基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统及测试方法

摘要

本发明公开了一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统及测试方法，属于新型传感器领域。本发明的系统结构包括信号源模块、乐甫波传感器、信号转换模块、信号采集模块、微控制器模块、显示模块。本发明的测试方法基于乐甫波传感器谐振频率偏移与被测对象之间的对应关系，信号源在一定频率范围内以一定频率间隔扫频输出激励信号，通过测量扫频范围内每一频率点的传感器输入激励信号与输出响应信号幅值比来获得乐甫波传感器的幅频特性曲线并得到谐振频率及偏移，进而确定被测对象的特征参数。本发明可实现网络分析仪的扫频功能，使乐甫波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种乐甫波传感器，尤其涉及一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统及其测试方法，属于新型传感器领域。

背景技术

谐振是系统的一种特性，在谐振频率点上，系统以最低的损耗维持输入能量，系统响应得到显著增强。谐振式传感器基于被测物理、化学参量对谐振器的谐振特性参数进行调制，通过测量谐振器的谐振参数变化来实现对被测对象的检测。

声波传感器是一种新型谐振式传感器。声波传感器以压电材料作为敏感器件，利用压电效应，通过换能器在压电基片上激发出弹性波，主要根据声波的谐振频率随被测对象变化来实现检测功能。通常来说，声波传感器可分为声表面波传感器、兰姆波传感器、乐甫波传感器三种类型。其中，乐甫波传感器最适于液相检测，同时也适合气体检测。

迄今为止，乐甫波传感器的实用化程度还不是很高，大部分的研究尚处于实验室阶段，主要的测量仪器为网络分析仪。如果设计出的传感器测试系统能够实现网络分析仪的扫频功能，可使乐甫波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统及其测试方法，实现网络分析仪的扫频功能，使乐甫波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统，包括信号源模块、乐甫波传感器、信号转换模块、信号采集模块、微控制器模块、显示模块；其中：信号源模块的输出端分别连接乐甫波传感器的输入端和信号转换模块的第一输入端，乐甫波传感器的输出端连接信号转换模块的第二输入端，信号转换模块的输出端连接信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端连接微控制器模块的输入端，微控制器模块的输出端连接信号源模块的输入端和显示模块的输入端。

进一步的，本发明的基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统，所述乐甫波传感器包括压电基片、输入叉指换能器、输出叉指换能器、非压电薄膜，其中输入叉指换能器和输出叉指换能器沉积在压电基片表面上，分左右两侧对称排布，非压电薄膜溅射或旋涂在压电基片表面并且覆盖输入叉指换能器和输出叉指换能器。

进一步的，本发明的基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统，所述信号源模块采用美国ADI公司的AD9912芯片。

进一步的，本发明的基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统，所述信号转换模块采用美国ADI公司的AD8302芯片。

进一步的，本发明的基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统，所述信号采集模块采用微处理器内部集成的A/D转换电路实现。

进一步的，本发明的基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统，所述微控制器模块采用基于ARM内核的STM32。

本发明还提供一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统的测试方法，包括如下步骤：

步骤A，当乐甫波传感器处于参考状态，即不负载被测对象时，采用微控制器模块控制信号源以一定频率间隔扫频输出激励信号；其中，扫频范围以乐甫波传感器的理论谐振频率为中心，所述频率的上下限以乐甫波传感器的参数及被测对象来确定；

步骤B，将步骤A所述的激励信号传输至乐甫波传感器后输出响应信号； 

步骤C，将步骤A所述激励信号与步骤B所述响应信号的幅值比转换为模拟电压信号，然后通过A/D转换将模拟电压信号转换为数字信号，再送入微控制器模块；

步骤D， 重复步骤B至步骤C，直至获得关于扫频范围内所有频率点的乐甫波传感器输入激励信号与输出响应信号的幅值比的数字信号，然后采用微控制器模块对所述数字信号进行处理，获得乐甫波传感器的幅频特性曲线，并得到乐甫波传感器处于参考状态时的谐振频率；

步骤E，当乐甫波传感器处于测量状态，即负载被测对象时，重复步骤A至步骤D，得到乐甫波传感器处于测量状态时的谐振频率，并与参考状态时的谐振频率相比较获得谐振频率的偏移；

步骤F，通过步骤E得到的谐振频率偏移获得被测对象的相应特征参数，通过显示模块显示出被测对象的特征参数以提供给用户。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 与声表面波传感器和兰姆波传感器相比，乐甫波传感器最适于液相检测，同时也适合气体检测。

2. 本发明能够实现网络分析仪的扫频功能，从而使乐甫波传感器突破实验室使用局限，实现工业在线应用。

附图说明

图1是本发明的结构模块框图。

图2是本发明的乐甫波传感器结构示意图。

图3是本发明的测试电路模块框图。

上述图中的标号名称：1-压电基片，2-输入叉指换能器，3-输出叉指换能器，4-非压电薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统。其结构包括信号源模块、乐甫波传感器、信号转换模块、信号采集模块、微控制器模块、显示模块。其中：信号源模块的输出端连接传感器模块的输入端和信号转换模块的第一输入端，传感器模块的输出端连接信号转换模块的第二输入端，信号转换模块的输出端连接信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端连接微控制器模块的输入端，微控制器模块的输出端连接信号源模块的输入端和显示模块的输入端。

乐甫波传感器的制作工艺分为基片制作、叉指图形制作、叉指复制和薄膜旋涂四个部分，制作完成后对其进行封装。乐甫波传感器实物比壹圆硬币还要小，属于微传感器范畴，适于微量液体及气体检测。

如图2所示, 乐甫波传感器结构示意图。包括压电基片1、输入叉指换能器2、输出叉指换能器3、非压电薄膜4。其中压电基片1所用材料为36°YX钽酸锂；输入叉指换能器2和输出叉指换能器3沉积在压电基片表面上，所用材料为铜，叉指对数为75对，叉指周期为11.06μm，叉指宽度为2.875μm，叉指间距为2.875μm，叉指厚度为0.2μm，孔径为1750μm，两叉指之间的中心距为6160μm；非压电薄膜4旋涂在压电基片1表面并且覆盖输入叉指换能器和输出叉指换能器，所用材料为SU-8光刻胶，厚度为0.28μm。x₁方向为乐甫波传播方向、x₂方向为水平剪切方向，x₃方向为基片法线方向。

如图3所示, 一种基于扫频技术的乐甫波传感器测试电路模块框图。信号源模块通过DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字合成器)电路实现，采用美国ADI公司的AD9912芯片，该芯片能产生高达400MHZ的正弦波信号，响应速度快，频率分辨率高；信号转换模块把传感器输入激励信号与输出响应信号幅值比转换为模拟电压信号，采用美国ADI公司的AD8302芯片；信号采集模块采用微处理器内部集成的A/D转换电路实现；微控制器模块采用基于ARM内核的STM32。

基于扫频技术的乐甫波传感器测试方法包括如下步骤：

1) 当乐甫波传感器处于参考状态，即不负载被测对象时，DDS电路在STM32的控制下以一定频率间隔扫频输出激励信号，扫频范围以乐甫波器件的理论谐振频率为中心，频率上下限视传感器参数及被测对象而定；

2) DDS电路的输出分两路，一路用于激励输入叉指换能器，另一路接入AD8302电路的输入通道B；

3) 乐甫波传感器在输入叉指换能器输入激励信号的作用下，输出叉指换能器输出响应信号，接入AD8302电路的输入通道A；

4) AD8302电路把输入通道A和B的幅值比转换为模拟电压信号，经输出端送入A/D转换电路；

5) A/D转换电路把模拟电压信号转换为数字信号，送入STM32；

6) 在一次完整扫频中，STM32对A/D转换电路送来的数字信号进行处理，获得乐甫波传感器的幅频特性曲线并得到参考状态时的谐振频率；

7）当乐甫波传感器处于测量状态，即负载被测对象时，重复步骤1至步骤6，得到乐甫波传感器处于测量状态时的谐振频率，并与参考状态时的谐振频率相比较获得谐振频率的偏移；

8）该谐振频率偏移与被测对象的特征参数有对应关系，通过显示模块显示出被测对象的特征参数以提供给用户。