詢問諧振設備時減少搜索時間和提高搜索精度的製作方法

2023-10-08 05:43:39

專利名稱：詢問諧振設備時減少搜索時間和提高搜索精度的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種詢問如存在於表面聲波(SAW)設備中的諧 振器元件的系統和方法。該SAW設備可以與輪胎或車輪組件結合用來 感測如周圍環境溫度和壓力的物理參數。本主題詢問技術的特徵在於， 與其他已知方法相比減少了搜索時間和提高了搜索精度。
背景技術：
電子設備與輪胎結構的結合帶來了許多實際的好處。輪胎電子器 件包括傳感器和其他部件，用來中繼輪胎確認參數和用來獲得有關輪 胎的各種物理參數的信息，如溫度、壓力、輪胎轉數、車速等。這些 性能信息在輪胎監測和警告系統中是有用的，甚至有可能與反饋系統 一起用來調節適當的胎壓水平。用於確定與輪胎和車輪組件有關的各種參數的一種特殊類型的傳 感器或者條件響應設備，就是聲波設備，如表面聲波(SAW)設備。 這種SAW設備典型地包括至少一個由沉積於壓電襯底上的叉指電極 構成的諧振器元件。當電輸入信號被應用於SAW設備，所選的電極使 得該SAW設備成了轉換器，在襯底將輸入信號轉換為機械波。其餘的 電極則與轉換器的過程相反，產生電輸出信號。從SAW設備輸出的輸 出信號的變化，如輸出信號的頻率、相位和/或幅度變化，對應著SAW 設備在傳播路徑中的變化特性。在一些SAW設備的實施例中，監測的諧波頻率和另外的一些變化 提供了足夠的信息用來確定SAW設備所經受的，如溫度、壓力和應變 的參數。能夠這樣運行的SAW設備包括3個獨立的諧振器元件。這種 SAW設備的具體例子對應於Transense Technologies, PLC所開發的設 的參數。能夠這樣運行的SAW設備包括3個獨立的諧振器元件。這種 SAW設備的具體例子對應於Transense Technologies, PLC所開發的設 備，其中具體的特點在申請號為Nos.2002/0117005 (Viles等人)和 2004/0020299 (Freakes等人)的美國專利申請中都已公開。兩者皆為 了一切目的通過引用的方式結合於此。在輪胎工業中，SAW設備典型地是通過無源器件的形式實施，並 且由遠程發送接收機設備對其進行詢問，其中該遠程發送接收機設備 包括用於發送信號給SAW設備以及用於從SAW設備接收信號的電路。 該遠程發送接收機設備，或詢問器，從遠程位置發送各種頻率的激勵 信號給SAW設備。SAW設備在激勵期間存儲部分該發射能量並隨後 可以發送處相應的輸出信號。詢問器的發送信號和接收信號的對比表 明了該SAW設備何時在其諧振頻率被激勵。在專利號為6,765,493 (Lonsdale等人)的美國專利和申請號為GB 2,381,074 (Kalinin等人) 的英國專利申請中可以找到SAW詢問技術的例子，兩者皆為了一切目 的通過引用的方式結合於此。由於SAW中每個諧振元件的諧振頻率隨著給定輸入參數而改變， 因此，在SAW諧振元件的精確諧振頻率被確定之前，SAW詢問器必 須典型地根據一些預先設定的算法發送多個RF詢問信號。雖然已經開 發了多種不同的詢問系統和對應的搜索算法，但是沒有出現一種設計 能夠提供減少搜索時間和提高精度等級的實現SAW詢問的技術，而這 正是根據本技術下面將要介紹的。發明內容考慮在現有技術遇到的和本主題所述的公認特徵，開發了一種詢 問諧振設備的改進的特徵和步驟。公開了在不同頻率發送詢問脈衝， 從諧振設備得到輻射的響應水平，以及分析接收到的響應信息用來確 定該設備的諧振頻率的示意性方法。根據本公開技術的更特殊方面，可以產生並發送具有不同帶寬的 RF詢問脈衝用來激勵一個或多個SAW諧振器元件。通過開始典型歩 驟為發送並檢測對具有相對寬的帶寬的詢問脈衝的諧振器響應的搜索 算法，可以確定諧振設備的諧振頻率的大體位置。然後，在被確定的 諧振的大體位置附近發送具有更小帶寬脈衝的詢問脈衝以進一步縮小 可能的諧振位置的範圍。這種搜索方式提供了比已知的在給定頻率範 圍內的所有可能位置發送相對窄的帶寬的脈衝的詢問方法更高的效根據本主題的另一個更特殊方面，應了解搜索頻率範圍內將要被 發送詢問脈衝處的精確的順序和位置有大量的多樣性。在一些實施例 中，等分法被用於在諧振設備運行範圍的中心或在期望值處發送一個 或多個初始詢問脈衝。如果諧振頻率不是位於該初始位置，那麼將運 行的範圍分成兩半(或者其他數目的大體相等的頻率範圍區)，在每個 新的搜索頻率範圍區的中心或隨機選擇的位置發送一個或多個詢問脈 衝。分割搜索頻率範圍的過程一直持續到該諧振頻率被定位。本詢問諧振設備的系統和方法的不同特徵和特點提供了大量的優 點。本公開技術提供了一種無線搜索和詢問的方法，與已知方法相比 減少了搜索時間，提高了搜索效率和改進了詢問結果。 一種減少搜索 時間的方法與在整個設備的運行範圍內以步進間隔的距離發送脈衝相 反，是有選擇性地選擇在何處發送詢問脈衝。 一種改進詢問結果的方 法包括提供特徵和/或步驟用來提高從諧振設備獲得的幅度測量的確定 性。如果所有接收到的測量的相位都歸一化的話，能夠更加準確地確 保測量的響應值的幅度確定性。在本主題的一個示意性實施例中，確定諧振設備的諧振頻率的方 法包括以下步驟將第一指定頻率範圍分割成至少兩個分別的第一搜 索頻率範圍，通過在選定的至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內發送 一個或多個具有第一帶寬特徵的分別的第一 RP脈衝來激勵諧振設備， 監測該諧振設備對一個或多個第一 RF脈衝的響應用來確定該諧振設 備輻射的能量總數是否超過了第一預先設定門限。如果諧振設備對在 選定的至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內發送的一個或多個第一RF 脈衝進行響應所輻射的能量總數沒有超過了所述第一預先設定門限， 則在對至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內的另外的分別的搜索頻率 範圍，重複分割、激勵和監測的步驟直到所述諧振設備作為對一個或多個第一 RF脈衝的響應所輻射的能量總數超過了所述預先設定門限水平。
在一些本主題的更特殊的實施例中，第一指定頻率範圍對應著諧 振設備運行的範圍。至少兩個第一搜索頻率範圍可以對應著第一範圍 和第二範圍，其範圍從設備運行的頻率範圍中的最低可能頻率到或為 該範圍的中心頻率或為該範圍的期望值，第二範圍的範圍從所選的中 心頻率或期望頻率到運行的頻率範圍中的最高頻率。在分割指定頻率 範圍步驟之前，可以在中心頻率或期望頻率上實施初始的激勵諧振設 備和監測響應的步驟。在一些實施例，每個激勵步驟可以對應著發送—串連續的第一RF脈衝。此外，每個監測步驟可以對應著得到至少兩個最大或最小幅度測量並將這樣得到的測量的相位歸一化為預先設定 的參考相位。在一些實施例，得到的幅度測量被擬合成具有已知時間 常量的衰減指數曲線。在更特殊的示意性實施例，為了更準確的確認 設備的諧振頻率，上述的步驟也可以通過發送具有第二更小帶寬的脈 衝進行重複。根據本技術的另一個示意性實施例，確定諧振設備的最優詢問頻 率的方法包括以下步驟在給定頻率範圍的多個不同頻率下發送一個 或多個具有給定帶寬特徵的RF脈衝，在多個不同頻率的每個頻率得到 諧振設備的幅度響應測量，然後通過一次或多次的隨後迭代重複分別的發送和得到步驟，其中在每次隨後迭代中的RF脈衝其特徵在於帶寬 小於或等於先前迭代中的脈衝帶寬。此外，在每次隨後迭代發送的一 個或多個RF脈衝所用的多個不同頻率是所述先前迭代的給定頻率範 圍的選定的子集。上述方法的更加特殊的示意性實施例，發送一個或多個RF脈衝的 第一次迭代所用的給定頻率範圍對應著諧振設備的運行範圍。另外的 示意性實施例可以包括確定是否任何的幅度響應測量超過了預先設定 值，或者確定在每次迭代中多個不同頻率中的哪個特殊頻率能夠得到 最大的幅度響應的步驟。這個特殊的具有最大幅度響應的確認頻率可 以部分地用於確認在已列出的搜索步驟的隨後的迭代中的新的頻率範 圍。本公開技術的另一個示意性實施例對應著一種詢問諧振設備的方 法，包括以下步驟建立一個或多個搜索頻率範圍，在選定的一個或 多個搜索頻率範圍內，以選定的頻率發送一個或多個RF脈衝來激勵諧
振設備，確定諧振設備在每個分別的選定頻率對一個或多個RF脈衝的 響應是否超過了預先設定值。如果該諧振設備的響應沒有超過所述預 先設定值，則將一個或多個搜索頻率範圍分割成至少兩個新的搜索頻 率範圍，重複上述的激勵、確定和分割步驟直到所述諧振設備的響應 超過了所述第一預先設定值。本主題的另外目的和優點已經闡明，或者對於本領域的普通技術 人員來說通過此處的詳細介紹是很顯而易見的。同樣，應進一步了解， 在不背離本主題的精神和範圍的情況下，可在本發明的各種實施例和 使用中對其具體說明、參照和討論的特徵和步驟進行修改和變更。變 更可以包括，但不限於，對所說明、參考或討論的內容用等價手段、 特徵或步驟進行替換，以及對各個部分、特徵、步驟或其他類似部分 進行功能、操作和位置顛倒。另外，應了解，本主題的不同實施例以及不同的目前優選實施例 可包括對目前所述特徵、歩驟或元件的不同組合或配置或其等價物(其 中包括沒有在圖中明確顯示或者沒有在附圖的詳細表述中闡述的特 徵、部分或歩驟的組合或其配置)。無需在發明內容部分闡述的本主題的另外的實施例，可包含並結 合上面簡要闡述的目標中所引用的特徵、部件、步驟方面的各種組合， 和/或如本申請中以其他方式討論的其他的特徵、部件或步驟。本領域 的普通技術人員瀏覽了本說明書的剩餘部分後，將更加了解這些實施 例的特徵和方面。


針對本領域普通技術人員，在參照附圖的本說明書中闡述了本主 題的全面和可實施的公開，包括最佳實施方式，其中圖1提供了根據本發明的輪胎監測系統的示意性硬體組件的原理 框圖，特別介紹了多個輪胎和對應的諧振器元件與遠程發送接收機或 詢問器之間的示意性通信；圖2提供了根據本發明的遠程發送接收機或詢問器的示意性硬體 組件的原理框圖；圖3提供了根據本發明的確定諧振器設備的諧振頻率的方法的示 意性處理步驟的流程圖；圖4a、 4b和4c分別提供了根據圖3所概述的方法的一個實施例發送的示意性詢問脈衝的圖例；圖5提供了關於將在不同詢問頻率處得到的幅度取樣擬合成期望 的諧振器輸出曲線特性方面的圖例；圖6A和6B分別提供了示意性的諧振器響應(即，響應信號的幅 度相對於時間)的圖例，特別是圖解說明了關於響應的相位的可能變 化。整個說明書和附圖中重複使用的參考符號用於表述本發明的相同 或者類似的特徵或元件。應了解在附圖中闡述的各種特徵無需按比例 描繪，因此該圖中特徵之間的相對關係不應限制本公開的技術。
具體實施方式
如發明內容中所介紹的，本主題特別涉及詢問諧振設備的改進技 術，尤其是可以用在如表面聲波(SAW)傳感器的條件響應設備中。 這些SAW傳感器可以用在任何期望監測其所受到的應變水平的環境 中。這種環境的特殊的例子是在車輛輪胎和車輪組件中，其物理特性， 如溫度和壓力可以通過一個或多個傳感設備進行監測。本說明書的剩 餘部分將介紹關於輪胎/車輪環境的本主題的諧振器詢問技術的特點， 但是應了解該技術不限於在這個特殊的應用中使用。參考圖1，多個輪胎結構10a和10b可分別結合條件響應設備12a 和12b (通稱12)用來監測輪胎或相關車輪組件內的不同物理參數， 如溫度和/或壓力。對於客運車輛、商用車或結合了多於兩個的圖1所 示輪胎的其他類型的車輛，應了解可以在選定的或每個現有的輪胎結 構中結合一個或多個條件響應設備12。條件響應設備12可以與多個特 殊的位置相結合，包括但不限於，附著於或嵌入到輪胎結構10a、 10b 或相關的車輪組件，閥杆或可得到輪胎的精確的溫度和壓力測量的任 何其他位置。條件響應設備12在被結合到相關的輪胎結構10a、 10b 的可能位置之前，還可以附著在或裝入如由橡膠、塑料、合成橡膠、 玻璃纖維等製成的襯底部分。 波(SAW)諧振器或體聲波(BAW)諧振器。用於輪胎組件或其他應 用的條件響應設備的具體例子是由TRANSENSE TECHNOLOGIES, PLC開發的SAW設備。該設備的具體的特點在已出版的美國專利申請 號為2002/0117005 (Viles等人)和2004/0020299 (Freakes等人)的專 利申請都已公開，兩者皆為了一切目的通過引用的方式結合於此。在 一個實施例中，這種SAW設備包括三個諧振器元件，每個被配置為運 行在不同的運行頻率範圍，例如，中心頻率分別是433.28MHz, 433.83MHz，和434.26MHz的範圍。應了解，以不同的頻率範圍運行 在本發明的精神和範圍之內。三個諧振器元件組合組成了可以提供足 夠信息用來確定輪胎的溫度和壓力水平的SAW設備。優選地設計這種 多個諧振器元件的諧振頻率以使得在輪胎中的任何壓力或溫度條件下 相鄰的諧振頻率總是大於諧振器帶寬。依然參照圖1，發送接收機/詢問器設備14發送一系列詢問信號用 以激勵一個或多個在其自然晶振頻率(諧振頻率)消極運行的條件響 應設備12。在經歷激勵脈衝後，條件響應設備12中的每個諧振器元件 將其在激勵期間中存儲的能量輻射。該輻射能量的峰值出現在該條件 響應設備12的諧振器元件的各自的諧振頻率位置。然後該信號在發送 接收機14被接收。通過監測輻射的諧振器響應的變化相對詢問信號頻 率的變化，可以確定在輪胎結構10a， 10b中對應於預先選擇條件的信 息。現在參照圖2，介紹發送接收機/詢問器14的典型組件。通過此處 所述的典型組件，可以提供用來定位和測量一個或多個SAW諧振器元 件的諧振頻率的構件。應了解雖然圖2圖解說明了詢問器硬體組件的 一個例子，但根據所述公開的特點和方法，還可以利用其他的組件。 詢問器14包括用來發送詢問信號的組件以及從一個或多個已激勵的諧 振器元件接收信號時使用的組件。發射機部分包括從電可控的頻率合 成器16進行反饋的外部可控或電可控的RF功率放大器18。頻率合成 器16能夠在由頻率合成器16的外部輸入定義的不同頻率下產生詢問 脈衝，這些頻率以某種定義好的增量(如，10Hz)進行步進，並優選 地具有足夠的精度用於後面的測量。RF功率放大器18由能夠形成成 形波形的可變長度的脈衝發生器20進行門控。該成形波形可以用來抑
制由頻率合成器16生成並由RF放大器18放大的詢問脈衝的旁瓣。在 一些實施例中也可以採用硬線濾波器網絡來進行旁瓣抑制。放大器18 產生的輸出對應著在帶寬和頻率方面被控制的詢問脈衝。應了解，將 詢問脈衝的脈衝長度變窄將提高所選的中心頻率周圍的帶寬。依然參照圖2， RF開關22耦合到詢問器天線24。由發射接收機 14的發射機部分產生的詢問脈衝經由天線24輻射，其目的是激勵與發 送接收機/詢問器14極接近的一個或多個SAW諧振器元件。 一旦該諧 振器元件被激勵，這些元件再次輻射也能夠被發送接收機14檢測到的 能量。根據發送接收機/詢問器14的發送和接收RF信號的雙向能力， 應了解發送接收機可以配置成運行在半雙工的通信模式或者全雙工的 通信模式。在半雙工的模式中，信號在每次只在一條路徑上發送，否 則會出現發送數據和接收數據衝突。在這種配置下，在抑制了從發送 接收機14提供RF信源的發射機部分，並隨後對SAW諧振器進行監聽 之後再進行諧振器響應的檢測。在全雙工的模式，數據可以在兩個方 向同時進行交換，同樣地，可以在RF傳輸信源仍然有效的時候檢測諧 振器響應。現在參照發送接收機/詢問器14的從一個或多個SAW諧振器元件 接收再次輻射響應的部分，低噪聲放大器、混頻器以及相關的濾波器 (通稱26)被包括用來將接收信號進行頻率轉換至中頻(IF)。中頻值 的一個例子是lMHz，儘管也可以採用其他具體的IF頻率。然後將IF 響應提供給模擬-數字(A/D)轉換器28，在模數轉換器中將接收信號 以與IF (如，10 MHz或20MHz)相比較足夠高的速率進行抽樣。微 處理器30 (例如DSP晶片或其他控制器元件)對抽樣過的IF響應進 行傅立葉變換。然後將檢測的頻率組件的能級與參考水平或者其他測 量進行比較。然後將SAW諧振的位置則確定為對激勵脈衝出現最強響 應的位置。微處理器30也可以與用戶輸入共同來控制位於發送接收機 /詢問器14內的其他組件。繼續參照圖2，微處理器30可以結合於或者耦合到單個的或分布 式的能夠存儲由微處理器30執行的軟體的存儲器元件31。存儲器元件 31可對應於任何具體類型的易失性存儲器或非易失性存儲器，例如但 不限於RAM、 ROM、 EEPROM、 flash存儲器、磁帶、CD、 DVD等等。
本算法選定的部分可以通過由微處理器30執行存儲在存儲器31上的 軟體指令而實施。例如，包括確定和分析接收到的諧振響應信號和測 量的步驟都可以通過這樣的微處理器和存儲器組件來實現。還應了解 目前公開的包括選擇性的傳輸詢問信號的詢問算法的步驟的可以通過圖2的示意性組件16、 18和20來實現。假定SAW中的每個諧振元件的諧振頻率隨著給定的輸入參數而 變化，因此，在SAW諧振元件的精確諧振頻率被確定之前，SAW詢 問器必須典型地根據一些預先設定的算法發送多個RF詢問信號。當詢 問搜索脈衝在頻域移動時，脈衝將會依據在頻率空間中其與每個SAW 諧振器元件的中心頻率的距離產生不同的響應水平。此外，由於許多 用作感測元件的SAW諧振器都運行在大於相對半幅全寬(FWHM)峰 的帶寬下，因此在RF規範內容之內有效地激勵這些設備需要將諧振器 設置在相對窄的帶寬中。在已知的詢問系統中，不同的詢問頻率通過 一組給定的離散頻率每次一步順序地步進。這種算法在很多情況下可 能效率低下，因為在這種方式下詢問諧振元件所需的時間和能量是保 持固定的直到搜索了所有可能的頻率。根據本發明的典型實施例，介紹了一種發送RF詢問脈衝用來確定 一個或多個諧振器元件的最優詢問頻率的改進算法。該改進算法的實 施例提供了詢問SAW設備的更快、更有效的工序以及由此而得到的更 精確的搜索結果。參照圖3的流程圖介紹根據本發明方面的搜索程序的例子。典型 的搜索程序可以在步驟32開始，通過在諧振器元件運行的範圍內，以 給定的初始頻率發送初始的RF脈衝(或脈衝序列)用來搜索諧振器響 應。參考圖4，假設給定的諧振器元件的運行範圍是定義為MW的頻 率範圍。步驟32發送的初始RF脈衝頻率c在一個例子中可以對應著 範圍/a，W的中心頻率。在另一個例子中，步驟32發送的初始RF脈衝 的頻率c可以對應著給定諧振器元件的諧振頻率的期望值。例如，當 SAW設備的特殊諧振器元件配置成用於提供對應著給定輪胎或車輪組 件的壓力的信息時，對應著該輪胎的正常或理想的胎壓的諧振器元件 的諧振頻率就是諧振器頻率的期望值。在初始搜索頻率c發送的RF脈 衝的特徵是具有第一預先設定帶寬，比如在運行規範內實際允許的最
大帶寬。在以初始搜索頻率發送一個或多個RF脈衝用來激勵給定的諧 振器設備之後，諧振器響應被發送接收機接收和處理用來確定諧振器 元件輻射的能量數目是否大於一些預先設定的門限值。這些門限值是 基於諧振器元件的已知特性來設定的，因此當確定諧振器響應的能級 超過該預先設定門限時就足以證實該元件的諧振頻率已經被定位。繼續參考圖3，如果在步驟34確定了諧振器響應超過了門限，那 麼初始的搜索階段就完成了。如果沒有超過，則搜索算法進入步驟36。 步驟36包括將諧振設備的運行範圍/a， W分割成至少兩個分別的頻率範 圍。當採用該運行範圍的等分法時，則這兩個分別的搜索頻率範圍對 應著的範圍定義為/fl,q/和/"c，W。雖然在所述的具體例子中只定義了兩 個分別的搜索頻率範圍，但應了解根據本算法可以採用多個分割的搜 索頻率範圍。根據一些實施例應了解，搜索算法可以開始於步驟36， 分割諧振元件的運行頻率範圍，這與步驟32發送一個或多個初始RF 詢問脈衝是相反的。進入步驟38,在步驟36中分割過的選定的分別的搜索頻率範圍中 發送一個或多個RF脈衝，直到檢測到足夠的諧振器響應。例如，可以 中心頻率d發送具有與在步驟32發送的初始RF脈衝相同的第一帶寬 的第一詢問脈衝。在一個實施例中，d= ^+^/2為搜索頻率範圍/a，c/ 的中點。再一次地，監測諧振器響應用來確定在步驟40是否超過了該 預先設定的門限。如果沒有，也可以在歩驟38以步驟36分割的其他 的頻率範圍發送另外的詢問脈衝。例如，下一個傳輸脈衝的中心頻率 可以對應著e其中e:fb+W/2，或為搜索頻率範圍/c，W的中點。如果在 分割的搜索頻率範圍裡發送了詢問脈衝之後仍然沒有找到SAW諧振 器頻率，則在步驟40之後，本詢問算法返回到步驟36，進一步分割先 前的搜索頻率範圍。重複進行分割搜索頻率範圍、在一個或多個分割 的範圍中發送RF詢問脈衝、監測諧振器響應的循環，直到檢測的諧振 器響應的能級超過了該預先設定的門限，在歩驟41初始搜索階段結束。分別參考圖4a-4c，介紹了圖3流程圖中所述過程的圖形例子。假 定SAW設備的給定諧振器元件被配置成在由分別為"和6的下端點和 上端點所定義的頻率範圍內運行，在給定時間該諧振器元件的諧振器 頻率在頻率s被確立。這種場景在圖4a中用能量相對頻率的曲線圖進行描述，其中中心頻率為的S能量脈衝42代表諧振器元件的運行諧振。實施本詢問算法用來確定在運行範圍/a，W內諧振頻率位於何處。根據 圖3的步驟32，由發送接收機/詢問器設備發送中心頻率為c的初始 RF脈衝44，並且監測該諧振器響應。參照圖4a，當脈衝44被發送的 時候，諧振器響應被期望大約為0，因為詢問脈衝44和運行諧振42 之間沒有重疊。然後可以將初始搜索範圍/a,W分割成兩個子範圍，即 /a，c/和/c，^。然後在一個或多個這些子範圍中發送詢問脈衝，直到檢 測到足夠的諧振器響應。參考圖4b，假定詢問脈衝46a首先在範圍/^，c/ 內以頻率d發送，發送詢問器脈衝46a的諧振器響應也被期望是0。同 樣地，下一個詢問脈衝46b在第二分割範圍/c,Z)/內以頻率e發送。如 前面所提到的，在一些實施例中，頻率J和e可以分別選擇為頻率範 圍/^c/和/c》7的中心頻率。在另一些實施例中，頻率d和e可以在其 定義的頻率範圍中任意選擇。繼續參考圖4b，根據發送詢問脈衝46b，諧振器響應期望對應著 脈衝46b和諧振脈衝42之間的重疊量，如陰影區域48所示。由重疊 區域48所定義的能級通過比較也許超過也許沒有超過預先設定的門限 值。如果超過，則初始搜索階段結束。如果沒有超過，則檢測到的能 級可以繼續用於確定先前的頻率範圍/a,q/和/c，6/中哪個應該進一步分 割成額外的子範圍。在一些本算法的實施例中，每個先前分割的範圍 可以進一步拆分成子範圍來進行搜索。然而，由於在範圍/c，^中檢測 到至少某種水平的響應，因此在一些實施例中將隨後的搜索限制在範 圍/c，^之內才有意義。這種靈活性將通過圖4c圖解說明的下一輪的詢 問脈衝50a-50d來描述。詢問脈衝50a和50b在一些實施例中是可選的， 因此用虛線表示。假定將範圍^，6/進一步分割成另外的子範圍/c,^/和 MW，在該各自的範圍內以各自的頻率A和/發送詢問脈衝50c和50d， 並隨後監測諧振器響應。在一個實施例中，頻率/2對應著範圍/c，^的 中心頻率，頻率/對應著範圍/e,W的中心頻率，在傳送詢問脈衝50c之 後所期望的響應是由重疊52的陰影區所定義的能級。如果該能級52 大於該預先定義的門限值，則沒有必要發送另外詢問脈衝50d或進一 步分割初始搜索頻率範圍。此時，完成了本算法的初始搜索階段(見 圖3的步驟41)。
關於上述的初始搜索階段請注意，每個詢問脈衝的帶寬是幾乎完 全相同的。雖然這不是必要條件，但是請注意如果初始搜索脈衝的帶 寬的寬度足夠以極少的搜索步驟覆蓋運行帶寬的話，如圖所示，那麼 該搜索是最有效的。由於從相對大帶寬的脈衝耦合到SAW諧振器的能 量可能很小，因此可以用每個搜索頻率的快速詢問脈衝序列來提高SAW諧振器的能量。有效的實現方法是在最微弱的條件下(即，激勵信源位於指定的最大讀取範圍)找到產生可接受的諧振器響應所需的 時間累計能量，然後設置固定的脈衝能量乘積，其中脈衝的數量與脈 衝的帶寬成反比。完成了初始搜索階段之後，接下來是頻率間隔等分法，其利用由具有第一相對寬帶寬特徵的詢問脈衝來確定SAW諧振的初始位置，搜 索的過程(如圖3所述)是在確認的搜索頻段(如圖4c例子中的頻段 /c，e/)內以具有更窄的帶寬和相應更長的脈衝時間的詢問脈衝進行重複。這種後來的搜索優選地開始於寬帶脈衝的中心頻率，其中最佳響 應是位於先前有效的初始搜索程序(如，圖4c的頻率h)。圖3所述的 步驟可以在新的搜索頻率範圍內(是設備運行範圍的子集，包括在初 始搜索程序的諧振器響應大於預先設定能量門限的頻率)以模擬的方 式進行重複。可以在新搜索頻率範圍的不同分割部分發送具有第二帶 寬(其比在初始搜索程序發送的RF脈衝的第一帶寬更窄)特徵的詢問 脈衝，直到諧振器響應超過相同或新定義的預先設定的能量門限水平。 這種帶寬減少和搜索的動作可以重複任何必要的次數，直到帶有最窄 所需脈衝的運行諧振頻率被定位。因為在這個過程中脈衝的帶寬變窄， 應了解用來有效激勵諧振器設備(如果在搜索程序中多個脈衝在某些 點發送)而發送的脈衝的數目最終將減少到1。可以選擇最窄的脈衝作 為激勵頻率，上述搜索階段的最終步驟對應著測量階段可以在該點開 始的第一個步驟。在根據目前公開的搜索程序所描述的確定了在SAW或其他傳感 器中的諧振器設備的最優詢問頻率之後，測量階段通常包括用有限帶 寬信源的RF能量來激勵SAW諧振器的第一步驟。如上所述，該初始 步驟實際可以對應著搜索程序的最後步驟。可以直接測量SAW諧振器 的響應水平。也可以執行如在已知的諧振器測量過程中所實施另外的
信號分析。上面參考圖3和4a-4c的討論分別敘述了基於將給定的搜索頻率範圍進行等分的方法的常用原則，定位最優詢問頻率的搜索程序的特殊 例子。與已知的依次通過所有可能的諧振器頻率從而確定詢問的最優 頻率的方法相比，這只是一種在諧振器詢問過程中減少搜索時間的特 殊方法。根據本發明應了解，可以採用所公開的基於頻率等分的方法 及其他方法，將從一組取樣頻率得到的諧振器響應擬合成已知的表示 諧振器響應的曲線。例如，參考圖5，假設給定諧振器元件的諧振頻率是s，該給定諧 振器元件的諧振器響應的幅度值對應頻率的曲線圖56期望遵循通常的 具有已知特性的通常包括曲線標準偏差的高斯曲線。現在假設分別從 頻率力到/6對諧振器進行詢問，則在每個頻率點得到了其對應的幅度 測量值(分別是從A到J》。確切的取樣頻率的數目可以變化，可以 隨機或者根據指定的搜索程序選擇頻率，這樣的例子已被提供。基於 期望的諧振器響應的已知特性和得到的每產個取樣的數據點(力，A)， 可以將該數據點擬合成曲線56。這種數據插值則能夠確定諧振頻率s.上述關於圖5的一般過程嚴重地依賴於在每個詢問頻率得到的幅 度測量的精確度。這個過程的一個潛在問題是接收的諧振器響應的相 位經常存在不確定性，因而導致潛在的幅度的不確定性。這種不確定 性的出現是由於幅度的測量通常是通過測量發送接收機設備在中頻 (IF)的最大和最小值確定的。然而，當最大和最小幅度值的測量開 始時，IF的相位並不總是已知的。這種情況通常用幅度(A(t))相對時 間(t)的曲線圖來表示，如圖6A和6B中所示。在圖6A中， 一旦測 量開始，就可以得到極值A1、 A2、 A3、 A4和A5。在圖6B，可以得 到極值A1'、 A2，、 A3，、 A4，和A5'，但是在圖6A和6B得到的測量所 對應相位是未知的。圖6A和6B所表示的響應曲線可以通過下面形式的方程式:A(t)二 ae—bt sin (ct+d)，以數學術語來表達，其中a、 b、 c和d是已知的或容易 確定的常量。雖然在測量的時候並不知道時間(或對應確定的相位e 因為e=cot)，但是可以知道的是在IF測量的振蕩器響應的幅度在內部 可擬合為衰減指數包絡(模型見圖6A的線58a和58b以及圖6B的線58a'和58b')。各自的衰減指數曲線的時間常量(b)可以容易地被確定 和容易地被重複。這說明如果得到了至少兩個和可能多個幅度極值測 量值，則諧振器響應可以擬合成為衰減指數。然後將所有幅度測量值 歸一化為普通相位，因此大大地降低了測量值的不確定性和相應的錯 誤可能性。這可以通過基於每個測量幅度的極值可以通過求方程A(t) 中的時間t來實現。確定了在已知衰減指數中何處進行了測量之後，方 程A(t)中可以分別地解出相同值t (或e)，因而所有幅度測量值的相位 也就知道了和恆定了。當另外的幅度確定性是需要或有必要時，這種 歸 一化的過程可以用於任何目前公開的詢問算法。根據目前公開的技術應了解，所介紹的搜索程序可以用於確定多 於一個諧振器元件的諧振頻率。例如，當單個傳感器中有兩個或多個 諧振器元件或者在給定環境中以彼此緊密接近在一起的時候，可以對 每個諧振器元件實施或如果需要重複所述的公開步驟。在有3個獨立 的諧振器元件的SAW設備中，每個諧振器被典型地配置成運行在截然 不同的頻率運行範圍中，因而初始和後來的搜索頻率範圍不會重疊。儘管已經關於其具體實施例詳細地介紹了本主題，但是應了解， 對於本領域的技術人員，在理解前述的基礎上，可以很容易地對這些 實施例進行變更，改動或者等效替換。因此，本公開的範圍是作為示 例而不是作為限制，本公開不排除對於本領域的技術人員來說是很顯 而易見的對本主題的修改，變化和/或增加的內容。
權利要求
1、一種確定諧振設備的諧振頻率的方法，所述方法包括以下步驟將第一指定頻率範圍分割成至少兩個分別的第一搜索頻率範圍；通過在選定的至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內發送具有第一帶寬特徵的一個或多個分別的第一RF脈衝來激勵諧振設備；監測所述諧振設備對一個或多個第一RF脈衝的響應用來確定所述諧振設備輻射的能量總數是否超過了第一預先設定門限水平；並且如果所述諧振設備對在選定的至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內發送的一個或多個第一RF脈衝進行響應所輻射的能量總數沒有超過所述第一預先設定門限水平，則對至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內的另外的分別的搜索頻率範圍，重複所述的分割、激勵和監測的步驟直到所述諧振設備作為對一個或多個第一RF脈衝的響應所輻射的能量總數超過了所述預先設定門限水平。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中所述的第一指定頻率範圍對 應於該所述諧振設備的運行範圍。
3、 根據權利要求2所述的方法，在所述的分割步驟之前進一步包 括以下步驟通過發送一個或多個具有所述第一帶寬和對應所述諧振設備的運 行範圍的中心頻率的頻率特徵的初始RF脈衝來激勵諧振設備；並且監測所述諧振設備對所述一個或多個初始RF脈衝的響應用來確 定所述諧振設備輻射的能量總數是否超過了所述第一預先設定門限水 平。
4、 根據權利要求3所述的方法，其中所述至少兩個分別的第一搜 索頻率範圍包括第一搜索頻率範圍，其定義為從所述諧振設備運行頻 率範圍中的最低可能頻率到該諧振設備運行頻率範圍的中心頻率，和 第二搜索頻率範圍，其定義為從所述諧振設備運行頻率範圍的中心頻 率到該諧振設備運行頻率範圍的最高可能頻率。
5. 根據權利要求2所述的方法，在所述的分割步驟之前進一步包 括以下步驟通過發送一個或多個具有所述第一帶寬和對應所述諧振設備諧振 頻率的期望值的頻率特徵的初始RF脈衝來激勵諧振設備；並且監測所述諧振設備對所述一個或多個初始RF脈衝的響應用來確 定所述諧振設備輻射的能量總數是否超過了所述第一預先設定門限水 平。
6. 根據權利要求2所述的方法，其中所述至少兩個分別的第一搜索頻率範圍包括第一搜索頻率範圍，其定義為從所述諧振設備運行範 圍中的最低可能頻率到該諧振設備諧振頻率的期望值，和第二搜索頻 率範圍，其定義為從所述諧振設備諧振頻率的期望值到該諧振設備運 行頻率範圍的最高可能頻率。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述的激勵步驟包括發送一 串連續的所述第一 RF脈衝序列。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述的另外的分別的搜索頻 率範圍包括在選定的至少兩個分別的第一搜索頻率範圍內的至少兩個 更小的頻率範圍。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中監測所述諧振設備的響應的每個所述步驟進一步包括以下步驟得到至少兩個最大或最小幅度測量；並且 將所有測量的相位歸一化為預先設定的參考相位。
10. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟 將第二指定頻率範圍分割成至少兩個分別的第二搜索頻率範圍； 通過在選定的至少兩個分別的搜索頻率範圍內發送一個或多個具有第二帶寬特徵的第二 RF脈衝來激勵諧振設備，其中所述的第二帶寬 小於所述的第一帶寬；並且監測所述諧振設備對一個或多個第二 RF脈衝的響應用來確定所 述諧振設備輻射的能量總數是否超過了第二預先設定門限水平；並且 如果所述諧振設備對在選定的至少兩個分別的第二搜索頻率範圍內發送的一個或多個第二 RF脈衝進行響應所輻射的能量總數沒有超過所述第二預先設定門限水平，則對至少兩個分別的第二搜索頻率範 圍內的另外的分別的搜索頻率範圍，重複所述的分割、激勵和監測的步驟直到所述諧振設備作為對一個或多個第二 RF脈衝的響應所輻射 的能量總數超過了所述第二預先設定門限水平。
11、 根據權利要求10所述的方法，其中所述第二指定頻率範圍對 應於其中所述諧振設備對一個或多個具有所述第一帶寬特徵的第一RF 脈衝的響應超過了所述第一預先設定門限的搜索頻率範圍。
12、 根據權利要求10所述的方法，在所述的分割第二指定頻率範 圍步驟之前進一步包括以下步驟通過發送一個或多個具有第二帶寬和對應第二指定頻率範圍的中心頻率的頻率特徵的初始RF脈衝來激勵諧振設備；並且監測所述諧振設備對所述一個或多個具有所述第二帶寬特徵的初始RF脈衝的響應用來確定所述諧振設備輻射的能量總數是否超過了 所述第二預先設定門限水平。
13、 一種確定諧振設備最優詢問頻率的方法，所述方法包括以下 步驟通過在給定頻率範圍的多個不同頻率發送一個或多個具有由給定帶寬特徵的RF脈衝；在多個不同頻率的每個頻率得到所述諧振設備的幅度響應測量；通過一次或多次的隨後迭代重複所述的發送和得到步驟，其中在 每次隨後迭代發送的RF脈衝其特徵在於帶寬小於或等於先前迭代中 的脈衝帶寬，其中在每次隨後迭代發送的一個或多個RF脈衝所用的多 個不同頻率是所述先前迭代的給定頻率範圍的選定的子集。
14、 根據權利要求13所述的方法，其中所述傳輸步驟的所述第一 次迭代的給定的頻率範圍對應著所述諧振設備的運行範圍。
15、 根據權利要求13所述的方法，進一步包括確定所述得到步驟中是否有任何一個的幅度響應測量超過了預先設定值的步驟。
16、 根據權利要求13所述的方法，其中所述的發送和得到步驟的 每次迭代進一步包括確定在多個不同頻率的哪個特殊頻率得到最大的 幅度響應測量的另外的步驟。
17、 根據權利要求16所述的方法，其中每個所述後來迭代的給定 頻率範圍包含所述先前迭代的所述確定步驟中確認的所述特殊頻率。
18、 根據權利要求13所述的方法，其中在所述發送歩驟的每次迭 代中發送一個或多個RF脈衝所用的所述多個不同頻率包括所述給定 頻率範圍的中心頻率。
19、 根據權利要求13所述的方法，其中每個所述得到步驟進一歩 包括得到至少兩個最大或最小幅度測量；並且 將所有測量相位歸一化為預先設定的參考相位。
20、 根據權利要求19所述的方法，其中每個所述得到步驟進一步 包括將每個得到的所述最大或最小幅度測量擬合為具有已知時間常量 的衰減指數曲線的步驟。
21、 一種詢問諧振設備的方法，包括建立一個或多個搜索頻率範圍；在選定的所述一個或多個搜索頻率範圍內，通過以選定的頻率發送一個或多個RF脈衝來激勵諧振設備；確定所述諧振設備在每個分別的所述的選定頻率對一個或多個RF 脈衝的響應是否超過了第一預先設定值； 如果在所述的確定步驟，所述諧振設備的響應沒有超過預先設定 值，那麼將選定的一個或多個搜索頻率範圍分割成至少兩個新的搜索 頻率範圍並且重複所述的激勵、確定和分割步驟直到諧振設備的響應 超過了所述第一預先設定值。
22、 根據權利要求21所述的方法，其中所述建立步驟的所述一個 或多個搜索頻率範圍包括諧振設備的運行範圍。
23、 根據權利要求21所述的方法，其中在選定的一個或多個搜索 頻率範圍內以每個所述選定的頻率發送的一個或多個RF脈衝具有第 一相對寬的帶寬特徵。
24、 根據權利要求23所述的方法，進一步包括以下步驟建立一個或多個第二搜索頻率範圍；在選定的一個或多個第二搜索頻率範圍內以選定的頻率發送一個或多個具有第二帶寬特徵的RF脈衝來激勵諧振設備，其中所述第二帶 寬小於所述第一相對寬的帶寬；確定諧振設備在選定的一個或多個第二搜索頻率範圍的每個分別 的所述選定頻率上，對一個或多個RF脈衝的響應是否超過了第二預先 設定值；並且如果所述諧振設備的響應沒有超過所述第二預先設定值，則將選 定的一個或多個第二搜索頻率範圍分割成至少兩個新的搜索頻率範 圍，在所述第二搜索頻率範圍的組內重複所述的激勵、確定和分割步 驟直到所述諧振設備的響應超過了所述第二預先設定值。
25、 根據權利要求24所述的方法，其中所述一個或多個第二搜索 頻率範圍包含其中所述諧振設備對一個或多個具有所述第一相對寬的 帶寬特徵的RF脈衝的響應超過了所述第一預先設定值的搜索頻率範 圍。
26、 根據權利要求21所述的方法，其中在選定的所述一個或多個第二搜索頻率範圍內用來發送一個或多個RF脈衝的每個選定頻率包 括分別的搜索頻率範圍的中心頻率。
27、 根據權利要求21所述的方法，其中每個所述的分割步驟包括將每個所述的選定的一個或多個搜索頻率範圍分割成對應於所述先前 搜索頻率範圍的下半部的第一新頻率範圍以及對應於所述先前搜索頻 率範圍的上半部的第二新頻率範圍。
28、 根據權利要求21所述的方法，其中在所述的分割步驟建立的 每個新的搜索頻率範圍小於所述先前建立的所述一個或多個搜索頻率 範圍。
29、 根據權利要求21所述的方法，其中每個所述確定步驟進一步 包括得到至少兩個最大或最小幅度測量；並且 將每個得到的測量的相位歸一化為預先設定的參考相位。
全文摘要
詢問諧振設備時確定諧振頻率的方法，包括產生和發送各種帶寬的RF詢問脈衝用來激勵一個或多個SAW諧振器元件的步驟。初始RF詢問脈衝具有相對寬的帶寬，以能夠方便地確定諧振設備的諧振頻率的大體位置。然後，在已確定的諧振的大體位置附近發送具有更小帶寬脈衝的詢問脈衝用來縮小諧振位置的範圍。
文檔編號G01R23/16GK101401004SQ200680053787
公開日2009年4月1日 申請日期2006年10月17日 優先權日2006年1月19日
發明者G·P·奧布賴恩, 蒂森 J· 申請人:米其林技術公司;米其林研究和技術股份有限公司