Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения температуры в мультисенсорных системах мониторинга.

Известен пассивный датчик температуры на поверхностных акустических волнах (патент РФ №2585487, H01L 41/08, G01K 11/24), содержащий герметичный корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) порядка 10^-4 1/градус, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковой центральной частотой ƒ₀, один из которых нагружен на приемопередающую антенну, а другой встречно-штыревой преобразователь (ВШП) является отражательным и один пьезоэлектрический звукопровод с малым ТКЗ, в 50-100 раз меньшим по сравнению с ТКЗ порядка 10^-4 1/градус, на котором расположены также два ВШП с той же центральной частотой ƒ₀, один из которых соединен электрически с приемопередающей антенной параллельно с ВШП, расположенным на звукопроводе с большим ТКЗ, а другой ВШП - отражательный.

Недостатком такого датчика является конструктивная избыточность и большие потери при распространении акустических импульсов по двум звукопроводам, что уменьшает возможное расстояние для считывания информации о температуре.

Известен способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации (патент РФ №2585911), в котором формируют набор из N датчиков на линиях задержки на поверхностных акустических волнах, рефлекторы датчиков располагают на пьезоэлектрических подложках в следующем порядке: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, первый рефлектор N-го датчика, затем второй рефлектор первого датчика, второй рефлектор второго датчика, второй рефлектор N-го датчика, третий рефлектор первого датчика, третий рефлектор второго датчика, третий рефлектор N-го датчика, проводят опрос датчиков, принимают сигналы откликов датчиков и проводят их обработку, при этом последовательно для каждого датчика определяют время задержки сигнала между первым и третьим рефлекторами, определяют разность фаз для виртуального времени задержки, разность фаз для времени задержки между первым и вторым рефлекторами и разность фаз между первым и третьим рефлекторами, по которым определяют значение контролируемой физической величины, полученные значения передают на устройство сбора данных.

Недостатком изобретения является отсутствие дополнительного информационного признака, позволяющего увеличить количество одновременно опрашиваемых пассивных датчиков на поверхностных акустических волнах.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является решение, применяющее взвешенные решетки отражателей для ортогонально-частотно-кодированных поверхностных акустических волнах, меток и датчиков (Патент US №7961105 В2), располагаемых на поверхности пьезоэлектрической подложки датчика температуры, который содержит широкополосный входной преобразователь и отражательные решетки с множеством взвешенных отражателей. Устройство принимает ортогональный сигнал опроса и в ответ передает ортогональный частотно-кодированный сигнал, который позволяет получить информацию о температуре.

Недостатком такого решения является возможность применения только ортогонально-частотного кодирования, что ограничивает количество одновременно опрашиваемых меток в условиях коллизии.

Техническая задача и технический результат

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение пассивного антиколлизионного датчика температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием, является разделение ответных откликов от датчиков, содержащих информацию о температуре в условиях коллизии множества меток, то есть наложении ответных сигналов друг на друга во времени, препятствующему обработке информации при одновременном опросе считывающим устройством.

Технический результат заключается в разделении сигналов от нескольких датчиков в частотной и временной области, при одновременном опросе считывающим устройством, в случае, если ответные импульсы сигналов от нескольких пассивных датчиков наложились во времени друг на друга, препятствуя обработке информации для определения температуры окружающей среды. Таким образом, решается проблема коллизий нескольких пассивных датчиков. Результат достигается благодаря наличию в топологии датчика широкополосного встречно-штыревого преобразователя, последовательно расположенных ортогонально-частотно-кодированных структур во временных слотах, позволяющих получить идентификационный код каждого датчика в условиях коллизии и последовательно расположенных рефлекторов, позволяющих получить информацию о температуре.

Технический результат достигается тем, что в каждом из 4 слотов расположена только одна ортогонально-частотно-кодированная отражающая структура, которая имеет коэффициент отражения для акустических импульсов, зависящий от определенной частоты. При совпадении этой частоты с несущей частотой k-го импульса ƒ_k, акустические импульсы отражаются обратно в ВШП, а остальные импульсы продолжают свое распространение до тех пор, пока не встретят структуру, коэффициент отражения которой определен частотой, совпадающей с несущей частотой импульса. Последний акустический импульс, имеющий частоту ƒc, пройдя через все отражающие структуры, встречает на своем пути неоднородность в виде группы из трех рефлекторов. Часть импульса отражается, а часть проходит к следующему рефлектору, где также часть отражается, а часть проходит к последнему рефлектору [1-3]. Таким образом, ответный сигнал представляет собой последовательность задержанных во времени 7 импульсов, где первые четыре импульса имеют неповторяющиеся несущие частоты, а последние три - одинаковую несущую частоту. Несущие частоты первых четырех импульсов и временные задержки между ними определяют идентификационный код датчика температуры, а временная задержка между последними тремя импульсами определяет температуру окружающей среды.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На Фиг. 1. - Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием, где введены следующие обозначения.

1. Антенна

2. Широкополосный встречно-штыревой преобразователь

3. Отражающие структуры

4. Слоты

5. Пьезоэлектрическая подложка

6. Рефлекторы

На Фиг 2. Ответный сигнал датчика температуры.

Предлагаемое изобретение функционирует следующим образом. Считывающее устройство излучает сигнал вида:

где Т₁’ и Т₂’- начальное и конечное время опросного сигнала соответственно, А - амплитуда сигнала, w_k - частота k-го импульса, ϕ_k - фаза k-го импульса, N - количество импульсов за период длительности опросного сигнала, ƒ_c - несущая частота последнего импульса в составе опросного сигнала, ϕ₀ - начальная фаза частоты ƒ_c для последнего импульса.

Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым различием, представленный на фиг. 1, состоит из пьезоэлектрической подложки 5, на поверхности которой последовательно расположены однонаправленный широкополосный встречно-штыревой преобразователь 2 с антенной 1, четыре ортогонально-частотно-кодированные отражающие структуры 3, расположенные в условных временных слотах 4, положение в которых определяет идентификационный код датчика температуры, три рефлектора 6.

Слоты 4, расположенные на определенном расстоянии R, разделены на n частей. Количество слотов на всей метке М. В каждом слоте расположена только одна ортогонально-частотно-кодированная структура 3. Коэффициенты отражения структур 3 определены различными не повторяющимися для последующих структур частотами. Рефлекторы 6 расположены на расстоянии X между собой.

Приходящий опросный электромагнитный сигнал преобразуется с помощью ВШП в сигнал в виде поверхностных акустических волн, полностью повторяющий по форме опросный сигнал. Акустические импульсы распространяются по поверхности пьезоэлектрической подложки. В случае, если несущая частота k-го импульса совпадает с частотой, которая определяет коэффициент отражения k-й отражающей структуры - этот импульс отражается обратно в ВШП. Остальные импульсы продолжают свое распространение до тех пор, пока не достигнут отражающих структур, у которых частота, определяющая коэффициент отражения совпадает с несущей частотой акустического импульса. Отраженные импульсы приходят обратно в ВШП, и таким образом формируется ответный отклик идентификационной метки в виде последовательных импульсов.

Импульс с несущей частотой ƒ_c, не совпадающей ни с одной из ортогонально кодированных структур 3 продолжает распространение до тех пор, пока не встретит неоднородность на своем пути в виде рефлекторов. Часть акустической волны отражается обратно в ВШП 2, а часть продолжает распространяться до следующего рефлектора 6, где также часть волны отражается, а часть проходит к последнему рефлектору, отражаясь от него.

Ответный сигнал от антиколлизионного пассивного датчика температуры на поверхностных акустических волнах может быть представлен как:

где T’_1k и T’_2k - начальное и конечное время каждого импульса, отраженного от ортогонально-частотно-кодированной структуры (ОЧКС), A_k - амплитуда отраженного k-го импульса ОЧКС, w_k - частота k-го импульса ОЧКС, ϕ_k - фаза k-го отраженного импульса от ОЧКС, M - количество ответных импульсов от поверхностных акустических волнах метки, x(t) сигнал, отраженный от рефлекторов 5.

Значение частот для отражающих структур 3 выбирается от w_k до w_k=M. Таким образом, с ВШП в устройство считывателя излучается сигнал в виде последовательности задержанных во времени импульсов, причем каждый - со своей частотой. Последние три ответные импульса, отраженные от рефлекторов 6, содержат одинаковую несущую частоту.

Импульсы, приходящие от отражающих структур 3, задержаны относительно друг друга во времени, пропорциональному расстоянию определяемому топологией метки. Таким образом, топология описанной пассивной метки на поверхностных акустических волнах позволяет получить временной и частотный информационный признак для дальнейшего частотно-временного кодирования каждой метки и ее идентификации в случае коллизии нескольких меток.

Сигнал, отраженный от рефлекторов, может быть выражен как:

где A_i - коэффициент затухания амплитуды за счет потерь при распространении акустических волн, τ_c и τ_ri - задержка распространения электромагнитной волны и акустической волны в свободном пространстве соответственно, θ_ri - фазовый сдвиг центральной частоты, связанный характеристиками отражения от i-го рефлектора, ƒ_c - несущая частота, ϕ₀ - начальная фаза несущей частоты, h(t) - огибающая функция.

Задержка распространения акустической волны τ_i и фазовая задержка ϕ_i для i-го рефлектора может быть представлена как:

При различной температуре окружающей среды задержка распространения акустической волны τ_i будет изменяться из-за изменения расстояния между рефлекторами. Температура окружающей среды Т определяется с помощью рефлекторов 6 как:

где Δφ_ij - разница фаз, определяемая как: 2πƒ_с(τ_j+τ_i), TCD - температурный коэффициент задержки, φ_ij - разность фазовых задержек между отраженными от i-го и j-го рефлектора импульсов, соответсвующих i-у и j-у рефлектору, φ_ij,0 - расчетное значение при температуре окружающей среды, T₀ - опорная температура [4-7].

Источники информации

1. Harma S., Plessky V.P. Surface Acoustic Wave RFID Tags [Development and Implementation of RFID Technology], no 1(1), 145-158 (2009).

2. Plessky V.P., Reindl L.M. Review on SAW RFID tags, Proc. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 57(3), 654-68 (2010). Harma S., Arthur W.G., Hartmann C.S., Maev R.G., Plessky V.P., Inline SAW RFID Tag Using Time Position and Phase Encoding, Proc. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 55(8), 145-158 (2008).

3. S. Harma, V. Plessky, C. Hartmann, W. Steichen. Z- path SAW RFID tag, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 55, no. 1, pp. 208-213, Jan. 2008.

4. Malocha D.C., M. Gallagher, B. Fisher, J. Humphries, D. Gallagher, N. Kozlovski. Passive Wireless Multi-Sensor SAW Technology Device and System Perspective, Sensors 2013 13(1), 1-27 (2013).

5. Malocha D.C.; Puccio D.; Gallagher D. Orthogonal Frequency Coding for SAW Device Applications. In Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, Montreal, Canada, 24-27 August 2004; pp. 1082-1085.

6. Malocha D.C.; Gallagher D.; Hines J. SAW Sensors Using Orthogonal Frequency Coding. In Proceedings of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, Montreal, Canada, 24-27 August 2004; pp. 307-310.

7. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990 - 416 с.