲線型聲表面波傳感器后輸出響應(yīng)信號；步驟C，將步驟A所述激勵信號與步驟B所述響應(yīng)信號的幅值比轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入微控制器模塊； 步驟D，重復(fù)步驟B至步驟C，直至獲得關(guān)于掃頻范圍內(nèi)所有頻率點的傳感器輸入激勵信號與輸出響應(yīng)信號的幅值比的數(shù)字信號，然后采用微控制器模塊對所述數(shù)字信號進(jìn)行處理，獲得傳感器的幅頻特性曲線，從而測得傳感器負(fù)載被測對象時的諧振頻率； 步驟E，采用微控制器模塊控制信號源產(chǎn)生一個頻率固定的激勵信號，該固定頻率即為通過步驟D測得的傳感器諧振頻率； 步驟F，將步驟E所述的激勵信號傳輸至延遲線型聲表面波傳感器后輸出響應(yīng)信號；步驟G，將步驟E所述激勵信號與步驟F所述響應(yīng)信號的相位差轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入微控制器模塊； 步驟H，通過步驟D測得的傳感器諧振頻率和步驟G得到的相位差信息獲得被測對象的特征參數(shù)，通過顯示模塊顯示出被測對象的特征參數(shù)以提供給用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，其特征在于:所述信號源模塊采用直接數(shù)字式頻率合成器DDS加上鎖相環(huán)PLL的形式，所述DDS采用美國ADI公司的AD9850芯片，所述PLL采用美國Linear Technology公司的LTC6946 芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，其特征在于:所述信號轉(zhuǎn)換模塊采用美國ADI公司的AD8302芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，其特征在于:所述信號采集模塊采用微處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用延遲線型聲表面波傳感器測試物體特征參數(shù)的方法，其特征在于:所述微控制器模塊采用基于ARM內(nèi)核的STM32。
【文檔編號】G01D5/48GK103575315SQ201310542221
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】陳智軍, 張亦居, 蔣玲, 童銳, 王昕辰 申請人:南京航空航天大學(xué)