Page 124 - 《应用声学》2022年第1期

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0 引言 1 快速检测方法原理

随着声表面波 (Surface acoustic wave, SAW) 针对单端口 SAW 谐振器，根据其工作原理可
传感技术的不断发展，谐振型 SAW 传感器由于无 以采用散射矩阵中回波损耗作为检测量来进行谐
线无源、高 Q 值、抗干扰能力强、响应速度快等特 振频率估计 [5] ，通过分析回波损耗频响曲线来确定
点得以广泛应用 [1] 。在电机转子、动车传动轴等旋 传感器对应谐振器的谐振频率值。
转的密闭复杂环境中，需要对应变、扭矩等参量实 利用等幅线性扫频信号源对 SAW 谐振器进行
时快速检测，监测机械传动轴的运行状态。特别是 快速扫频测量，当扫频信号中的频率与 SAW 谐振
在转速 5000 r/min 左右的高速旋转环境下，需要微 器的谐振频率相等时，谐振器发生谐振，此时 SAW
秒级的检测速度，因此需要研究一种适用于高速旋 谐振器内部吸收激励信号的能量达到最大值，反射
转环境下 SAW 谐振频器谐振频率微秒级快速检测 回来的能量最小，即回波损耗最小。回波损耗测量
方法。 原理示意图如图1所示。
针对谐振式 SAW 传感器谐振频率检测，文 回波损耗通过功率检波将回波功率转换为电
献 [2] 采用功率检波器检测回波信号功率，先大步 压输出回波曲线，如图 2(a) 所示，通过查找回波曲
进扫频定位再小步进扫频进行频率估计，一次查询 线最小值检测谐振频率。传统信号处理方法 [6] 常
周期需要约 10 ms，频率估计偏差 7 kHz。文献 [3] 对回波信号进行下变频处理后经 AD 采样查找频响
利用线性调频信号对 SAW 谐振器进行连续扫频激 曲线最值求得谐振频率，增加了信号处理时间。本

励，使用自动频率控制 (Automatic frequency con- 文结合比较器与定时器在线性扫频激励的过程中
trol, AFC) 环路跟踪检测反射信号变化，环路跟 实现谐振频率快速检测。将回波损耗实时与比较器
踪时间常数最快为 0.57 ms，频率偏差 20 kHz。文 比较电压 V ref 进行比较，大于 V ref 输出逻辑低电平
献 [4] 采用并行 SAW 信号采集与处理电路，对谐振 0 V，小于V ref 输出逻辑高电平3 V，如图2(b)所示。
式 SAW 传感器实现最快达 16 kHz 的测量更新率， 在理想情况下，回波损耗曲线关于谐振频率点
一次问询周期 62.5 µs。文献 [5] 针对单端口微波器 左右对称，通过定时器记录逻辑脉冲电平跳变沿对
件，通过微波传输/反射测量方法实现对谐振腔型 应的频率f 1 与f 2 ，则SAW谐振器谐振频率f 0 为
SiALCN 温度传感器回波损耗的检测。为了进一步
f 0 = (f 2 + f 1 )/2. (1)
加快 SAW 谐振器谐振频率的检测速度，本文基于
单端口微波器件的回波损耗检测原理，在对 SAW 该谐振式 SAW 传感信号快速检测方法，在扫
谐振器进行线性信号激励的过程中，使用功率检 频的同时实现谐振频率的测量，节省了大量信号
波与比较器将回波信号直接转换为数字脉冲信号， 处理时间。此方法的频率分辨率受 SAW 谐振器本
结合计时器实时记录脉冲中心频率即谐振频率， 身品质因数的限制，品质因数越高，回波曲线越尖
实现一种 SAW 谐振器谐振频率的微秒级快速检测 锐，频率分辨率越高，所以在实际应用中，该方法对
方法。 SAW谐振器本身品质因数要求较高。

ੳᮠηՂ ڀฉ૯ᏲηՂ
10 SAWៈ૝٨ 10
8 Ԣૉ૱ᑟ٨ ԍႃ۳ྟ 8
Ҫဋ/dBm 6 4 ༏ҵ Ԧ࠱ Ҫဋ/dBm 6 4

2 2
Ԧ࠱ಕ Ԧ࠱ಕ
0 0
432.0 432.2 432.4 432.6 432.8 433.0 432.0 432.2 432.4 432.6 432.8 433.0
仁⦷/MHz ᮠဋ/MHz
图 1 回波损耗测量原理示意图
Fig. 1 Schematic diagram of return loss measurement principle