【摘要】传感器无源化使得高温、低温等电子线路无法正常工作的极端环境条件下的参数测量成为可能，而无线测量方式对于运动物体的参数测量极为适合。本文介绍了基于相位延迟时间测试的查询式无线无源声表面波传感器，在此基础上，提出了基于声表面波谐振器的无线无源传感器，并设计实验对这一传感原理进行了验证。
关键词：无线测量，声表面波，频率，温度
随着电子技术的成熟，传感器技术得到了迅速发展。在许多应用场合，传感器与测试系统之间难以实现有线连接，例如测量旋转轴的扭矩，行驶中车轮的压力等，在另外一些高温高压或极低温度应用场合，电子线路无法正常工作。为了解决这些问题，人们开始研究各种无源无线传感器。近20年来，声表面波（saw）传感器技术得到了很大发展，通常声表面波传感器以saw谐振器或延迟线为核心敏感元件，具有灵敏度高、准数字输出、制作工艺简单、便于批量生产等优点。到目前为止，人们已经研制了力、温度、压力、气体及其他各种传感器［1～3］。由于声表面波本身的高频特性，声表面波传感器非常适合于无源化并进行遥测［4～6］。本文首先介绍了基于相位延迟时间测试的查询式无线无源声表面波传感器，在此基础上，提出了基于声表面波谐振器的无线无源传感器，并设计实验对这一传感原理进行了验证。
1 原理及结构
1.1 时延式声表面波遥测原理
几年以前，人们开始研究利用声表面波无源器件进行遥测。无源传感器主要由压电基片、叉指换能器(idt)、反射栅组成，见图1。由于压电效应idt上的电信号会在基片表面上激发出saw并向右传播，经过一段时延后到达反射栅位置，有部分能量被反射回idt，从idt发出信号到接收到回波信号的延迟时间与应力、温度、表面介质等引起的saw传播路径上介质特性的变化有关。
图1 时延式声表面波传感器主要部分结构
遥测系统类似于一个小型雷达系统，它向传感器发射脉冲，经过一段时间后接收回波信号。经过处理后得到回波信号延迟时间。发射信号与回波信号的关系见图2。
图2 时延式遥测发射脉冲与返回脉冲时序
时间延迟式遥测原理有几个缺点。首先，它将被测量转化为信号的延迟时间，而延迟时间为模拟量测量，与频率量相比，其测量不方便，且精度也不高；另外遥测系统与无源传感器之间的距离对信号的延迟时间也有很大影响。本文主要研究另一种遥测原理——频率变化式遥测原理。
1.2 变频式声表面波遥测原理
无源传感器为单端对谐振器，主要由压电基片、叉指换能器(idt)、反射栅组成，见图3。反射栅由周期性分布的金属指条组成，两组反射栅构成声学上的法布里谐振腔，当saw的频率等于该谐振腔的中心频率时，反射栅反射的能量最大，saw在该谐振腔内多次反射形成驻波。基片应力、温度、表面介质变化时，谐振器的中心频率会随之变化，所以单端对谐振器可以用来测量许多参数，制作各种传感器。
图3 无源遥测谐振器
用单端对谐振器进行无源遥测的原理见图4。遥测系统向传感器发送宽带脉冲信号，谐振器的idt接收到该脉冲后在谐振腔内激励出saw驻波，其频率等于传感器的中心频率，当激励信号停止发送，遥测系统转到接收状态后，系统接收到传感器发出的幅值不断衰减的自由振荡信号。通过频率计测量该接收信号的频率即可表示出被测量的大小。
图4 变频式声表面波遥测原理图
2 系统实现
变频式声表面波遥测系统框图见图5。无源传感器选用st切型石英基片，x向传播，中心频率440 mhz，品质因数q值为104的声表面波单端对谐振器。
图5 振荡电路框图
2.1 440 mhz振荡器及功放电路
在遥测系统中，440 mhz振荡器（本振）是一个核心部件。它作为激励传感器的发射信号和检测回波信号时延的基准而在系统中起着重要作用。这就要求振荡器具有较高的频率稳定度。另一方面，传感器及其系统其他各部分均按440 mhz中心频率设计，因此，要求振荡器的中心频率也要严格接近440 mhz，否则，会造成很大的能量损耗而测不到回波信号。
通常，石英晶体体波振荡器具有很高的频率稳定度，但它一般用于中低频段，很难满足高频的要求。故此，本文选择saw谐振器作为频控元件。为获得较低的温度系数和与传感器较好的一致性，谐振器的基片切型与传感器的敏感元件一样，均为st-x切型。
为了获得较高的频率稳定度，主振电路采用了低噪声宽频带放大器，第二级采用射极跟随的形式以起到较好的隔离作用。为彻底消除振荡电路输出端负载变化对频率的牵引，在输出级加上了隔离器，其主要结构见图5。经实际测试，该电路的频率稳定度达到了10-9(门限1 s)。
2.2 射频接收机
尽管发射机功率达到2 w，但回波的功率也只有1 μw左右，因此，接收机应具有较高的接收灵敏度，也就是说，要具有较高的信噪比。此外，
