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用SAW元件分离输入输出从反射率推断传感器状态变化

归档日期:06-18       文本归类:反射率      文章编辑:爱尚语录

  日本静冈大学创造科学技术研究生院光纳米物质机能专业的近藤淳教授领导的研发小组开发出了以无线方式检测无供电传感器电阻变化的技术。由于传感器节点不需要电源,因此适用于结构物监测及农地的环境监测等用途。

  近藤等人的研究小组开发的技术使用可激励表面声波(SAW)的梳状电极(IDT)和可反射发出的SAW的电极(反射器),在IDT上连接了天线,在反射器上连接了传感器。

  当由IDT结构决定频率的交流信号从天线输入时,在IDT的逆压电效应下,就会激励产生SAW。SAW到达反射器后发生反射,返回到IDT时的波形由天线输出。

  在反射器上连接传感器时,当传感器的电阻随着测量值的变化而变化时,SAW的反射率也会随之变化。利用这一特性,就可以根据天线输出的信号的振幅变化来推断传感器的电阻变化。

  近藤说:“特意激励SAW并使其发生反射也许看起来是多余的。但采用这种结构的最大目的是用时间轴将输入和输出分离出来。目的是从输入信号到输出信号之间发生时间迟延”。

  另外,还可以利用当反射器的结构发生变化时、反射波的波形会随之发生变化这一特性。因此,如果在一个器件上配置形状各异的多个反射器,并分别连接不同的传感器,就可以推断多个传感器的电阻变化。

  能根据温度、湿度、亮度及压力等物理量变化来推断电阻变化的传感器有很多。但不加选择地可使用普通传感器的方法,似可应用于各种不同领域。

  研究小组实施了以无供电且无线的结构来测量传感器电阻变化的实验。实验使用IDT与反射器的距离为10mm、中心频率为50MHz的SAW器件。研究小组在反射器上连接湿度传感器,并在IDT上连接无指向性鞭状天线来构成传感器节点,向其发射50MHz波段的电波。

  实验中,经过SAW的激励和反射,接收传感器节点通过天线发射出来的电波,然后分析该信号的强度与实际湿度之间的关系。实验证实,信号强度与实际湿度之间存在相关系数高达0.998的关联性,因此能够实现传感器的无供电化和无线化。

  据近藤介绍,无线化带来的损失在允许范围内。从约10m远处使用50MHz波段的电波进行测量时,“与有线dB左右的损失”。

  近藤指出,“现在正在试制能以430MHz的特定小功率无线电波激励的SAW器件”。已有传感器厂商对这项研究表现出了浓厚的兴趣,这将加快该技术的实用化研发。

  在无供电无线环境下测量湿度的实验结果。当湿度变化时,反射波的强度变化(左),强度与实际湿度之间有很大关系(右)。(图:静冈大学)

  近藤等人还对连接了可变电阻型传感器的SAW器件建立了动态模型。利用“耦合模理论”,建立了反射率随传感器电阻的变化而变化的模型,并在该模型中输入根据IDT和反射器的形状确定的常数实施了模拟。模拟得到的反射波的时间响应和振幅与实验结果完全一致。该模型还适用于形成了结构各异的多个反射器的器件。

  长期使用的传感器节点可能会老化。近藤介绍说,为防止这种情况,“正在研究将两个反射器对称配置,以掌握连接传感器的反射器发出的反射波与未连接传感器的反射器发出的反射波的强度之比”。如果采用这种结构,即使SAW器件的特性发生变化,也能够抵消其影响。(日经技术在线!供稿)

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