Опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах - RU2105993C1

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

Изобретение касается пассивного датчика, который работает по принципу устройств на поверхностных акустических волнах и сигналы чувствительного элемента которого могут опрашиваться по радио.

Во многих технических случаях применения важно сделать доступными интересующие измерительные значения беспроволочным путем и с известного расстояния и именно таким образом, что собственно примененный чувствительный элемент работает пассивно, то есть не требует никакого собственного источника энергии или токоснабжения. Например, представляет интерес возможность контроля или измерения температуры подшипников колес и/или тормозных колодок на проходящем мимо поезде. Другим случаем применения является измерение момента вращения вращающегося вала машины. Другой областью применения является медицина и химия, например определение парциального давления кислорода в крови живого организма, или охрана окружающей среды, возможность регистрации концентрации растворителей в воздухе и/или в воде уже на расстоянии, чтобы иметь и обрабатывать такие полученные, например, в зоне опасности измерительные данные в безопасном удаленном месте.

Известные решения предлагали применять активные чувствительные элементы, которые питаются от батарей и телеметрически опрашиваются, или ведут постоянную передачу, или производить контроль оптическим путем с помощью телевизионной камеры.

Известны устройства на поверхностных акустических волнах, при которых речь идет об электронно-акустических конструктивных элементах, которые состоят из подложки с пьезоэлектрической характеристикой по меньшей мере в частичных областях поверхности и из находящихся на или, соответственно, в этой поверхности пальцевых электродных структур. В упомянутой поверхности за счет электрического возбуждения, исходя из электроакустического (входного) гребенчатого преобразователя, создаются акустические волны. Акустические волны проходят в этой поверхности и создают из акустической волны электрический сигнал в другом (выходном) преобразователе. Существенным в этих конструктивных элементах является то, что за счет выбора структуры преобразователя и при необходимости других расположенных на поверхности структур является возможным преобразование электрического сигнала, заданного во входной преобразователь, в сигнал выходного преобразователя. Входной преобразователь и выходной преобразователь могут представлять собой одну и ту же преобразовательную структуру. Например, к входу может подводиться широкополосный высокочастотный сигнал, а на выходе иметься частотно-селективный, импульсно-сжатый сигнал, временное положение которого является задаваемой, зависящей от (измерительных значений) параметров характеристикой соответствующего устройства на поверхностных акустических волнах.

На базе устройств на поверхностных акустических волнах работают уже десятилетия опознавательные маркеры (ID-Tags) (патенты США US-A-3273146, US-A-4725841), которые позволяют по радио устанавливать наличие или идентичность предметов или людей и которые работают пассивно. При этом имеет значение, что в устройстве на поверхностных акустических волнах вследствие сильного пьезоэлектрического эффекта подложки сигнал опроса может промежуточно запоминаться и, таким образом, дополнительное токоснабжение опознавательных маркеров является не нужным. Переданный блоком запросчика электромагнитный высокочастотный импульс запроса принимается антенной опознавательного маркера на поверхностных акустических волнах, то есть ID-Tags.

С помощью работающего в качестве входа электроакустического гребенчатого преобразователя устройства на поверхностных волнах в нем создаются акустические поверхностные волны. За счет согласованных с соответствующей заданной величиной выбранных структур устройства на поверхностных волнах, причем эта заданная величина может задаваться совершенно индивидуально, созданная в устройстве поверхностная волна модулируется и на выходе восстанавливается модулированный электромагнитный сигнал. Через антенну устройства этот сигнал может также приниматься на расстоянии. Устройство на поверхностных волнах отвечает таким образом, на вышеупомянутый опросный импульс с жестко заданной для устройства (основной) задержкой (индивидуальным) высокочастотным идентифицирующим ключевым словом, которое должно анализироваться в соответствующем блоке запросчика. Такое устройство описано, например, в названном первым патенте США, 1966 г.

Известно также применение работающих на основе устройств на акустических поверхностных волнах датчиков, например, в качестве термометра, датчика давления, измерителя ускорения, химического или биологического чувствительного элемента. Примеры этого описаны в публикациях "IEEE Ultrasonic Symp. Proc. (1975), с. 519-522; Proc. IEEE. т. 64 (1976), с. 754-756 и EP-0361729 (1988). Эти устройства работают на принципе генератора, который существенно отличается от принципа работы ID-Tags, и в качестве активных устройств они требуют также собственного токоснабжения.

В DE-A-3438051 и US-A-4620191 (Skeie) описан пассивный (приемо)ответчик на основе устройства на акустических поверхностных волнах, который отвечает на опросный сигнал лишь закодированным в структуре на акустических поверхностных волнах специальным и, таким образом, заданным всегда одинаковым ответным сигналом. В патенте США US-A-4734658 в качестве дополнения к названным ранее публикациям указано, каким образом можно устранить описанную в IEEE, Ultrason. Symp. 1987, с. 583-585 исследованную температурную зависимость примененного в этом (приемо)ответчике устройства на поверхностных акустических волнах. С помощью стартового и стопового бита предусматривают нормирование всех времен прохождения или разностей фаз. Таким образом, дополнительно достигается температурная компенсация для известного (приемо)ответчика.

Упомянутая выше температурная зависимость была исследована на стандартных опознавательных маркерах и была установлена линейная зависимость разницы фаз отраженных сигналов двух отражателей опознавательного маркера от температуры. Там указана также возможность применения в качестве дистанционно опрашиваемого температурного датчика на поверхностных акустических волнах.

В Rev. of Scient. Instr. т. 60 (1989), с. 1297-1302 описан активный, то есть приводимый в действие от батарейного питания, работающий на поверхностных акустических волнах датчик для аэрозолей, который является известным уже более 10 лет. Датчик состоит из двух генераторов с необходимыми для их работы усилительными схемами.

Другой, также активный датчик в качестве электрического измерителя напряжения с воздействием на скорость поверхностных акустических волн известен из EP-A-0166065.

Индуктивная, питаемая энергией посредством петли связи, работающая на поверхностных акустических волнах система идентификации, которая используется в технике автоматизации, известна из DE-A-4025107. Путем оценки только не имеющих ошибок периодов сигнала достигается уменьшение ошибок записи/считывания.

В IEEE, Ultrasonic Symp. 1982, с. 177-179 описан известный процессор преобразования ширина (Chirptransformprozessor), примененный в качестве спектроанализатора, и описано, каким образом можно уменьшить его температурную зависимость. Указанная там мера заключается в таком выборе внутренней рабочей частоты процессора, что иначе появляющаяся обусловленная температурой ошибка измерения сведена к минимуму.

Задачей изобретения является указание принципа для датчиков с пассивно работающими, то есть не требующими собственного токоснабжения, чувствительными элементами, которые могут опрашиваться по радио или считываться на расстоянии бесконтактным путем. В частности, речь идет также о том, чтобы иметь целесообразную основу для сравнения и/или независимость от нежелательных воздействий; например о достижении температурной независимости при детектировании и измерении других величин, чем величина температуры.

Эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения, а дальнейшие формы развития следуют из зависимых пунктов и, в частности, из пункта 24 и последующих пунктов.

Принцип реализации для соответствующего изобретению пассивного датчика на поверхностных акустических волнах заключается в том, что для этого датчика, как правило, предусмотрены по меньшей мере два устройства на поверхностных акустических волнах, из которых одно устройство работает в качестве опорного элемента, а другое устройство или, соответственно, множество других устройств имеют функцию соответствующего чувствительного элемента. Эти чувствительные элементы выдают на своем (каждый раз) работающем в качестве выхода гребенчатом преобразователе выходной сигнал, который является изменяемым с возможностью идентификации в соответствии с подлежащей измерению измерительной величиной относительно входного сигнала чувствительного элемента. Измеряться могут такие измерительные величины, которые оказывают воздействие на скорость или время прохождения акустической волны в устройстве на поверхностных акустических волнах. Этот входной сигнал является передаваемым по радио расположенным на расстоянии блоком запросчика высокочастотным сигналом, который подводится к работающему в качестве входа входному преобразователю чувствительного элемента. Высокочастотный сигнал подводится также к входу соответствующего опорного элемента, в котором производится соответствующая чувствительному элементу обработка сигнала и которым выдается также выходной сигнал. Выходной сигнал однако несущественно или только известным образом подвержен влиянию за счет физических или химических эффектов/воздействий подлежащих определению чувствительным элементом измерительных величин и является, таким образом, применимым опорным значением.

Из сравнения выходного сигнала опорного элемента с выходным сигналом соответствующего чувствительного элемента или соответственно с выходным сигналом множества соответствующих чувствительных элементов соответствующего изобретению пассивного датчика получают, например, еще на месте измерения сигнал измерительного значения. Предпочтительно этой обработкой сигнала является сравнение фаз и/или времен прохождения или сравнение частот. Этот принцип работы является возможным без существенного внешнего подвода энергии в соответствующем изобретению пассивном датчике на поверхностных акустических волнах, точнее в его чувствительном элементе. Необходимая для передачи измерительного значения энергия передачи имеется в распоряжении в случае изобретения, как и в выше описанном опознавательном маркере, из энергии опросного импульса.

Сравнение фаз и/или времен прохождения, однако, не должно обязательно производиться в месте нахождения чувствительного элемента или, соответственно, в месте измерения. Чувствительный элемент и опорный элемент могут, следовательно, предпочтительным образом быть расположены также пространственно отдельно друг от друга и быть функционально связанными между собой лишь по радио. Причина этого заключается в том, что по сравнению со скоростью распространения акустической волны в устройстве на поверхностных акустических волнах электромагнитная скорость распространения является примерно в 10⁵ раз больше. Ошибка фаз или, соответственно, времен прохождения таким образом при таком раздельном расположении, как правило, является пренебрежимо малой. В остальном при известном расстоянии между чувствительным элементом и опорным элементом может быть предусмотрено соответствующее упреждение с точки зрения измерительной техники.

Это пространственно разделенное расположение имеет преимущество, например, в случае, когда в одном общем месте должно опрашиваться множество измерительных точек. Поясняющий это пример представляет собой пример измерения температуры тормозных колодок и/или подшипников колес проходящего мимо заданного места железнодорожного поезда. Каждой тормозной колодке и/или подшипнику колеса придан в соответствие функционально и пространственно чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах. Опорный элемент находится в блоке запросчика и оценки в заданном месте вдоль участка шинного пути, по которому проходит поезд.

В обычном случае блок запросчика, с одной стороны, и блок приема и оценки, с другой стороны, расположены пространственно объединенными друг с другом.

Также относящийся к изобретению принцип решения состоит в том, что вместо ранее описанного "явно" предусмотренного опорного элемента, опорная функция может быть интегрирована в принцип решения "неявно". Здесь вначале представленный только в нескольких словах (детальное описание следует ниже) этот вариант общего соответствующего изобретению принципа решения состоит в том, что предусмотрены по меньшей мере два выполненных в виде структур на поверхностных акустических волнах элемента с чувствительной характеристикой, которые, однако, можно задействовать "друг против друга" так, что общий способ функционирования обеих структур охватывает, как чувствительную функцию (сравнимую с функцией классического чувствительного элемента), так и опорную функцию (классического опорного элемента ранее описанной системы).

Еще далее идущая форма развития изобретения состоит в том, чтобы использовать комбинацию из чувствительного элемента и опорного элемента, как это пояснялось относительно описанной вначале системы, для контроля/измерения заранее заданной физической величины, например, механической величины, однако эти элементы выбирать и эксплуатировать таким образом, чтобы за счет интегрального способа функционирования, подобно выше поясненному принципу решения, можно было бы компенсировать нежелательно появляющуюся другую физическую величину, которая оказывает воздействие на скорость акустической волны (акустических волн) в структурах на поверхностных акустических волнах, как, например, воздействие температуры.

Предусмотренные согласно изобретению пассивные оценки сигнала представляют собой, например, фазовую дискриминацию, смешивание сигнала, измерение частоты и т.п. Примененные устройства на поверхностных акустических волнах являются базовыми элементами опорного элемента и, по меньшей мере одного чувствительного элемента или соответственно элементами комбинации с интегральной, неявно содержащейся опорной функцией. Таковыми являются фильтры, работающие на поверхностных акустических волнах. Этими работающими на поверхностных акустических волнах фильтрами могут быть резонаторы, линии задержки, а также таковые дисперсионного типа phase shift keying (PSK-) и/или конвольверы. В частности, эти устройства на поверхностных акустических волнах выполнены предпочтительным образом в виде фильтров с малыми потерями (Low-Loss-фильтр). Для принципа решения с интегрированной неявной опорной функцией, а также для формы дальнейшего развития, например, с температурной компенсацией пригодны имеющие ширп (gechirpte) отражательные и/или преобразовательные структуры.

Эти устройства на поверхностных акустических волнах работают с использованием пьезоэлектрического эффекта материала подложки или, соответственно, находящегося на подложке пьезоэлектрического слоя. В качестве пьезоэлектрического материала, кроме особенно независимого от температуры, стабильного по частоте кварца, пригодными являются прежде всего таковой с высокой пьезоэлектрической связью, как ниобат лития, танталат лития, тетраборат лития и тому подобное (как монокристалл), окись цинка, в частности, для слоев, и пьезоэлектрическая керамика, которые, однако, имеют значительную зависимость от температуры.

Выше уже говорилось о том, что опорный элемент и чувствительный элемент или, соответственно, множество чувствительных элементов могут быть пространственно расположены объединенными друг с другом. Преимущество такого устройства состоит в том, что фазовая оценка и/или оценка времен прохождения и тому подобное в значительной степени могут выполняться свободными от внешних помех, или, соответственно, внешние помехи могут быть сведены до минимума, например, путем подходящего экранирования. Естественно, при этом следует заботиться о том, чтобы опорный элемент, по меньшей мере, в значительной степени был свободным от физического влияния, которое оказывает подлежащая измерению величина, являющаяся, например, температурой. Для этого, например, опорный элемент и один или множество чувствительных элементов могут быть расположенными на отдельных друг от друга подложках и, соответственно, только чувствительный элемент подвержен влиянию измерительной величины. Для температурных измерений, например, может быть предусмотрено, применять в качестве подложки для опорного элемента кварц, в то время как для одного или нескольких чувствительных элементов предусматривается ниобат лития или другой материал подложки, имеющий относительно высокую зависимость от температуры. Температурные изменения кварцевой подложки опорного элемента воздействуют на его выходной сигнал для многих случаев еще в степени, которой можно пренебречь.

Для (температурной) компенсации может быть также предусмотрено, введение заданной величины коррекции. Это может быть, например, достигнуто за счет того, что посредством одного из чувствительных элементов определяется мгновенная температура всего устройства на поверхностных акустических волнах и это значение температуры привлекается в качестве заданного значения для коррекции измерительных значений остальных чувствительных элементов, которые измеряют другие физические величины.

Также для системы с интегрированной, неявной опорной функцией или для формы ее дальнейшего развития, например, с интегрированной температурной компенсацией является целесообразным объединенное расположение элементов, а для достижения высокой точности, как правило, даже обязательным.

Для увеличения возможностей передачи между соответствующим изобретению устройством датчика (с или без содержащегося в нем опорного элемента) рекомендуется использовать известный способ растягивания диапазона и предусматривать согласованные фильтры (matched filter) с импульсным сжатием.

Для устройств на поверхностных акустических волнах является известным рассчитывание их таким образом, что создаются и оцениваются волны Рэлея, поверхностные поперечные упругие волны, волны утечки и тому подобное.

В случаях, в которых одним блоком запросчика должны опрашиваться множество чувствительных элементов на поверхностных акустических волнах, например, должно определяться множество различных измерительных величин и/или одинаковые измерительные величины в разных местах и/или объектах, отдельным (чувствительным) элементам могут быть предпочтительным образом также добавлены функции опознавания. Эта интеграция может выполняться на отдельном чипе подложки или во многих случаях предпочтительным образом также на том же самом чипе подложки. Эта функция опознавания соответствует такой функции, как она была пояснена в случае описанных вначале ID-маркеров. Такая функция опознавания может быть реализована в случае изобретения таким образом, что дополнительно интегрирована в предусмотренную для изобретения структуру на поверхностных акустических волнах и что между входом сигнала и выходом сигнала примененного для изобретения устройства на поверхностных акустических волнах введена еще одна соответствующая дополнительная структура (опознавания). Например, это может быть предусмотрено целесообразным образом для соответствующего чувствительного элемента. В случае жестко приданных друг другу чувствительного элемента и опорного элемента также и опорный элемент может содержать эту функцию опознавания. Другим применимым в случае изобретения мероприятием является то, что выбирают частоту собственно измерительного сигнала и частоту сигнала опознавания различно высокими. За счет этого мероприятия можно избежать такие взаимные помехи, которые иначе в частном случае нельзя с самого начала полностью исключить и которые при необходимости требуют учета. В области радиочастот соответствующего предусмотренного для изобретения блока запросчика для случаев, в которых предусмотрено множество соответствующих изобретению датчиков на поверхностных акустических волнах (чувствительных элементов), которые должны поставлять различные друг от друга измерительные значения, можно предусмотреть предварительные меры так, что каждый из этих датчиков работает на своей собственной частоте, отвечает только после основного времени прохождения (времени задержки относительно опросного импульса) и/или согласован с индивидуальной импульсной последовательностью передачи. Можно также предусматривать пространственное разделение чувствительных элементов и антенны и производить соединение только с помощью проводящего высокие частоты кабеля и/или за счет электропроводящих стенок резервуара.

Для множества соответствующих изобретению датчиков можно применять одну и ту же антенну. Может быть также предусмотрено расположение антенны на (соответствующей) подложке соответствующего датчика (чувствительного элемента) на поверхностных акустических волнах в интегральном выполнении.

Путем применения имеющих ширп (gechirpter) структур на поверхностных акустических волнах, в частности, имеющих ширп отражательных структур могут быть достигнуты другие предпочтительные эффекты с датчиком по принципу изобретения. Во первых, применение имеющих ширп отражательных структур и/или преобразователей вместо не имеющих ширпа отражательных структур позволяет достичь большей чувствительности соответствующего изобретению датчика. Применением согласованных с этим имеющих ширп опросных сигналов может достигаться, кроме того, сжатие (динамического диапазона) ответных сигналов, что также облегчает оценку. С помощью up-chirp-опросного сигнала с определяемой или подлежащей определению интенсивностью ширпа (chirprate) и с согласованной с этим down-chirp-структурой в датчике можно даже нацеленно использовать истинную, то есть достигнутую не только компенсацией, независимость от температуры.

На фиг. 1 показан соответствующий изобретению датчик на поверхностных акустических волнах; на фиг. 2(a и b) интегральные выполнения с одним опорным элементом и одним чувствительным элементом; при соответствующем выполнении этих элементов и следующего отсюда применяемого принципа работы фиг. 2 дает также пример для системы с неявной опорной функцией; на фиг. 3(a и b) формы выполнения с опорным элементом и чувствительным элементом, расположенными на различных подложках; на фиг. 4 выполнение изобретения, при котором опорный элемент находится в блоке запросчика; на фиг. 5 форма выполнения с дополнительной функцией опознавания с различными частотами или (в частности, при одинаковой частоте) с различным временем прохождения сигнала чувствительного элемента и сигнала опознавания; на фиг. 6 принципиальная схема для выполнения с одним блоком запросчика и множеством соответствующих изобретению чувствительных элементов на поверхностных акустических волнах или, соответственно, матрицей датчиков с множеством отдельных датчиков, которые работают с различными частотами; на фиг. 7 другое расположение с дополнительным находящимся на датчике устройством для пассивной обработки сигнала; на фиг. 8 принцип передачи и приема с имеющими ширп сигналами; на фиг. 9 (a и b) формы выполнения к фиг. 8; на фиг. 10 графическое представление к принципу согласно фиг. 8; на фиг. 11 графическое представление, из которого можно понять повышение чувствительности за счет применения имеющих ширп структур; на фиг. 12 другая форма выполнения соответствующего датчика; на фиг. 13 температурнокомпенсированный датчик согласно первой форме дальнейшего развития; на фиг. 14 то же согласно второй форме дальнейшего развития; на фиг. 15 и 16 формы выполнения с кодированными структурами.

Фиг. 1 показывает блок запросчика 1, который является составной частью соответствующего изобретению пассивного датчика на поверхностных акустических волнах. Этот блок запросчика 1 содержит в качестве составных частей передающую часть 2, приемную часть 3 и следующую составную часть, образующую блок оценки 4. Позицией 5 обозначен собственно пассивный датчик с устройством на поверхностных акустических волнах. При работе существует радиосвязь 6 от передающей части 2 к датчику 5 и радиосвязь 7 от датчика 5 к приемной части 3. Необходимая для радиосвязи 7 энергия содержится в сигнале, передаваемом по радиосвязи 6 к датчику 5. Датчик 5 находится в месте измерения, и его чувствительный элемент 15, который является составной частью датчика 5, подвержен подлежащему измерению физическому, химическому или тому подобному воздействию.

Фиг. 2, a показывает подложку 5' датчика на поверхностных акустических волнах с двумя устройствами на поверхностных акустических волнах 15' и 25'. Гребенчатые преобразователи на поверхностных акустических волнах 21 и 22 являются соответственно входным преобразователем и выходным преобразователем чувствительного элемента 15'. Позициями 23 и 24 обозначены соответствующие гребенчатые преобразователи опорного элемента 25'. Позициями 16 и 17 указаны антенны, которые служат для приема радиосигнала канала 6 и для передачи сигнала радиоканала 7. При некоторых обстоятельствах может быть достаточным в качестве антенны 16 и/или 17 предусматривать только печатный проводник или симметричную вибраторную антенну на подложке 20 датчика на поверхностных акустических волнах. Однако можно предусматривать и обычную антенну. Фиг. 2 показывает интегральное выполнение датчика в качестве формы выполнения датчика 5 фиг.1.

Фиг. 2, b показывает соответствующее фиг. 2,a выполнение с отражателями 22a и 24a вместо преобразователей 22 и 24. Здесь преобразователи 21 и 23 являются входом и выходом устройства на поверхностных акустических волнах этой фигуры.

Фигура 3, a показывает устройство с чувствительным элементом и опорным элементом в месте измерения. Позицией 30 обозначен материал носителя для пьезоэлектрической подложки на поверхностных акустических волнах 130 чувствительного элемента 15" и для пьезоэлектрической подложки на поверхностных акустических волнах 230 опорного элемента 25". Преобразовательные структуры 21 -24 могут иметь такую же форму выполнения, что и на фиг. 2.

Например, подложка 130 является таковой из ниобата лития, танталата лития и тому подобного. Этот материал является сильно зависящим от температуры относительно его существенных для поверхностных акустических волн свойств. В частности, в противоположном обычной практике смысле для устройств на поверхностных акустических волнах может быть выбран такой срез кристаллического материала, который показывает большую зависимость от температуры. Для температурного датчика здесь для подложки 230 опорного элемента должен целесообразно применяться кварц, который мало зависит от температуры.

Позициями 16 и 17 снова обозначены антенны.

Фиг. 3,b показывает соответствующую фиг. З,a форму выполнения с отражателями 22a и 24a, как на фиг. 2,b, и вместо преобразователей 22 и 24.

Фиг. 4 показывает форму выполнения, при которой, как описано выше в качестве возможности реализации изобретения, в качестве дополнительной составляющей части в блоке запросчика 1' содержится опорный элемент 25. Пассивный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах со своей подложкой 130' обозначен позицией 15. Позициями 16 и 17 или соответственно. 116 и 117 обозначены соответствующие антенны чувствительного элемента и блока запросчика. Предусмотрены также переключатели 41 43, которые должны замыкаться для соответствующей рабочей фазы, чтобы можно было производить сравнение фаз и/или времен прохождения между (соответствующим) чувствительным элементом 15 и опорным элементом 25.

Фиг. 5 показывает принципиально соответствующее форме выполнения фиг. 4 устройство согласно изобретению, которое однако еще содержит дополнительно средства для реализации функции опознавания. Блок запросчика с содержащимся в нем опорным элементом 25 обозначен позицией 1'. Позицией 6 обозначена радиосвязь от блока запросчика 1' к датчику 15₁. Датчик 15₁ охватывает два чувствительных элемента 115 и 115'. Чувствительный элемент 115 рассчитан на первую частоту f₁. Чувствительный элемент 115' содержит обозначенную позицией 26 кодирующую структуру. Входы и выходы обоих чувствительных элементов 115 и 115' включены параллельно относительно антенны 16. Радиосвязь к блоку оценки 1' опять обозначена позицией 7.

В соответствии с кодированием акустический отрезок пути чувствительного элемента 115' поставляет характеристический ответный сигнал. Оба чувствительных элемента 115 и 115' могут также обладать различным основным временем прохождения или также как различной частотой, так и различным основным временем прохождения.

В качестве принципиальной схемы фиг. 6 показывает представление с множеством чувствительных элементов 15₁, 15₂, 15₃ до 15_N, которые все (одновременно) лежат в радиополе блока запросчика. Для каждого из этих чувствительных элементов заранее задана собственная частота f₁, f₂, f₃ до f_N. Блок запросчика 1, 2' содержит необходимые для запроса чувствительных элементов 15₁. 15_N и для обработки принятых от этих чувствительных элементов сигналов измерительных значений схемные компоненты. Каждым отдельным чувствительным элементом 15₁. 15_N может измеряться отдельно по одной физической величине.

Фиг. 7 показывает другое устройство для изобретения. Это устройство с пассивной обработкой сигнала, например оценка с фазовой дискриминацией. На чипе или, соответственно, носителе 30 находятся чувствительный элемент 15 и опорный элемент 25. Фазовый дискриминатор обозначен позицией 11 и также расположен на носителе 30. Антенна передает сигнал дискриминатора.

Ниже описываются дополнительные подробности к уже описанному выше принципу решения с интегрированной неявной опорной функцией примененных структур, или соответственно, элементов на поверхностных акустических волнах, а именно на примере температурного датчика. Этот принцип решения, однако, ни коим образом не ограничивается измерением температуры, а может также применяться для измерения сил, значений давления, света, корпускулярного излучения, влажности и газового балласта. Для измерения таких физических величин может дополнительно также быть предусмотрен имеющий физическую, химическую и/или биологическую активность слой, который со своей стороны также может дополнительно оказывать усиливающее сигнал действие. Такой слой может быть нанесен на поверхность подложки на предусмотренные устройства на поверхностных акустических волнах.

Как уже описано выше, система этого другого принципа решения охватывает также чувствительные элементы на поверхностных акустических волнах и относящийся сюда блок запросчика с передающей частью, приемной частью и блоком оценки. В датчике содержатся имеющие ширп структуры на поверхностных акустических волнах. Для опросного сигнала такая структура, как известно, имеет не только определенное время прохождения t, но и внутри структуры также зависящее от частоты опросного сигнала место ответа. Как время прохождения (как и в до сих пор описанных примерах выполнения), так и это место являются зависимыми от внешних влияний, то есть зависимыми от детектируемых датчиком по этой причине измерительных величин, которые оказывают влияние на время прохождения. Такой измерительной величиной является, например, температура датчика.

Блоком запросчика излучается опросный сигнал и принимается структурой на поверхностных акустических волнах, которая предпочтительно обладает ширпом. При этом речь идет о высокочастотном сигнале, который в заданной ширине полосы в течение временного интервала опроса имеет частоту, изменяющуюся от одного граничного значения частоты до другого граничного значения частоты. Понятие ширп "chirp" является известным из справочника по высокочастотной технике Meinke, Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnick", главы Q61 и L68. Предусмотренные элементы на поверхностных акустических волнах и область полосы частот опросного сигнала согласованы друг с другом.

Фиг. 8 показывает принципиальную схему дальнейшего развития. Позицией 1 обозначен блок запросчика с передающей частью 2, приемной частью 3 и блоком оценки 4. Целесообразным образом здесь одновременно или также последовательно передают два опросных сигнала, один из которых является up-chirp-сигналом (возрастающая частотная модуляция), а другой down-chirp-сигналом (падающая частотная модуляция). Передающая часть посылает таким образом, например, одновременно два импульса передачи 101 и 102, один из которых является - up-chirp-сигналом, а другой down-chirp-сигналом. Датчик 5 принимает эти оба имеющие ширп сигнала. Датчиком 5 передаются два ответных сигнала 103 и 104, которые попадают обратно в приемную часть 3 блока запросчика 1.

Фиг. 9 показывает в качестве примера форму выполнения относящегося к этому принципу датчика 5 с преобразователем 121' с антенной 16 и с двумя отражательными устройствами на поверхностных акустических волнах, которые приданы преобразователю для комплектного устройства на поверхностных акустических волнах и находятся на подложке этого устройства или, соответственно, датчика 5. Как видно из фиг. 9,а, речь идет о имеющих ширп отражателях с соответственно изменяющейся в пределах рефлектора периодичностью (и изменяющейся шириной полосы). Их расположение относительно преобразователя 121 выбрано таким образом, что для отражательной структуры 124 ее высокочастотный конец (down-chirp-структура), а для отражательной структуры 125 ее низкочастотный конец (up-chirp-структура) обращен к преобразователю 121. Отражатель 124 действует как устройство сжатия (компрессор) для down-chirp-сигнала, а отражатель 125 как компрессор для up-chirp-сигнала.

Одновременная передача двух имеющих ширп (узкополосных) опросных сигналов, соответствующая дисперсия которых согласована с соответствующей им отражательной структурой датчика, приводит в устройстве, как оно показано на фиг. 9,а, к тому, что через преобразователь 121 и антенну 16 в качестве ответного сигнала устройства на поверхностных акустических волнах передаются обратно два сжатых по времени (широкополосных) импульса. Можно также работать с опросными импульсами или с не дисперсивным опросным сигналом (сигналами) и с ведущей к разнице времени прохождения в качестве результата датчика дальнейшей обработкой сигнала.

Временной интервал опросных импульсов друг от друга является при данном имеющем ширп расположении отражательных полос отражательных структур 124, 125 зависящим от скорости распространения акустической волны на поверхности материала подложки датчика. Если скорость распространения изменяется, например, при изменяющейся температуре материала подложки или за счет подлежащей измерению газовой нагрузки и тому подобного, то изменяется временной интервал между двумя названными импульсами. Импульсный сигнал, который образовался из chirp-down-сигнала, попадает (начиная с известной минимальной интенсивности ширпа) (chirprate) через самое краткое время в виде не имеющего ширпа сигнала к блоку запросчика 1. Соответственно, импульсный сигнал, который возникает из chirp-up-сигнала, попадает в блок запросчика 1 через более длительное время в виде не имеющего ширпа сигнала.

Фиг. 9,b показывает соответствующую фигуре 9,a форму выполнения с имеющими ширп преобразователями 124а и 125а вместо имеющих ширп отражателей 124 и 125. Эти преобразователи 124а и 125а включены в качестве выхода. Однако можно использовать также все три параллельно включенных преобразователя 121, 124a и 124b в качестве входа и выхода.

В последующем представляются соответствующие математические зависимости.

С помощью фиг. 10 выводится зависимость разницы времен прохождения Δt, интенсивности ширпа B/T (с T, равным временной длине ширпа) и изменением температуры Δθ для частной системы с положительной интенсивностью ширпа B/T. Фиг. 10 показывает мгновенные частоты f импульсного ответа датчика (только up-система) при температуре q и более высокой температуре q+Δθ. Блок запросчика 1 передает опросный сигнал с независящей от температуры средней частотой f_o, которая при более высокой температуре θ+Δθ имеет большее на разницу времени Dt время прохождения.

На фиг. 10, представленной в плоскости частота/время, независимым от ширпа температурным эффектом пренебрегли, то есть среднее время прохождения t_o удлиняется за счет более высокой температуры. Если этот эффект принимают во внимание, то время прохождения сигнала с положительной частотной модуляцией в датчике рассчитывается относительно

Путем замены и вынесения за скобки получается

Фиг. 11 показывает на диаграмме чувствительность датчика, то есть как изменяются получающиеся для значения подлежащей детектированию измеряемой величины величины изменения времени прохождения Δt в зависимости от интенсивности ширпа T/B для дисперсивной структуры с ширпом, возрастающая прямая A показывает рост чувствительности up-chirp-структуры с растущей интенсивностью ширпа T/B. Для down-chirp-структуры получается (вначале) в соответствии с прямой B уменьшение чувствительности, которая после прохождения нулевой точки принимает отрицательные значения (-Δt) увеличивающиеся при росте значений для возрастающей интенсивности ширпа. Как можно видеть, характеристики для up- chirp-структуры и down-chirp-структуры являются противоположными. Для двух таких структур в одном датчике получается в качестве общей чувствительности, соответственно, общая разница времен прохождения между двумя прямыми A и B двух ответных импульсов, то есть, например, расстояние между обоими точками A1 и B1.

Фиг. 12 показывает вариант формы выполнения фиг. 9,a устройства на поверхностных акустических волнах для имеющих ширп опросных сигналов. Там предусмотрены включенные друг за другом относительно антенны преобразователи 121 и 122 распределенные на две дорожки. По смыслу преобразователи могут быть включены также параллельно. Соответственно расположенные на двух дорожках отражательные структуры 124 и 125 имеют конструкцию и свойства названных в связи с фиг. 9,a отражательных структур. Вместо отражательных структур могут быть предусмотрены, как на фиг. 9,b, также преобразовательные структуры.

Фиг. 13 показывает форму выполнения соответствующего изобретению дальнейшего развития работающего на поверхностных акустических волнах датчика. Устройство согласно фиг. 13 отличается от устройства на фигуре 9,a тем, что отражательная структура 126 относительно положения преобразователя 121 расположена таким образом, что для структуры 126 высокочастотный конец имеющего ширп отражателя обращен к преобразователю 121, что означает, что обе отражательные структуры 124 и 126 выполнены зеркально симметричными относительно преобразователя 121 (down- chirp-структуры). Решение относительно фиг. 13 (и фиг. 14) может быть осуществлено также с up-chirp-структурами вместо down-chirp-структур. При таком расположении отражательных структур согласно фиг. 13, однако, из-за зеркально симметричного расположения отражателей не имеется зависящей от температуры разницы времен ответных импульсов, что означает, что устройство согласно фиг. 13 в качестве датчика является независимым от того, как изменяется температура подложки (и находящихся на ней структур на поверхностных акустических волнах) и/или другое воздействие, оказывающее влияние на время прохождения акустической волны. В форме выполнения фиг. 13 представленное устройство на акустических волнах является температурно скомпенсированным, а именно за счет его конструкции. Это обстоятельство варианта изобретения согласно фиг. 13 является используемым с большим преимуществом для независимого от температуры измерения других физических, химических и/или биологических величин. Для измерения какой-то другой величины, чем температура, например газового балласта, одну из двух отражательных структур 124, 126 снабжают реагирующим на подлежащий измерению газ слоем. Покрытая слоем отражательная структура (например, 124) реагирует на измерительную величину, в то время как другая, оставшаяся без покрытия отражательная структура (126) остается без влияния газа. Здесь требуется только имеющий ширп сигнал (передачи). Соответственно, получается только один сигнал ответного импульса до тех пор, пока оба отражателя ведут себя идентично. Однако как только один из отражателей подвергается воздействию измеряемой величины, то получаются два ответных импульса, временной интервал между которыми соответствует измеряемой величине. Вместо отражательных структур 124 и 126 могут применяться также преобразовательные структуры.

Также и датчик согласно фиг. 9,b и 12 становится температурно-независимым датчиком согласно фиг. 13, если одна из структур 124, 125 или 124а, 125а "перевернута" так, что обе эти структуры своим высокочастотным концом (down-chirp) или обе эти структуры своим низкочастотным концом (up-chirp) обращены к преобразователю 121 или, соответственно, обоим преобразователям 121 и 122.

В качестве чувствительного элемента действует та из структур 124 или 125, которая сделана чувствительной к заданной измерительной величине или соответственно подготовлена. Не подготовленная структура 125 или 124 является опорным элементом для этой измерительной величины.

С преобразователями 124а и 126а получают независящий от температуры (и от других оказывающих влияние на скорость волны величин) датчик согласно фиг. 14, при котором также, как и в случае фиг. 13, высокочастотные или низкочастотные концы имеющих ширп (down-chirp или up-chirp) преобразователей 124а/126а обращены к входным/выходным преобразователям 121, 121', которые здесь в качестве примера включены параллельно, однако могут быть также включены последовательно. Преобразователи 124а/126а могут использоваться в качестве выходных/входных преобразователей. Также на фиг. 14 разница расстояния а снова указана отличной от b.

Для устройства согласно фиг. 13 и 14 может быть, например, предпочтительным, использование up-chirp-опросного сигнала, согласованного с представленными down-chirp-структурами. Таким образом получают уже выше описанные сжатые опросные импульсы.

Датчик с зеркально симметрично расположенными chirp-структурами согласно фиг. 13, однако, может согласно второму варианту способа опроса считываться передатчиком. От передатчика посылается мощный короткий импульс примерно со средней частотой области ширпа, или не согласованный со структурой chirp-сигнал, спектры которого по возможности постоянно перекрывают частотный диапазон датчика. От датчика тогда передается обратно с временной задержкой chirp-импульс. Форма огибающей этого принятого chirp-импульса позволяет производить оценку измерительных величин. Если в опорной структуре и в подготовленной чувствительной структуре имеет место одинаковая скорость распространения акустической волны, то все симметрично отраженные акустические волны одинаковой частоты с конструктивной интерференцией сводятся в chirp-импульс и он имеет постоянную во времени амплитудную характеристику. Если же, однако, скорости распространения в чувствительной структуре и в опорной структуре отличны друг от друга, тогда конструктивная интерференция и деструктивная интерференция сменяются при прохождении мгновенной частоты chirp-импульса и его огибающая имеет зависящую от разницы скоростей волны в опорной структуре и в чувствительной структуре, то есть соответствующую зависящую от измерительной величины модуляцию. Например, очень малая измерительная величина имеет только крутую амплитудную характеристику. В противоположность этому большая разница скоростей имеет следствием распределенные по длине chirp-импульса многие периоды модуляции, а именно подобно стоячим волнам на линии.

В устройстве согласно фиг. 13 с соответственно выбранными параметрами и согласованном с антенной не требуется никакой акустической энергии, которая бы уничтожалась в болоте демпфирующего материала, так как акустические волны без потерь в соответствии со своими специфичными по частотам временами прохождения полностью отражаются обратно структурами 124 и 126 в преобразователь 121. Это является преимуществом in-line-устройства с центрально расположенным преобразователем 121 согласно фиг. 13, а именно по сравнению с параллельным двухдорожечным расположением опорной структуры и чувствительной структуры.

Другую возможность применения/выполнения датчика согласно фиг. 13 показывает фиг. 15, при которой имеющие ширп структуры, то есть беспроволочный импульсный ответ чувствительной структуры, дополнительно включает код распознавания для соответствующего датчика. Это является монолитным соединением основанного на интерференции имеющего ширп маркера опознавания с датчиком согласно фиг. 13 (или также согласно фиг. 14), как это уже было описано выше в другой связи. Отражательные структуры 127 и 128 компонуются из создающих код в импульсном ответе составляющих 127' и 128' (отражая, например, от нижней границы полосы f_u) ширпа до промежуточной частоты f_Z) и опорной составляющей 127'' и чувствительной составляющей 128''. Чувствительная составляющая 128'' покрыта, например, в качестве газового детектора газочувствительным слоем. Остальные составляющие 127'', 128'' являются отражающими от частоты f_Z до верхней граничной частоты полосы ширпа. При опросе импульсом большой ширины полосы частот в импульсном ответе создается кодовый бит амплитуды 1 с мгновенной частотой f₁, если для этой частоты отражательные структуры 127 и 128 расположены зеркально симметрично, а именно за счет конструктивной интерференции. Кодовый бит амплитуды 0 возникает за счет деструктивной интерференции при частоте f₀, если обе отраженные на структурах 127' и 128' акустические волны попадают в преобразователь 121 с разницей фаз при f₂. Это значит, что для f₂ структуры 127' и 128' расположены со смещением по сравнению с зеркально симметричным относительно преобразователя расположением противоположно друг другу внутрь или наружу каждая примерно на четверть акустической длины волны.

Такой же эффект достигается, если при частоте f₂ одна из обоих составляющих отражательной структуры 127' и 128' не имеет фазовой модуляции, а другая имеет фазовое кодирование с инкрементом, соответствующим половине акустической длины волны в датчике (фиг. 16).

Также при форме выполнения согласно фиг. 15 проявляется преимущество температурной компенсации и в принципе не имеющего потерь обратного излучения всей энергии импульса.

Если в блоке запросчика применяется демодуляция в мгновенной фазе импульсного ответа датчика, то является применимым датчик согласно фиг. 16, при котором вся опорная chirp-структура 129 включает фазокодированное идентификационное опознавание с инкрементом в половину длины волны, в то время как чувствительная часть выполнена, как структура 125 на фиг. 13. Для получения опорной фазы используется следящий за ширпом, интегрирующий фазу кода фазовый детектор (Costas loop). По сравнению с этой опорной фазой кодирование может распознаваться как происходящее в кодовом такте быстрое изменение фазы. Чувствительная величина, как и при импульсном опросе датчика согласно фиг. 13, вызывает двухступенчатую модуляцию амплитуды импульсного ответа. Две ступени соответствуют опорной фазе, смещенной на 0 или, соответственно, на половину длины волны. Таким образом, эта измерительная величина датчика может получаться путем считывания chirp-импульса или во время кодового такта 1 или во время кодового такта 0.

Еще одна форма дальнейшего развития изобретения может быть выполнена с устройством на поверхностных акустических волнах с down-chirp-структурами в соответствии с фиг. 13 и 14.

Для лежащего в основе этой формы дальнейшего развития указания к техническому действию, однако, применимыми являются только dowb-chirp-структуры, а именно такие, которые, как видно из фиг. 11, имеют чувствительность, соответствующую прямой B с проходом через нуль.

Для устройства согласно фиг.13 или 14 может быть указан такой дизайн для имеющих ширп структур 124 и 126, чтобы интенсивность ширпа B/T для каждой из двух структур являлась точно значением перехода через нуль прямой B фиг. 11. Другими словами это значит, что стоящий в скобках уравнения 3 множитель второго члена уравнения (3) делается равным нулю, то есть
B/T t_down/f₀ (5)
Так как для down-chirp-структуры оба выражения в скобках имеют противоположный знак, это выражение в скобках действительно может быть сделано равным нулю для задаваемой B/T. Таким образом из уравнения 3 выпадает зависимость от измерительной величины, которая там указана, как температура θ
По сравнению с вышеуказанным общим указанием к фиг. 13 и 14, которое основано на компенсации двух противоположно направленных температурных зависимостей, в основе этого дальнейшего развития изобретения лежит принципиально не зависящее от температуры за счет выбора интенсивности ширпа устройство на поверхностных акустических волнах. Это устройство также не только является не зависящим от температуры, но также и инвариантно относительно других изменяющих время прохождения внешних воздействий. Таким образом, также это устройство на поверхностных акустических волнах является применимым в качестве датчика (не зависящего от температуры), если предусмотреть еще одну дополнительную меру, чтобы достигнуть чувствительности к измерительному значению. Например, как уже описано относительно фиг. 13 и 14, для измерения газов может быть предусмотрена одна из обеих структур 124, 126 с покрытием, которое делает эту структуру чувствительной для соответствующего газа таким образом, что такой воздействующий газ оказывает влияние на время прохождения поверхностных акустических волн в такой одной структуре. С такой формой выполнения можно (разумеется, в известных пределах) производить детектирование и измерение концентрации газа независимо от температуры и также независимо от других оказывающих влияние на скорость поверхностных акустических волн внешних воздействие (исключая газ).

Опрос может производиться согласованным up-chirp-сигналом передачи, так что в качестве ответного сигнала должен получаться сжатый импульс. Если опрашивают импульсом или не согласованным chirp-сигналом, например down-chirp-сигналом, то получают более длинный сигнал, от которого оценивают, например, огибающую (как выше).

Реферат

Пассивный датчик поверхностных акустических волн для определения измерительных значений, при котором измерительное значение от удаленного места передают по радио к блоку запросчика 1, который передает чувствительному элементу 5, 15 в качестве опросного импульса энергию по радио. Соответствующий изобретению датчик на поверхностных акустических волнах является пригодным для бесконтактной регистрации измерительных значений, причем устройство на поверхностных акустических волнах является чувствительным элементом и предусмотрен опорный элемент на поверхностных акустических волнах для фазовой дискриминации и/или измерения времени прохождения. В качестве дальнейшего развития указан приводимый в действие передаваемыми имеющими ширп сигналами датчик с имеющими ширп отражателями, при котором заменяющая опорный элемент опорная функция имеется в устройстве. Выполнение датчика с имеющей ширп функцией имеет свойство имманентно температурнокомпенсированного датчика для измерения других физических или других величин. 36 з.п.ф-лы, 16 ил.

Формула