询问谐振设备时减少搜索时间和提高搜索精度的制作方法

专利名称：询问谐振设备时减少搜索时间和提高搜索精度的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种询问如存在于表面声波(SAW)设备中的谐 振器元件的系统和方法。该SAW设备可以与轮胎或车轮组件结合用来 感测如周围环境温度和压力的物理参数。本主题询问技术的特征在于， 与其他已知方法相比减少了搜索时间和提高了搜索精度。
背景技术：
电子设备与轮胎结构的结合带来了许多实际的好处。轮胎电子器 件包括传感器和其他部件，用来中继轮胎确认参数和用来获得有关轮 胎的各种物理参数的信息，如温度、压力、轮胎转数、车速等。这些 性能信息在轮胎监测和警告系统中是有用的，甚至有可能与反馈系统 一起用来调节适当的胎压水平。用于确定与轮胎和车轮组件有关的各种参数的一种特殊类型的传 感器或者条件响应设备，就是声波设备，如表面声波(SAW)设备。 这种SAW设备典型地包括至少一个由沉积于压电衬底上的叉指电极 构成的谐振器元件。当电输入信号被应用于SAW设备，所选的电极使 得该SAW设备成了转换器，在衬底将输入信号转换为机械波。其余的 电极则与转换器的过程相反，产生电输出信号。从SAW设备输出的输 出信号的变化，如输出信号的频率、相位和/或幅度变化，对应着SAW 设备在传播路径中的变化特性。在一些SAW设备的实施例中，监测的谐波频率和另外的一些变化 提供了足够的信息用来确定SAW设备所经受的，如温度、压力和应变 的参数。能够这样运行的SAW设备包括3个独立的谐振器元件。这种 SAW设备的具体例子对应于Transense Technologies, PLC所开发的设 的参数。能够这样运行的SAW设备包括3个独立的谐振器元件。这种 SAW设备的具体例子对应于Transense Technologies, PLC所开发的设 备，其中具体的特点在申请号为Nos.2002/0117005 (Viles等人)和 2004/0020299 (Freakes等人)的美国专利申请中都已公开。两者皆为 了一切目的通过引用的方式结合于此。在轮胎工业中，SAW设备典型地是通过无源器件的形式实施，并 且由远程发送接收机设备对其进行询问，其中该远程发送接收机设备 包括用于发送信号给SAW设备以及用于从SAW设备接收信号的电路。 该远程发送接收机设备，或询问器，从远程位置发送各种频率的激励 信号给SAW设备。SAW设备在激励期间存储部分该发射能量并随后 可以发送处相应的输出信号。询问器的发送信号和接收信号的对比表 明了该SAW设备何时在其谐振频率被激励。在专利号为6,765,493 (Lonsdale等人)的美国专利和申请号为GB 2,381,074 (Kalinin等人) 的英国专利申请中可以找到SAW询问技术的例子，两者皆为了一切目 的通过引用的方式结合于此。由于SAW中每个谐振元件的谐振频率随着给定输入参数而改变， 因此，在SAW谐振元件的精确谐振频率被确定之前，SAW询问器必 须典型地根据一些预先设定的算法发送多个RF询问信号。虽然已经开 发了多种不同的询问系统和对应的搜索算法，但是没有出现一种设计 能够提供减少搜索时间和提高精度等级的实现SAW询问的技术，而这 正是根据本技术下面将要介绍的。发明内容考虑在现有技术遇到的和本主题所述的公认特征，开发了一种询 问谐振设备的改进的特征和步骤。公开了在不同频率发送询问脉冲， 从谐振设备得到辐射的响应水平，以及分析接收到的响应信息用来确 定该设备的谐振频率的示意性方法。根据本公开技术的更特殊方面，可以产生并发送具有不同带宽的 RF询问脉冲用来激励一个或多个SAW谐振器元件。通过开始典型歩 骤为发送并检测对具有相对宽的带宽的询问脉冲的谐振器响应的搜索 算法，可以确定谐振设备的谐振频率的大体位置。然后，在被确定的 谐振的大体位置附近发送具有更小带宽脉冲的询问脉冲以进一步縮小 可能的谐振位置的范围。这种搜索方式提供了比已知的在给定频率范 围内的所有可能位置发送相对窄的带宽的脉冲的询问方法更高的效根据本主题的另一个更特殊方面，应了解搜索频率范围内将要被 发送询问脉冲处的精确的顺序和位置有大量的多样性。在一些实施例 中，等分法被用于在谐振设备运行范围的中心或在期望值处发送一个 或多个初始询问脉冲。如果谐振频率不是位于该初始位置，那么将运 行的范围分成两半(或者其他数目的大体相等的频率范围区)，在每个 新的搜索频率范围区的中心或随机选择的位置发送一个或多个询问脉 冲。分割搜索频率范围的过程一直持续到该谐振频率被定位。本询问谐振设备的系统和方法的不同特征和特点提供了大量的优 点。本公开技术提供了一种无线搜索和询问的方法，与已知方法相比 减少了搜索时间，提高了搜索效率和改进了询问结果。 一种减少搜索 时间的方法与在整个设备的运行范围内以步进间隔的距离发送脉冲相 反，是有选择性地选择在何处发送询问脉冲。 一种改进询问结果的方 法包括提供特征和/或步骤用来提高从谐振设备获得的幅度测量的确定 性。如果所有接收到的测量的相位都归一化的话，能够更加准确地确 保测量的响应值的幅度确定性。在本主题的一个示意性实施例中，确定谐振设备的谐振频率的方 法包括以下步骤将第一指定频率范围分割成至少两个分别的第一搜 索频率范围，通过在选定的至少两个分别的第一搜索频率范围内发送 一个或多个具有第一带宽特征的分别的第一 RP脉冲来激励谐振设备， 监测该谐振设备对一个或多个第一 RF脉冲的响应用来确定该谐振设 备辐射的能量总数是否超过了第一预先设定门限。如果谐振设备对在 选定的至少两个分别的第一搜索频率范围内发送的一个或多个第一RF 脉冲进行响应所辐射的能量总数没有超过了所述第一预先设定门限， 则在对至少两个分别的第一搜索频率范围内的另外的分别的搜索频率 范围，重复分割、激励和监测的步骤直到所述谐振设备作为对一个或多个第一 RF脉冲的响应所辐射的能量总数超过了所述预先设定门限水平。
在一些本主题的更特殊的实施例中，第一指定频率范围对应着谐 振设备运行的范围。至少两个第一搜索频率范围可以对应着第一范围 和第二范围，其范围从设备运行的频率范围中的最低可能频率到或为 该范围的中心频率或为该范围的期望值，第二范围的范围从所选的中 心频率或期望频率到运行的频率范围中的最高频率。在分割指定频率 范围步骤之前，可以在中心频率或期望频率上实施初始的激励谐振设 备和监测响应的步骤。在一些实施例，每个激励步骤可以对应着发送—串连续的第一RF脉冲。此外，每个监测步骤可以对应着得到至少两个最大或最小幅度测量并将这样得到的测量的相位归一化为预先设定 的参考相位。在一些实施例，得到的幅度测量被拟合成具有已知时间 常量的衰减指数曲线。在更特殊的示意性实施例，为了更准确的确认 设备的谐振频率，上述的步骤也可以通过发送具有第二更小带宽的脉 冲进行重复。根据本技术的另一个示意性实施例，确定谐振设备的最优询问频 率的方法包括以下步骤在给定频率范围的多个不同频率下发送一个 或多个具有给定带宽特征的RF脉冲，在多个不同频率的每个频率得到 谐振设备的幅度响应测量，然后通过一次或多次的随后迭代重复分别的发送和得到步骤，其中在每次随后迭代中的RF脉冲其特征在于带宽 小于或等于先前迭代中的脉冲带宽。此外，在每次随后迭代发送的一 个或多个RF脉冲所用的多个不同频率是所述先前迭代的给定频率范 围的选定的子集。上述方法的更加特殊的示意性实施例，发送一个或多个RF脉冲的 第一次迭代所用的给定频率范围对应着谐振设备的运行范围。另外的 示意性实施例可以包括确定是否任何的幅度响应测量超过了预先设定 值，或者确定在每次迭代中多个不同频率中的哪个特殊频率能够得到 最大的幅度响应的步骤。这个特殊的具有最大幅度响应的确认频率可 以部分地用于确认在已列出的搜索步骤的随后的迭代中的新的频率范 围。本公开技术的另一个示意性实施例对应着一种询问谐振设备的方 法，包括以下步骤建立一个或多个搜索频率范围，在选定的一个或 多个搜索频率范围内，以选定的频率发送一个或多个RF脉冲来激励谐
振设备，确定谐振设备在每个分别的选定频率对一个或多个RF脉冲的 响应是否超过了预先设定值。如果该谐振设备的响应没有超过所述预 先设定值，则将一个或多个搜索频率范围分割成至少两个新的搜索频 率范围，重复上述的激励、确定和分割步骤直到所述谐振设备的响应 超过了所述第一预先设定值。本主题的另外目的和优点已经阐明，或者对于本领域的普通技术 人员来说通过此处的详细介绍是很显而易见的。同样，应进一步了解， 在不背离本主题的精神和范围的情况下，可在本发明的各种实施例和 使用中对其具体说明、参照和讨论的特征和步骤进行修改和变更。变 更可以包括，但不限于，对所说明、参考或讨论的内容用等价手段、 特征或步骤进行替换，以及对各个部分、特征、步骤或其他类似部分 进行功能、操作和位置颠倒。另外，应了解，本主题的不同实施例以及不同的目前优选实施例 可包括对目前所述特征、歩骤或元件的不同组合或配置或其等价物(其 中包括没有在图中明确显示或者没有在附图的详细表述中阐述的特 征、部分或歩骤的组合或其配置)。无需在发明内容部分阐述的本主题的另外的实施例，可包含并结 合上面简要阐述的目标中所引用的特征、部件、步骤方面的各种组合， 和/或如本申请中以其他方式讨论的其他的特征、部件或步骤。本领域 的普通技术人员浏览了本说明书的剩余部分后，将更加了解这些实施 例的特征和方面。


针对本领域普通技术人员，在参照附图的本说明书中阐述了本主 题的全面和可实施的公开，包括最佳实施方式，其中图1提供了根据本发明的轮胎监测系统的示意性硬件组件的原理 框图，特别介绍了多个轮胎和对应的谐振器元件与远程发送接收机或 询问器之间的示意性通信；图2提供了根据本发明的远程发送接收机或询问器的示意性硬件 组件的原理框图；图3提供了根据本发明的确定谐振器设备的谐振频率的方法的示 意性处理步骤的流程图；图4a、 4b和4c分别提供了根据图3所概述的方法的一个实施例发送的示意性询问脉冲的图例；图5提供了关于将在不同询问频率处得到的幅度取样拟合成期望 的谐振器输出曲线特性方面的图例；图6A和6B分别提供了示意性的谐振器响应(即，响应信号的幅 度相对于时间)的图例，特别是图解说明了关于响应的相位的可能变 化。整个说明书和附图中重复使用的参考符号用于表述本发明的相同 或者类似的特征或元件。应了解在附图中阐述的各种特征无需按比例 描绘，因此该图中特征之间的相对关系不应限制本公开的技术。
具体实施方式
如发明内容中所介绍的，本主题特别涉及询问谐振设备的改进技 术，尤其是可以用在如表面声波(SAW)传感器的条件响应设备中。 这些SAW传感器可以用在任何期望监测其所受到的应变水平的环境 中。这种环境的特殊的例子是在车辆轮胎和车轮组件中，其物理特性， 如温度和压力可以通过一个或多个传感设备进行监测。本说明书的剩 余部分将介绍关于轮胎/车轮环境的本主题的谐振器询问技术的特点， 但是应了解该技术不限于在这个特殊的应用中使用。参考图1，多个轮胎结构10a和10b可分别结合条件响应设备12a 和12b (通称12)用来监测轮胎或相关车轮组件内的不同物理参数， 如温度和/或压力。对于客运车辆、商用车或结合了多于两个的图1所 示轮胎的其他类型的车辆，应了解可以在选定的或每个现有的轮胎结 构中结合一个或多个条件响应设备12。条件响应设备12可以与多个特 殊的位置相结合，包括但不限于，附着于或嵌入到轮胎结构10a、 10b 或相关的车轮组件，阀杆或可得到轮胎的精确的温度和压力测量的任 何其他位置。条件响应设备12在被结合到相关的轮胎结构10a、 10b 的可能位置之前，还可以附着在或装入如由橡胶、塑料、合成橡胶、 玻璃纤维等制成的衬底部分。 波(SAW)谐振器或体声波(BAW)谐振器。用于轮胎组件或其他应 用的条件响应设备的具体例子是由TRANSENSE TECHNOLOGIES, PLC开发的SAW设备。该设备的具体的特点在已出版的美国专利申请 号为2002/0117005 (Viles等人)和2004/0020299 (Freakes等人)的专 利申请都已公开，两者皆为了一切目的通过引用的方式结合于此。在 一个实施例中，这种SAW设备包括三个谐振器元件，每个被配置为运 行在不同的运行频率范围，例如，中心频率分别是433.28MHz, 433.83MHz，和434.26MHz的范围。应了解，以不同的频率范围运行 在本发明的精神和范围之内。三个谐振器元件组合组成了可以提供足 够信息用来确定轮胎的温度和压力水平的SAW设备。优选地设计这种 多个谐振器元件的谐振频率以使得在轮胎中的任何压力或温度条件下 相邻的谐振频率总是大于谐振器带宽。依然参照图1，发送接收机/询问器设备14发送一系列询问信号用 以激励一个或多个在其自然晶振频率(谐振频率)消极运行的条件响 应设备12。在经历激励脉冲后，条件响应设备12中的每个谐振器元件 将其在激励期间中存储的能量辐射。该辐射能量的峰值出现在该条件 响应设备12的谐振器元件的各自的谐振频率位置。然后该信号在发送 接收机14被接收。通过监测辐射的谐振器响应的变化相对询问信号频 率的变化，可以确定在轮胎结构10a， 10b中对应于预先选择条件的信 息。现在参照图2，介绍发送接收机/询问器14的典型组件。通过此处 所述的典型组件，可以提供用来定位和测量一个或多个SAW谐振器元 件的谐振频率的构件。应了解虽然图2图解说明了询问器硬件组件的 一个例子，但根据所述公开的特点和方法，还可以利用其他的组件。 询问器14包括用来发送询问信号的组件以及从一个或多个已激励的谐 振器元件接收信号时使用的组件。发射机部分包括从电可控的频率合 成器16进行反馈的外部可控或电可控的RF功率放大器18。频率合成 器16能够在由频率合成器16的外部输入定义的不同频率下产生询问 脉冲，这些频率以某种定义好的增量(如，10Hz)进行步进，并优选 地具有足够的精度用于后面的测量。RF功率放大器18由能够形成成 形波形的可变长度的脉冲发生器20进行门控。该成形波形可以用来抑
制由频率合成器16生成并由RF放大器18放大的询问脉冲的旁瓣。在 一些实施例中也可以采用硬线滤波器网络来进行旁瓣抑制。放大器18 产生的输出对应着在带宽和频率方面被控制的询问脉冲。应了解，将 询问脉冲的脉冲长度变窄将提高所选的中心频率周围的带宽。依然参照图2， RF开关22耦合到询问器天线24。由发射接收机 14的发射机部分产生的询问脉冲经由天线24辐射，其目的是激励与发 送接收机/询问器14极接近的一个或多个SAW谐振器元件。 一旦该谐 振器元件被激励，这些元件再次辐射也能够被发送接收机14检测到的 能量。根据发送接收机/询问器14的发送和接收RF信号的双向能力， 应了解发送接收机可以配置成运行在半双工的通信模式或者全双工的 通信模式。在半双工的模式中，信号在每次只在一条路径上发送，否 则会出现发送数据和接收数据冲突。在这种配置下，在抑制了从发送 接收机14提供RF信源的发射机部分，并随后对SAW谐振器进行监听 之后再进行谐振器响应的检测。在全双工的模式，数据可以在两个方 向同时进行交换，同样地，可以在RF传输信源仍然有效的时候检测谐 振器响应。现在参照发送接收机/询问器14的从一个或多个SAW谐振器元件 接收再次辐射响应的部分，低噪声放大器、混频器以及相关的滤波器 (通称26)被包括用来将接收信号进行频率转换至中频(IF)。中频值 的一个例子是lMHz，尽管也可以采用其他具体的IF频率。然后将IF 响应提供给模拟-数字(A/D)转换器28，在模数转换器中将接收信号 以与IF (如，10 MHz或20MHz)相比较足够高的速率进行抽样。微 处理器30 (例如DSP芯片或其他控制器元件)对抽样过的IF响应进 行傅立叶变换。然后将检测的频率组件的能级与参考水平或者其他测 量进行比较。然后将SAW谐振的位置则确定为对激励脉冲出现最强响 应的位置。微处理器30也可以与用户输入共同来控制位于发送接收机 /询问器14内的其他组件。继续参照图2，微处理器30可以结合于或者耦合到单个的或分布 式的能够存储由微处理器30执行的软件的存储器元件31。存储器元件 31可对应于任何具体类型的易失性存储器或非易失性存储器，例如但 不限于RAM、 ROM、 EEPROM、 flash存储器、磁带、CD、 DVD等等。
本算法选定的部分可以通过由微处理器30执行存储在存储器31上的 软件指令而实施。例如，包括确定和分析接收到的谐振响应信号和测 量的步骤都可以通过这样的微处理器和存储器组件来实现。还应了解 目前公开的包括选择性的传输询问信号的询问算法的步骤的可以通过图2的示意性组件16、 18和20来实现。假定SAW中的每个谐振元件的谐振频率随着给定的输入参数而 变化，因此，在SAW谐振元件的精确谐振频率被确定之前，SAW询 问器必须典型地根据一些预先设定的算法发送多个RF询问信号。当询 问搜索脉冲在频域移动时，脉冲将会依据在频率空间中其与每个SAW 谐振器元件的中心频率的距离产生不同的响应水平。此外，由于许多 用作感测元件的SAW谐振器都运行在大于相对半幅全宽(FWHM)峰 的带宽下，因此在RF规范内容之内有效地激励这些设备需要将谐振器 设置在相对窄的带宽中。在已知的询问系统中，不同的询问频率通过 一组给定的离散频率每次一步顺序地步进。这种算法在很多情况下可 能效率低下，因为在这种方式下询问谐振元件所需的时间和能量是保 持固定的直到搜索了所有可能的频率。根据本发明的典型实施例，介绍了一种发送RF询问脉冲用来确定 一个或多个谐振器元件的最优询问频率的改进算法。该改进算法的实 施例提供了询问SAW设备的更快、更有效的工序以及由此而得到的更 精确的搜索结果。参照图3的流程图介绍根据本发明方面的搜索程序的例子。典型 的搜索程序可以在步骤32开始，通过在谐振器元件运行的范围内，以 给定的初始频率发送初始的RF脉冲(或脉冲序列)用来搜索谐振器响 应。参考图4，假设给定的谐振器元件的运行范围是定义为MW的频 率范围。步骤32发送的初始RF脉冲频率c在一个例子中可以对应着 范围/a，W的中心频率。在另一个例子中，步骤32发送的初始RF脉冲 的频率c可以对应着给定谐振器元件的谐振频率的期望值。例如，当 SAW设备的特殊谐振器元件配置成用于提供对应着给定轮胎或车轮组 件的压力的信息时，对应着该轮胎的正常或理想的胎压的谐振器元件 的谐振频率就是谐振器频率的期望值。在初始搜索频率c发送的RF脉 冲的特征是具有第一预先设定带宽，比如在运行规范内实际允许的最
大带宽。在以初始搜索频率发送一个或多个RF脉冲用来激励给定的谐 振器设备之后，谐振器响应被发送接收机接收和处理用来确定谐振器 元件辐射的能量数目是否大于一些预先设定的门限值。这些门限值是 基于谐振器元件的已知特性来设定的，因此当确定谐振器响应的能级 超过该预先设定门限时就足以证实该元件的谐振频率已经被定位。继续参考图3，如果在步骤34确定了谐振器响应超过了门限，那 么初始的搜索阶段就完成了。如果没有超过，则搜索算法进入步骤36。 步骤36包括将谐振设备的运行范围/a， W分割成至少两个分别的频率范 围。当采用该运行范围的等分法时，则这两个分别的搜索频率范围对 应着的范围定义为/fl,q/和/"c，W。虽然在所述的具体例子中只定义了两 个分别的搜索频率范围，但应了解根据本算法可以采用多个分割的搜 索频率范围。根据一些实施例应了解，搜索算法可以开始于步骤36， 分割谐振元件的运行频率范围，这与步骤32发送一个或多个初始RF 询问脉冲是相反的。进入步骤38,在步骤36中分割过的选定的分别的搜索频率范围中 发送一个或多个RF脉冲，直到检测到足够的谐振器响应。例如，可以 中心频率d发送具有与在步骤32发送的初始RF脉冲相同的第一带宽 的第一询问脉冲。在一个实施例中，d= ^+^/2为搜索频率范围/a，c/ 的中点。再一次地，监测谐振器响应用来确定在步骤40是否超过了该 预先设定的门限。如果没有，也可以在歩骤38以步骤36分割的其他 的频率范围发送另外的询问脉冲。例如，下一个传输脉冲的中心频率 可以对应着e其中e:fb+W/2，或为搜索频率范围/c，W的中点。如果在 分割的搜索频率范围里发送了询问脉冲之后仍然没有找到SAW谐振 器频率，则在步骤40之后，本询问算法返回到步骤36，进一步分割先 前的搜索频率范围。重复进行分割搜索频率范围、在一个或多个分割 的范围中发送RF询问脉冲、监测谐振器响应的循环，直到检测的谐振 器响应的能级超过了该预先设定的门限，在歩骤41初始搜索阶段结束。分别参考图4a-4c，介绍了图3流程图中所述过程的图形例子。假 定SAW设备的给定谐振器元件被配置成在由分别为"和6的下端点和 上端点所定义的频率范围内运行，在给定时间该谐振器元件的谐振器 频率在频率s被确立。这种场景在图4a中用能量相对频率的曲线图进行描述，其中中心频率为的S能量脉冲42代表谐振器元件的运行谐振。实施本询问算法用来确定在运行范围/a，W内谐振频率位于何处。根据 图3的步骤32，由发送接收机/询问器设备发送中心频率为c的初始 RF脉冲44，并且监测该谐振器响应。参照图4a，当脉冲44被发送的 时候，谐振器响应被期望大约为0，因为询问脉冲44和运行谐振42 之间没有重叠。然后可以将初始搜索范围/a,W分割成两个子范围，即 /a，c/和/c，^。然后在一个或多个这些子范围中发送询问脉冲，直到检 测到足够的谐振器响应。参考图4b，假定询问脉冲46a首先在范围/^，c/ 内以频率d发送，发送询问器脉冲46a的谐振器响应也被期望是0。同 样地，下一个询问脉冲46b在第二分割范围/c,Z)/内以频率e发送。如 前面所提到的，在一些实施例中，频率J和e可以分别选择为频率范 围/^c/和/c》7的中心频率。在另一些实施例中，频率d和e可以在其 定义的频率范围中任意选择。继续参考图4b，根据发送询问脉冲46b，谐振器响应期望对应着 脉冲46b和谐振脉冲42之间的重叠量，如阴影区域48所示。由重叠 区域48所定义的能级通过比较也许超过也许没有超过预先设定的门限 值。如果超过，则初始搜索阶段结束。如果没有超过，则检测到的能 级可以继续用于确定先前的频率范围/a,q/和/c，6/中哪个应该进一步分 割成额外的子范围。在一些本算法的实施例中，每个先前分割的范围 可以进一步拆分成子范围来进行搜索。然而，由于在范围/c，^中检测 到至少某种水平的响应，因此在一些实施例中将随后的搜索限制在范 围/c，^之内才有意义。这种灵活性将通过图4c图解说明的下一轮的询 问脉冲50a-50d来描述。询问脉冲50a和50b在一些实施例中是可选的， 因此用虚线表示。假定将范围^，6/进一步分割成另外的子范围/c,^/和 MW，在该各自的范围内以各自的频率A和/发送询问脉冲50c和50d， 并随后监测谐振器响应。在一个实施例中，频率/2对应着范围/c，^的 中心频率，频率/对应着范围/e,W的中心频率，在传送询问脉冲50c之 后所期望的响应是由重叠52的阴影区所定义的能级。如果该能级52 大于该预先定义的门限值，则没有必要发送另外询问脉冲50d或进一 步分割初始搜索频率范围。此时，完成了本算法的初始搜索阶段(见 图3的步骤41)。
关于上述的初始搜索阶段请注意，每个询问脉冲的带宽是几乎完 全相同的。虽然这不是必要条件，但是请注意如果初始搜索脉冲的带 宽的宽度足够以极少的搜索步骤覆盖运行带宽的话，如图所示，那么 该搜索是最有效的。由于从相对大带宽的脉冲耦合到SAW谐振器的能 量可能很小，因此可以用每个搜索频率的快速询问脉冲序列来提高SAW谐振器的能量。有效的实现方法是在最微弱的条件下(即，激励信源位于指定的最大读取范围)找到产生可接受的谐振器响应所需的 时间累计能量，然后设置固定的脉冲能量乘积，其中脉冲的数量与脉 冲的带宽成反比。完成了初始搜索阶段之后，接下来是频率间隔等分法，其利用由具有第一相对宽带宽特征的询问脉冲来确定SAW谐振的初始位置，搜 索的过程(如图3所述)是在确认的搜索频段(如图4c例子中的频段 /c，e/)内以具有更窄的带宽和相应更长的脉冲时间的询问脉冲进行重复。这种后来的搜索优选地开始于宽带脉冲的中心频率，其中最佳响 应是位于先前有效的初始搜索程序(如，图4c的频率h)。图3所述的 步骤可以在新的搜索频率范围内(是设备运行范围的子集，包括在初 始搜索程序的谐振器响应大于预先设定能量门限的频率)以模拟的方 式进行重复。可以在新搜索频率范围的不同分割部分发送具有第二带 宽(其比在初始搜索程序发送的RF脉冲的第一带宽更窄)特征的询问 脉冲，直到谐振器响应超过相同或新定义的预先设定的能量门限水平。 这种带宽减少和搜索的动作可以重复任何必要的次数，直到带有最窄 所需脉冲的运行谐振频率被定位。因为在这个过程中脉冲的带宽变窄， 应了解用来有效激励谐振器设备(如果在搜索程序中多个脉冲在某些 点发送)而发送的脉冲的数目最终将减少到1。可以选择最窄的脉冲作 为激励频率，上述搜索阶段的最终步骤对应着测量阶段可以在该点开 始的第一个步骤。在根据目前公开的搜索程序所描述的确定了在SAW或其他传感 器中的谐振器设备的最优询问频率之后，测量阶段通常包括用有限带 宽信源的RF能量来激励SAW谐振器的第一步骤。如上所述，该初始 步骤实际可以对应着搜索程序的最后步骤。可以直接测量SAW谐振器 的响应水平。也可以执行如在已知的谐振器测量过程中所实施另外的
信号分析。上面参考图3和4a-4c的讨论分别叙述了基于将给定的搜索频率范围进行等分的方法的常用原则，定位最优询问频率的搜索程序的特殊 例子。与已知的依次通过所有可能的谐振器频率从而确定询问的最优 频率的方法相比，这只是一种在谐振器询问过程中减少搜索时间的特 殊方法。根据本发明应了解，可以采用所公开的基于频率等分的方法 及其他方法，将从一组取样频率得到的谐振器响应拟合成已知的表示 谐振器响应的曲线。例如，参考图5，假设给定谐振器元件的谐振频率是s，该给定谐 振器元件的谐振器响应的幅度值对应频率的曲线图56期望遵循通常的 具有已知特性的通常包括曲线标准偏差的高斯曲线。现在假设分别从 频率力到/6对谐振器进行询问，则在每个频率点得到了其对应的幅度 测量值(分别是从A到J》。确切的取样频率的数目可以变化，可以 随机或者根据指定的搜索程序选择频率，这样的例子已被提供。基于 期望的谐振器响应的已知特性和得到的每产个取样的数据点(力，A)， 可以将该数据点拟合成曲线56。这种数据插值则能够确定谐振频率s.上述关于图5的一般过程严重地依赖于在每个询问频率得到的幅 度测量的精确度。这个过程的一个潜在问题是接收的谐振器响应的相 位经常存在不确定性，因而导致潜在的幅度的不确定性。这种不确定 性的出现是由于幅度的测量通常是通过测量发送接收机设备在中频 (IF)的最大和最小值确定的。然而，当最大和最小幅度值的测量开 始时，IF的相位并不总是已知的。这种情况通常用幅度(A(t))相对时 间(t)的曲线图来表示，如图6A和6B中所示。在图6A中， 一旦测 量开始，就可以得到极值A1、 A2、 A3、 A4和A5。在图6B，可以得 到极值A1'、 A2，、 A3，、 A4，和A5'，但是在图6A和6B得到的测量所 对应相位是未知的。图6A和6B所表示的响应曲线可以通过下面形式的方程式:A(t)二 ae—bt sin (ct+d)，以数学术语来表达，其中a、 b、 c和d是已知的或容易 确定的常量。虽然在测量的时候并不知道时间(或对应确定的相位e 因为e=cot)，但是可以知道的是在IF测量的振荡器响应的幅度在内部 可拟合为衰减指数包络(模型见图6A的线58a和58b以及图6B的线58a'和58b')。各自的衰减指数曲线的时间常量(b)可以容易地被确定 和容易地被重复。这说明如果得到了至少两个和可能多个幅度极值测 量值，则谐振器响应可以拟合成为衰减指数。然后将所有幅度测量值 归一化为普通相位，因此大大地降低了测量值的不确定性和相应的错 误可能性。这可以通过基于每个测量幅度的极值可以通过求方程A(t) 中的时间t来实现。确定了在已知衰减指数中何处进行了测量之后，方 程A(t)中可以分别地解出相同值t (或e)，因而所有幅度测量值的相位 也就知道了和恒定了。当另外的幅度确定性是需要或有必要时，这种 归 一化的过程可以用于任何目前公开的询问算法。根据目前公开的技术应了解，所介绍的搜索程序可以用于确定多 于一个谐振器元件的谐振频率。例如，当单个传感器中有两个或多个 谐振器元件或者在给定环境中以彼此紧密接近在一起的时候，可以对 每个谐振器元件实施或如果需要重复所述的公开步骤。在有3个独立 的谐振器元件的SAW设备中，每个谐振器被典型地配置成运行在截然 不同的频率运行范围中，因而初始和后来的搜索频率范围不会重叠。尽管已经关于其具体实施例详细地介绍了本主题，但是应了解， 对于本领域的技术人员，在理解前述的基础上，可以很容易地对这些 实施例进行变更，改动或者等效替换。因此，本公开的范围是作为示 例而不是作为限制，本公开不排除对于本领域的技术人员来说是很显 而易见的对本主题的修改，变化和/或增加的内容。
权利要求
1、一种确定谐振设备的谐振频率的方法，所述方法包括以下步骤将第一指定频率范围分割成至少两个分别的第一搜索频率范围；通过在选定的至少两个分别的第一搜索频率范围内发送具有第一带宽特征的一个或多个分别的第一RF脉冲来激励谐振设备；监测所述谐振设备对一个或多个第一RF脉冲的响应用来确定所述谐振设备辐射的能量总数是否超过了第一预先设定门限水平；并且如果所述谐振设备对在选定的至少两个分别的第一搜索频率范围内发送的一个或多个第一RF脉冲进行响应所辐射的能量总数没有超过所述第一预先设定门限水平，则对至少两个分别的第一搜索频率范围内的另外的分别的搜索频率范围，重复所述的分割、激励和监测的步骤直到所述谐振设备作为对一个或多个第一RF脉冲的响应所辐射的能量总数超过了所述预先设定门限水平。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述的第一指定频率范围对 应于该所述谐振设备的运行范围。
3、 根据权利要求2所述的方法，在所述的分割步骤之前进一步包 括以下步骤通过发送一个或多个具有所述第一带宽和对应所述谐振设备的运 行范围的中心频率的频率特征的初始RF脉冲来激励谐振设备；并且监测所述谐振设备对所述一个或多个初始RF脉冲的响应用来确 定所述谐振设备辐射的能量总数是否超过了所述第一预先设定门限水 平。
4、 根据权利要求3所述的方法，其中所述至少两个分别的第一搜 索频率范围包括第一搜索频率范围，其定义为从所述谐振设备运行频 率范围中的最低可能频率到该谐振设备运行频率范围的中心频率，和 第二搜索频率范围，其定义为从所述谐振设备运行频率范围的中心频 率到该谐振设备运行频率范围的最高可能频率。
5. 根据权利要求2所述的方法，在所述的分割步骤之前进一步包 括以下步骤通过发送一个或多个具有所述第一带宽和对应所述谐振设备谐振 频率的期望值的频率特征的初始RF脉冲来激励谐振设备；并且监测所述谐振设备对所述一个或多个初始RF脉冲的响应用来确 定所述谐振设备辐射的能量总数是否超过了所述第一预先设定门限水 平。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中所述至少两个分别的第一搜索频率范围包括第一搜索频率范围，其定义为从所述谐振设备运行范 围中的最低可能频率到该谐振设备谐振频率的期望值，和第二搜索频 率范围，其定义为从所述谐振设备谐振频率的期望值到该谐振设备运 行频率范围的最高可能频率。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述的激励步骤包括发送一 串连续的所述第一 RF脉冲序列。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述的另外的分别的搜索频 率范围包括在选定的至少两个分别的第一搜索频率范围内的至少两个 更小的频率范围。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中监测所述谐振设备的响应的每个所述步骤进一步包括以下步骤得到至少两个最大或最小幅度测量；并且 将所有测量的相位归一化为预先设定的参考相位。
10. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤 将第二指定频率范围分割成至少两个分别的第二搜索频率范围； 通过在选定的至少两个分别的搜索频率范围内发送一个或多个具有第二带宽特征的第二 RF脉冲来激励谐振设备，其中所述的第二带宽 小于所述的第一带宽；并且监测所述谐振设备对一个或多个第二 RF脉冲的响应用来确定所 述谐振设备辐射的能量总数是否超过了第二预先设定门限水平；并且 如果所述谐振设备对在选定的至少两个分别的第二搜索频率范围内发送的一个或多个第二 RF脉冲进行响应所辐射的能量总数没有超过所述第二预先设定门限水平，则对至少两个分别的第二搜索频率范 围内的另外的分别的搜索频率范围，重复所述的分割、激励和监测的步骤直到所述谐振设备作为对一个或多个第二 RF脉冲的响应所辐射 的能量总数超过了所述第二预先设定门限水平。
11、 根据权利要求10所述的方法，其中所述第二指定频率范围对 应于其中所述谐振设备对一个或多个具有所述第一带宽特征的第一RF 脉冲的响应超过了所述第一预先设定门限的搜索频率范围。
12、 根据权利要求10所述的方法，在所述的分割第二指定频率范 围步骤之前进一步包括以下步骤通过发送一个或多个具有第二带宽和对应第二指定频率范围的中心频率的频率特征的初始RF脉冲来激励谐振设备；并且监测所述谐振设备对所述一个或多个具有所述第二带宽特征的初始RF脉冲的响应用来确定所述谐振设备辐射的能量总数是否超过了 所述第二预先设定门限水平。
13、 一种确定谐振设备最优询问频率的方法，所述方法包括以下 步骤通过在给定频率范围的多个不同频率发送一个或多个具有由给定带宽特征的RF脉冲；在多个不同频率的每个频率得到所述谐振设备的幅度响应测量；通过一次或多次的随后迭代重复所述的发送和得到步骤，其中在 每次随后迭代发送的RF脉冲其特征在于带宽小于或等于先前迭代中 的脉冲带宽，其中在每次随后迭代发送的一个或多个RF脉冲所用的多 个不同频率是所述先前迭代的给定频率范围的选定的子集。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中所述传输步骤的所述第一 次迭代的给定的频率范围对应着所述谐振设备的运行范围。
15、 根据权利要求13所述的方法，进一步包括确定所述得到步骤中是否有任何一个的幅度响应测量超过了预先设定值的步骤。
16、 根据权利要求13所述的方法，其中所述的发送和得到步骤的 每次迭代进一步包括确定在多个不同频率的哪个特殊频率得到最大的 幅度响应测量的另外的步骤。
17、 根据权利要求16所述的方法，其中每个所述后来迭代的给定 频率范围包含所述先前迭代的所述确定步骤中确认的所述特殊频率。
18、 根据权利要求13所述的方法，其中在所述发送歩骤的每次迭 代中发送一个或多个RF脉冲所用的所述多个不同频率包括所述给定 频率范围的中心频率。
19、 根据权利要求13所述的方法，其中每个所述得到步骤进一歩 包括得到至少两个最大或最小幅度测量；并且 将所有测量相位归一化为预先设定的参考相位。
20、 根据权利要求19所述的方法，其中每个所述得到步骤进一步 包括将每个得到的所述最大或最小幅度测量拟合为具有已知时间常量 的衰减指数曲线的步骤。
21、 一种询问谐振设备的方法，包括建立一个或多个搜索频率范围；在选定的所述一个或多个搜索频率范围内，通过以选定的频率发送一个或多个RF脉冲来激励谐振设备；确定所述谐振设备在每个分别的所述的选定频率对一个或多个RF 脉冲的响应是否超过了第一预先设定值； 如果在所述的确定步骤，所述谐振设备的响应没有超过预先设定 值，那么将选定的一个或多个搜索频率范围分割成至少两个新的搜索 频率范围并且重复所述的激励、确定和分割步骤直到谐振设备的响应 超过了所述第一预先设定值。
22、 根据权利要求21所述的方法，其中所述建立步骤的所述一个 或多个搜索频率范围包括谐振设备的运行范围。
23、 根据权利要求21所述的方法，其中在选定的一个或多个搜索 频率范围内以每个所述选定的频率发送的一个或多个RF脉冲具有第 一相对宽的带宽特征。
24、 根据权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤建立一个或多个第二搜索频率范围；在选定的一个或多个第二搜索频率范围内以选定的频率发送一个或多个具有第二带宽特征的RF脉冲来激励谐振设备，其中所述第二带 宽小于所述第一相对宽的带宽；确定谐振设备在选定的一个或多个第二搜索频率范围的每个分别 的所述选定频率上，对一个或多个RF脉冲的响应是否超过了第二预先 设定值；并且如果所述谐振设备的响应没有超过所述第二预先设定值，则将选 定的一个或多个第二搜索频率范围分割成至少两个新的搜索频率范 围，在所述第二搜索频率范围的组内重复所述的激励、确定和分割步 骤直到所述谐振设备的响应超过了所述第二预先设定值。
25、 根据权利要求24所述的方法，其中所述一个或多个第二搜索 频率范围包含其中所述谐振设备对一个或多个具有所述第一相对宽的 带宽特征的RF脉冲的响应超过了所述第一预先设定值的搜索频率范 围。
26、 根据权利要求21所述的方法，其中在选定的所述一个或多个第二搜索频率范围内用来发送一个或多个RF脉冲的每个选定频率包 括分别的搜索频率范围的中心频率。
27、 根据权利要求21所述的方法，其中每个所述的分割步骤包括将每个所述的选定的一个或多个搜索频率范围分割成对应于所述先前 搜索频率范围的下半部的第一新频率范围以及对应于所述先前搜索频 率范围的上半部的第二新频率范围。
28、 根据权利要求21所述的方法，其中在所述的分割步骤建立的 每个新的搜索频率范围小于所述先前建立的所述一个或多个搜索频率 范围。
29、 根据权利要求21所述的方法，其中每个所述确定步骤进一步 包括得到至少两个最大或最小幅度测量；并且 将每个得到的测量的相位归一化为预先设定的参考相位。
全文摘要
询问谐振设备时确定谐振频率的方法，包括产生和发送各种带宽的RF询问脉冲用来激励一个或多个SAW谐振器元件的步骤。初始RF询问脉冲具有相对宽的带宽，以能够方便地确定谐振设备的谐振频率的大体位置。然后，在已确定的谐振的大体位置附近发送具有更小带宽脉冲的询问脉冲用来缩小谐振位置的范围。
文档编号G01R23/16GK101401004SQ200680053787
公开日2009年4月1日 申请日期2006年10月17日 优先权日2006年1月19日
发明者G·P·奥布赖恩, 蒂森 J· 申请人:米其林技术公司;米其林研究和技术股份有限公司