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. Достигаемый технический результат заключается в разделении сигналов от нескольких датчиков температуры в частотной и временной области, в случае, если при одновременном опросе множества пассивных датчиков считывающим устройством, ответные сигналы датчиков наложились друг на друга во времени, что тем самым решает проблему коллизии в мультисенсорных системах мониторинга. Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием, отличающийся тем, что содержит топологию, содержащую отражающие структуры, коэффициент отражения которых определен соответствующей частотой ƒk, а изменение положения рефлекторов в случае изменения температуры окружающей среды влечет изменения фазы последних трех импульсов ответного сигнала, что делает возможным разделение, идентификацию по двум информационным признакам - времени и частоте, а также измерение температуры множества пассивных датчиков температуры в зоне чтения считывателя, тем самым решив коллизию, возникшую между пассивными датчиками температуры на поверхностных акустических волнах.

 

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 ƒk, 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, wk - частота k-го импульса, ϕk - фаза k-го импульса, N - количество импульсов за период длительности опросного сигнала, ƒc - несущая частота последнего импульса в составе опросного сигнала, ϕ0 - начальная фаза частоты ƒc 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 ƒc, 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), Ak - амплитуда отраженного k-го импульса ОЧКС, wk - частота k-го импульса ОЧКС, ϕk - 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 wk до wk=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 Ai - коэффициент затухания амплитуды за счет потерь при распространении акустических волн, τc и τri - задержка распространения электромагнитной волны и акустической волны в свободном пространстве соответственно, θri - фазовый сдвиг центральной частоты, связанный характеристиками отражения от i-го рефлектора, ƒc - несущая частота, ϕ0 - начальная фаза несущей частоты, h(t) - огибающая функция.

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

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

где Δφij - разница фаз, определяемая как: 2πƒсji), TCD - температурный коэффициент задержки, φij - разность фазовых задержек между отраженными от i-го и j-го рефлектора импульсов, соответсвующих i-у и j-у рефлектору, φij,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.

Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием, содержащий на поверхности пьезоэлектрической подложки широкополосный входной преобразователь с антенной и последовательно расположенные отражательные структуры, содержащие множество взвешенных отражателей, отличающийся тем, что на пьезоэлектрической подложке последовательно расположены антенна, соединенная с однонаправленным широкополосным встречно-штыревым преобразователем, четыре временные слота, в каждом из которых располагается только по одной ортогонально частотно-кодированной отражающей структуре, которая может находиться в одном из n возможных положений в слоте, при этом слоты расположены на расстоянии R между собой, а каждая отражающая структура имеет коэффициент отражения для акустической волны, зависящий от частоты , который равен единице для акустических импульсов с несущей частотой, совпадающей с частотой , при этом для импульсов, имеющих отличные от несущие частоты, коэффициент отражения близок к нулю, три последовательных рефлектора, расстояние между которыми определяет задержку отраженных акустических импульсов в зависимости от температуры окружающей среды.



 

Похожие патенты:

Использование: для получения МЭ композиционных материалов с внутренним постоянным магнитным полем. Сущность изобретения заключается в том, что магнитоэлектрический композиционный материал для датчика магнитного поля содержит магнитострикционную и пьезоэлектрическую из керамики цирконат-титаната свинца PbZr0,53Ti0,47O3 компоненты, где магнитострикционная компонента содержит внутреннее постоянное магнитное поле смещения, магнитострикционный слой сформирован из распределенных в эпоксидном компаунде гранул терфенола Tb0,12Dy0,2Fe0,68, а внутреннее постоянное магнитное поле смещения создается разделением магнитострикционного слоя на две области с различной концентрацией гранул Tb0,12Dy0,2Fe0,68.

Использование: для генерирования дополнительной электроэнергии при использовании на борту транспортного средства. Сущность изобретения заключается в том, что множество установленных на гибкой базовой структуре пьезоэлементов, выполненных в профилированном трехмерном пакетном виде, состоящих из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, соединены друг с другом при наличии их общего вывода.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в цепях переменного тока для преобразования тока в напряжение с удвоением частоты выходного сигнала.

Изобретение относится к пьезоактюаторам изгибного типа и предназначено для использования в электронике, управляемой оптике, микромеханике, медицине, машиностроении.

Предложен узел дверной ручки. Он содержит внутреннюю рукоятку с фланцем, соединенную полым штоком с наружной рукояткой, фиксатор, размещенный на внутренней рукоятке и соединенный посредством приводного стержня, проходящего внутри полого штока, с защелкой и первым концевым включателем, и первый источник света, размещенный на наружной рукоятке.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для идентификации подвижных и неподвижных объектов. Достигаемый технический результат заключается в разделении сигналов от нескольких меток в частотной области в случае, если во временной области при считывании приемо-передающей антенной считывающего устройства ответные импульсы сигналов от нескольких меток совпали, что тем самым решает проблему коллизии.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного контроля температуры. Заявлен датчик температуры на поверхностных акустических волнах, содержащий герметичный корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) порядка 10-4 1/градус.

Изобретение может быть использовано в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах. Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров заключается в использовании полимеров в виде волокон (1), которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к пьезоэлектрическому генератору достаточной мощности в виде прозрачной полимерной пьезопленки, которая может быть встроена в экран мобильного устройства и подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства при касании экрана.

Использование: для неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния конструкционного материала. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой пьезопреобразователь содержит корпус с нанесенным на его внутреннюю поверхность демпфирующим слоем и расположенную в корпусе призму, демпфер, соединенный с корпусом, и соединенный с демпфером пьезоэлемент, установленный на призме, при этом в основании призмы дополнительно установлены плоскопараллельные прямоугольные металлические пластины с прокладками между ними, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду, а размеры плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин выбирают исходя из определенных условий.

Изобретение относится к устройствам для создания механических колебаний и может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту в установках ультразвуковой сварки и мойки, эхолокации, а также в шаговых пьезоэлектрических двигателях. Устройство содержит жесткие втулки (1), (2), по меньшей мере один осевой пьезопакет (3), причем воображаемая ось (6) пьезопакета (3) совпадает с направлением механических колебаний. Пьезопакет (3) ограничен жесткими втулками (1), (2), при этом начальная жесткая втулка (1) и конечная жесткая втулка (2) соединены средством (7), обеспечивающим их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси (6) пьезопакета (3). В жестких втулках (1), (2) и в пьезопакете (3) выполнен общий внутренний канал (8). Также в жестких втулках (1), (2) выполнены по меньшей мере два соединительных прохода (9), (10), сообщающие внутренний канал (8) с наружным пространством. В каждом соединительном проходе (9), (10) жестких втулок содержится один клапан. При этом по меньшей мере один клапан является впускным клапаном (11), по меньшей мере один клапан является выпускным клапаном (12). Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в упрощении конструкции устройства. Положительный эффект, достигаемый при реализации изобретения, заключается в уменьшении массы и объема устройства. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения температуры в мультисенсорных системах мониторинга. Достигаемый технический результат заключается в разделении сигналов от нескольких датчиков температуры в частотной и временной области, в случае, если при одновременном опросе множества пассивных датчиков считывающим устройством, ответные сигналы датчиков наложились друг на друга во времени, что тем самым решает проблему коллизии в мультисенсорных системах мониторинга. Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием, отличающийся тем, что содержит топологию, содержащую отражающие структуры, коэффициент отражения которых определен соответствующей частотой ƒk, а изменение положения рефлекторов в случае изменения температуры окружающей среды влечет изменения фазы последних трех импульсов ответного сигнала, что делает возможным разделение, идентификацию по двум информационным признакам - времени и частоте, а также измерение температуры множества пассивных датчиков температуры в зоне чтения считывателя, тем самым решив коллизию, возникшую между пассивными датчиками температуры на поверхностных акустических волнах.

Наверх