多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取方法

李　鍇， 張海濤， 劉瑋峰

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取方法

李鍇， 張海濤， 劉瑋峰

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要:討論了多正交頻率編碼聲表面波(OFC-SAW)傳感器敏感信息同時提取的方法，設(shè)計了多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取系統(tǒng)。通過相同中心頻率疊加信號片測量值與每個反射OFC信號的關(guān)系方程組計算每個OFC反射信號的幅度和延時，通過反射信號的延時差提取敏感信息。經(jīng)過仿真分析驗證了該方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：傳感器； 聲表面波； 正交頻率編碼

0引言

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、無線被動工作、可工作在多種惡劣環(huán)境中等優(yōu)點，是目前傳感領(lǐng)域的研究熱點[1～3]。SAW傳感器系統(tǒng)由有源的閱讀器和無源無線傳感器組成，工作時有源閱讀器發(fā)射射頻詢問信號，傳感器通過換能器將接收到的無線信號轉(zhuǎn)換為SAW并在基片上傳輸，此時外界被測敏感信息會影響SAW參數(shù)的變化，換能器將變化后的SAW信號又轉(zhuǎn)換為電磁信號反射回閱讀器，閱讀器根據(jù)接收到的反射信號參數(shù)提取敏感信息。在許多實際應(yīng)用中，一個閱讀器詢問范圍內(nèi)可能同時存在多個傳感器。為同時提取多個傳感器信息，SAW傳感器不僅需要能夠測量敏感信息，還需要包含可識別編碼信息。然而，由于SAW傳感器被動工作的特點，在多傳感器環(huán)境中閱讀器最終接收到的是所有SAW傳感器的異步反射疊加信號，這使閱讀器對每個傳感器信息的提取非常困難[4,5]。

SAW傳感器編碼容量和射頻識別方法是閱讀器同時讀取傳感器數(shù)量的關(guān)鍵。佛羅里達(dá)大學(xué)Maloch D C等人2004年提出正交頻率編碼(orthogonal frequency code，OFC)方法，該方法利用時間和頻率的多樣性，相對于時分復(fù)用、頻分復(fù)用、碼分多址等其他的SAW傳感器編碼方式，提供了更多樣性的編碼信號，且在噪聲環(huán)境中有更好的信號處理增益[6,7]。因多SAW傳感器反射信號的異步特性造成的傳感器信息提取困難，OFC-SAW傳感器仍采用時分復(fù)用進(jìn)行多傳感器信息的同時提取，信號在傳感器基片上的衰減限制了系統(tǒng)能夠同時讀取傳感器的數(shù)量[4,5]。

為了對異步疊加OFC-SAW傳感器反射信號同時提取，文獻(xiàn)[8]對OFC信號進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，針對新設(shè)計信號提出了OFC-SAW傳感器異步讀取方法，從理論上解決了多SAW傳感器編碼同時識別的問題。本文在此基礎(chǔ)上討論了多OFC-SAW傳感器敏感信息的同時提取方法，設(shè)計出了多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取系統(tǒng)，并通過計算機(jī)仿真驗證了系統(tǒng)的可行性。

1多OFC-SAW標(biāo)簽同時讀取方法

OFC是一種利用多個時間固定長度、彼此正交的信號片進(jìn)行編碼的擴(kuò)譜技術(shù)，正交條件參見文獻(xiàn)[6, 7]。為對多OFC-SAW傳感器的進(jìn)行異步讀取，文獻(xiàn)[8]對OFC信號進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。OFC-SAW標(biāo)簽和新設(shè)計的OFC信號如圖1所示。本文中提到的OFC信號均為改造后的信號。閱讀器接收到的單個理想OFC信號時域數(shù)學(xué)模型為

τpk).

(1)

cos 2πfchipmk(t-τp0k-τOFCm),

(2)

式中Nt為閱讀器范圍內(nèi)SAW標(biāo)簽的數(shù)量；amk為第m個標(biāo)簽反射信號第k個碼片到達(dá)閱讀器的幅度；τOFC m為第m個標(biāo)簽反射信號到達(dá)閱讀器時的延時；fchipm k為第m個標(biāo)簽反射信號第k個碼片的中心頻率，fchipm k=n·f0。

圖1　OFC-SAW標(biāo)簽與OFC信號示意圖Fig 1　Diagram of OFC-SAW labels and OFC signals

閱讀器對接收到的異步疊加信號依次用Nc-1個時間窗截取信號段。基本長度時間窗為[τp0k+τM,τp0k+τchip]，k{1,2,…,Nc-1}。每個時間窗內(nèi)相同中心頻率疊加信號的幅度和相位為

=αkncosnω0τOFCFkn,

(3)

=αknsinnω0τOFCFkn,

(4)

ykn=αkncosnω0τOFCF kn-j·αknsinnω0τOFCFkn.

(5)

其中，ω0=2πf0，αkn,τOFCF kn分別為第k個碼片位置中心頻率等于n·f0的碼片信號異步疊加后的幅度和假延時(由相同頻率但不同延時的信號疊加引起)，αkn=|ykn|，ykn的相位等于第k個碼片位置中心頻率等于n·f0的碼片信號疊加后的相位。若相同傳感器反射信號不同碼片幅值相等，即a1=a2=…=aNc-1，則每只傳感器幅度延時通過解解方程組(6)求得

BeNc·HNc=YNc.

(6)

式(6)完整形式參考文獻(xiàn)[8]。根據(jù)設(shè)定幅度閾值可判定相應(yīng)編碼的標(biāo)簽是否在閱讀距離范圍內(nèi)，而延時值可用于提取敏感信息。

2多OFC-SAW傳感器敏感信息提取方法

本文采用延遲線型OFC-SAW傳感器，其原理如圖2所示。在換能器的兩側(cè)均有一組反射柵陣列，但兩側(cè)的自由空間大小不同，因此,SAW傳輸?shù)臅r延不同。敏感信息感測區(qū)在時延較大一側(cè)，每側(cè)反射的OFC信號在時間上錯開。每個傳感器感測到的敏感信息通過兩側(cè)反射信號的延時差進(jìn)行提取。

圖2　OFC-SAW傳感器示意圖Fig 2　Diagram of OFC-SAW sensors

設(shè)在一個閱讀器詢問范圍內(nèi)有多OFC-SAW傳感器，所用傳感器反射信號異步疊加達(dá)到閱讀器，但不同傳感器反射柵兩側(cè)的反射信號在時間上仍然錯開，在閱讀器端仍可選擇合適的時間窗對相同中心頻率疊加信號的幅度和相位進(jìn)行測量。參考OFC異步疊加信號(不受敏感信息影響)測量值與每個信號關(guān)系的方程組表示為

Be1·H1=Y1.

(7)

受敏感信息影響的OFC異步疊加信號測量值與每個信號關(guān)系的方程組表示為

Be2·H2=Y2.

(8)

設(shè)SAW在傳感器基片上的傳輸速度為v0，在基片參考側(cè)的傳輸長度為d0，則SAW信號在基片參考側(cè)的時延為

τ1=d0/v0.

(9)

設(shè)SAW在傳感器基片測量側(cè)不受敏感信息影響，與受影響的傳輸長度分別為d1和d2，敏感信息量值為T時SAW傳輸速度為vsen(T)，則SAW信號在基片測量側(cè)的時延為

τ2=d1/v0+d2/vsen(T).

(10)

如果兩側(cè)反射的OFC信號時延差值為Δτ=τ2-τ1，則

(11)

為避免每次測量得到Δτ后還須按照式(11)進(jìn)行復(fù)雜運行，可以將延時差Δτ與敏感信息T的對應(yīng)關(guān)系保存在閱讀器中，測量時根據(jù)Δτ查表得到敏感信息的具體值。多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取系統(tǒng)圖Fig 3　System diagram of simultaneous extraction ofsensitive information for multiple OFC-SAW sensors

3結(jié)果與分析

為驗證本文提出的多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取的可行性，采用Matlab編程對本方法進(jìn)行計算機(jī)仿真驗證。仿真假設(shè)隨機(jī)選擇4只OFC-SAW傳感器對4個不同位置的溫度進(jìn)行測量。其中2個位置為室溫24 ℃，一個位置溫度逐漸升高至100 ℃，另外一個位置溫度逐漸降至0 ℃。每只傳感器測量側(cè)反射的OFC信號延時隨溫度的變化而變化。仿真生成異步疊加信號后，將信號再經(jīng)過如圖3所示的測量系統(tǒng)提取溫度信息。仿真驗證選擇的參數(shù)如表1所示。

仿真生成的4個待測位置溫度變化曲線如圖4所示；一次測量仿真產(chǎn)生的疊加信號和選擇的時間窗如圖5所示；通過多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取系統(tǒng)測量得到的4個位置溫度變化曲線只每個傳感器的編碼如圖6

表1　仿真驗證參數(shù)

所示。可以看出，圖6中感測到的溫度變化曲線與圖4所示的一致。

圖4　仿真生成的4個位置溫度變化曲線Fig 4　Four positions temperature change curve

圖5　4只OFC-SAW傳感器反射的異步疊加信號與測量選擇的時間窗Fig 5　Four OFC-SAW sensor reflected asynchronoussuperimposed signal and time window of measurement selection

圖6　提取到的4個位置溫度變化曲線與傳感器編碼Fig 6　Extracted four positions temperature change curveand encode of sensors

4結(jié)論

本文討論了多OFC-SAW傳感器同提讀取方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了多OFC-SAW傳感器敏感信息同時提取系統(tǒng)，通過相同中心頻率疊加信號片測量值與每個反射OFC信號的關(guān)系分別計算每個OFC-SAW傳感器換能器兩側(cè)反射信號的幅度和延時，通過幅度確定傳感器的編碼，通過2個反射信號的延時差提取敏感信息。通過Matlab對所述的方法進(jìn)行了仿真測試，驗證了本方法具有可行性。

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李鍇(1987-)，男，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)與新能源。

Simultaneous extraction method of sensitive information for multiple OFC-SAW sensors

LI Kai, ZHANG Hai-tao， LIU Wei-feng

(College of Defense Engineering,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007，China)

Abstract:Simultaneous extraction method of sensitive information for multiple orthogonal frequency encode surface acoustic wave(OFC-SAW)sensors is discussed,and a multiple OFC-SAW sensor sensitive information simultaneous extraction system is designed.The amplitude and time delay of each OFC reflection signal is calculated by relationship equation group of same center frequency superposition signal and the OFC signal,sensitive information is extracted by delay difference of reflected signal.Simulation analysis verifies that the method is correct and effective.

Key words:sensor; surface acoustic wave(SAW); orthogonal frequency code(OFC)

作者簡介:

中圖分類號：TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0036—03

收稿日期：2015—11—26

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0036—03