諧振頻率的跟蹤設備的製作方法
2023-07-24 20:27:41 1
專利名稱：諧振頻率的跟蹤設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及跟蹤電諧振結構的變化的諧振頻率的設備和方法。更具體地說，本發明涉及這類結構遠離驅動和傳感電子電路安裝的應用。
與本發明最為接近的現有技術是確定銣充氣光電管原子時鐘(型號304BR Rubidium Frequency Standard，Tracor Inc.1968)內銣電子的激勵頻率的技術。在閉合充氣光電管內的銣原子是由甚高頻的交變電磁場激勵的。如果頻率與銣原子的外電子層中的電子的自旋頻率嚴格一致，那麼電子將改變能態。為了測量這一變化，把光學射線照射透過該光電管，並且用光電二極體檢測。光強在原子被正確的頻率激勵的時候處於最小值。為了檢測該最小值，向諧振點的兩側偏離掃頻諧振頻率稍許，並且光電檢測器的輸出作為反饋施加在激勵頻率上，使最小光強得以保持。
儘管該現有技術的基本原理類似於本發明，本發明的技術領域與之根本相異並且所實施的方法完全與之不同。本發明的目的是跟蹤諧振頻率隨時間連續改變的電諧振結構的諧振頻率。該結構的一個例子是我們的歐洲專利0518900中描述的用作應變或溫度傳感器的聲表面波(SAW)諧振器。
根據一方面，本發明是跟蹤電諧振結構的變化諧振頻率的設備，其特徵在於它包括一個可變頻率振蕩器，該可變頻率振蕩器提供具有包容了所述諧振結構的可能諧振頻率範圍的可變頻率的激勵信號；雙向RF傳輸線，它將所述可變頻振蕩器和所述諧振結構連接在一起；定向耦合器，它被置於傳輸線內，產生與所述諧振結構的反射信號成比例的定向耦合器信號，所述定向耦合器信號由處理器調節以向可變頻率振蕩器的輸入端提供反饋信號，使得所述激勵信號的平均頻率連續地跟蹤所述諧振結構的變化諧振頻率。
優選的是對所述變化諧振頻率的跟蹤包括至少兩個功能，用於初始搜索所述諧振結構的可能諧振頻率範圍的第一搜索功能，以及一旦所述諧振結構的諧振建立，用於當所述可變諧振頻率以時間的函數變化的時候跟隨所述可變諧振頻率的第二跟隨功能。
優選的是在第一實施例中，所述處理器包括檢測所述定向耦合器信號的檢測器，用於有選擇整流檢測器相對於相位的輸出的同步整流器，具有驅動所述同步整流器的至少一個主頻輸出的頻率源，調節所述同步整流器的輸出的積分器，所述積分器的結果輸入到求和器中，所述求和器還從所述頻率源接收第二輸入以將反饋信號調製到所述可變頻率振蕩器，由此提供所述的跟隨功能。優選的是來自所述頻率源的所述第二輸入端與所述頻率源的所述主頻輸出同步。
優選的是所述頻率源還提供明顯小於所述主頻輸出的搜索頻率輸出。搜索頻率輸出輸入到所述積分器中由此導致所述可變頻率振蕩器在缺乏任何反饋信號的情況下掃頻過所述諧振結構的所述可能諧振頻率範圍。
優選的是監視所述可變頻率振蕩器的輸出，以指示所述電諧振結構的諧振頻率。另外來自所述積分器或求和器的輸出端的模擬信號可以用來指示所述諧振結構的諧振頻率。
優選的是在第二實施例中，所述處理器包括一個雙平衡混合器，該混合器接收來自所述定向耦合器的所述定向耦合器信號和來自所述可變頻振蕩器的所述激勵信號並且向用於調節的積分器提供與相位成比例的DC輸出，所述積分器的輸出用於提供所述反饋信號至可變頻率振蕩器，從而提供所述跟隨功能。
優選的是電諧振結構是至少部分由壓電材料構成的。適當的壓電材料包括石英和有方向取向的氧化鋅。
優選的是電諧振結構是由至少一個叉指陣列(IDA)電激勵的。包含有IDA的合適諧振結構是聲表面波(SAW)諧振器，淺體聲波(SBAW)諧振器或諸如此類的器件。優選的是諧振結構的可變阻抗是由IDA的間距或諧振結構的質量負載的變化產生的。
優選的是IDA間距的變化是由諧振結構的應變產生的。
優選的是諧振結構基本上剛性安裝在受應變作用的表面上，並且該應變因此傳遞給所述諧振結構。
所述表面的應變可以是由物理量引起的，比如施加的負載，施加的彎矩，施加的壓力，或者由溫度引起的熱膨脹。
對諧振結構的質量加載可以通過在特定流體存在的情況下將流體吸收到諧振結構的表面中，或者通過諸如溼度之類的物理量而引起的。
優選的是定向耦合器可以是變換器，麥克斯韋電橋(電線線路)或Lange耦合器。
優選的是RF傳輸線包含非接觸的在線耦合器，它可以是未調諧或經調諧的變換器，雷射性、光學性、電容性或RF耦合器。
或者，RF傳輸線是在頻率源和諧振結構之間的連續電導體。
優選的是電諧振結構安裝在受應變作用的旋轉件的表面上，採用在線的耦合器允許所述激勵信號和所述反射信號分別以非接觸的方式從或向所述旋轉件傳輸。
優選的是可變頻率振蕩器的輸出阻抗應當基本上共軛匹配到所述雙向RF傳輸線、諧振結構、定向耦合器和在線耦合器中任何一個。
根據第二方面，本發明是測量差分應變的裝置，它包含跟蹤相應兩個或多個電諧振結構的變化諧振頻率的兩個或多個設備，其特徵在於每個跟蹤設備包括一個可變頻率振蕩器，該可變頻率振蕩器提供具有包容了其各自諧振結構的可能諧振頻率範圍的可變頻率的激勵信號；雙向RF傳輸線，它將所述可變頻振蕩器和所述各自諧振結構連接在一起；所述傳輸線內置有一個定向耦合器，該定向耦合器產生與所述各自諧振結構的反射信號成比例的定向耦合器信號，所述定向耦合器信號由處理器調節以向可變頻率振蕩器的輸入端提供反饋信號，使得所述激勵信號的平均頻率連續地跟蹤所述各自諧振結構的變化諧振頻率。
優選的是所述兩個或多個設備的至少兩個可變頻率振蕩器的輸出為一個混合器提供輸入信號，該混合器的輸出用於指示與所述差分應變有關的差分頻率。
優選的是各個所述設備的所述兩個或多個諧振結構的諧振頻率彼此不同。或者所述兩個或多個諧振結構可以有基本上相同的諧振頻率。
現在參考附圖結合非限定性的例子來描述本發明，附圖中
圖1是描繪本發明第一實施例的簡要分布圖；圖2是圖1所示本發明第一實施例的處理器的內部組件的簡要分布圖，用於實現跟隨功能；圖3是圖1所示本發明第一實施例的處理器的內部組件的簡要分布圖，用於實現搜索功能；圖4是描繪本發明第二實施例的簡要分布圖。
圖1是本發明設備的第一方面的基本電路圖。變頻振蕩器(VFO)1經包含定向耦合器4的雙向RF傳輸線3，電連接至具有變化諧振頻率的電諧振結構2。定向耦合器4的輸出連接至處理器5的輸入端。如果結構2的諧振頻率能夠嚴格匹配VFO1所提供的頻率，那麼所有提供給結構2的能量將被結構2消耗，而沒有能量反射回VFO1。由於結構2的諧振頻率在其工作期間變化，VFO1提供的頻率不再匹配電路的諧振頻率，而能量將從結構2反射回VFO1。定向耦合器4的作用是測量該反射回來的能量。定向耦合器4可以優選是許多已知類型之一，包括變換器，麥克斯韋電橋(有時稱為電線線路)或Lange耦合器。定向耦合器4的輸出在下文被稱為定向耦合器信號11，它是與激勵頻率成頻率同步的，但是幅度和相位是按照結構2的諧振頻率和VFO1提供的激勵頻率之差值的函數調製的。定向耦合器信號11的幅度在源1提供的激勵信號的頻率和結構2的諧振頻率處於匹配狀態的時候為最小值，隨著結構的諧振頻率從匹配狀態慢慢偏離而增加。耦合器信號的作用不是指示結構2的諧振頻率是否高於或低於VFO1的頻率，而僅表明失配的絕對量。定向耦合器信號11相對於VFO1所提供的激勵信號的相位得出失配方向。通過利用從定向耦合器4接收的輸出信號，處理器5能夠控制VFO1的輸出，以便在任何時間點平均輸出頻率都等於結構2的諧振頻率，下文稱之為跟隨功能。對此更為詳細的說明請參見與本申請同日提交的題為「Apparatus for Measuring Impedance of a Resonant Structure」的共同未決的PCT專利申請。
該系統的一個替代性實施例可以包括一個位於VFO1和結構2之間的在線耦合器(未圖示)，它同樣在上述參考用的共同未決的PCT申請中描述。它能夠實現在結構2安裝在例如旋轉軸上的時候對其諧振頻率的無接觸測量。
結合圖1的圖2的作用是說明處理器5的能夠執行跟蹤功能的一個實施例。定向耦合器信號11由檢測器12整流，得出頻率與VFO1提供給諧振結構2的激勵信號相同的波形，該波形的幅度從零伏到最大值之間變化。解耦器13對定向耦合器信號11進行AC耦合，從而得到繞零伏對稱的波形。然後同步整流器14將該信號相對於主頻源15提供的同步輸入頻率(f1)整流。同步整流器14產生的輸出信號是一個其RMS DC電平是下列數值的函數，即(a)同步整流器14和主頻源15的輸入信號之間的相位差和(b)同步整流器14的輸入信號的幅度。同步整流器14的輸出被饋往積分器16，積分器的輸出正比於輸入信號的RMS值和時間的乘積。積分器16的輸出然後被提供給求和器17，該求和器17的第二輸入信號由主頻源15提供。因此求和器17的輸出是積分器16提供的直流值，其上疊加了主頻源15提供的交流分量。該輸出是提供給圖1 VFO1的控制信號，下文稱為反饋信號18。VFO1提供的激勵信號是一個頻率信號，該頻率信號的平均值是積分器16所提供的直流電平的函數，它有一個是主頻源15的主頻的函數的對幅度和頻率的頻率調製。這樣，VFO1所提供的激勵信號的平均頻率在任何時間點上都是結構1的瞬時諧振頻率，可以測量和加以顯示。或者，積分器16的輸出將提供正比於諧振頻率的模擬信號，該信號可以測量並加以校準以獲得諧振頻率的直接讀數。
圖3示意了對圖2所示的處理器進行補充的能夠執行搜索功能的一個實施例。構成處理器5的組件與圖2所示相同。對該電路所作的補充包括提供數值明顯低於主頻的搜索頻率(f2)的頻率源19，電壓參考源22，比較器21和根據比較器21的輸出結果工作的轉換開關20。當VFO1所提供的激勵信號的頻率明顯不同於結構2的諧振頻率時，同步整流器14的輸出將是較大的直流電壓。該輸出被提供給比較器21的一個輸入端，而其另一輸入端由來自源22的參考電壓(Vref)提供。如果同步整流器14的輸出電壓大於該參考電壓，那麼比較器21激活轉換開關20，該開關將積分器16的輸入端從同步整流器14斷開，並將它連接至頻率源19。在該模式下，積分器16的輸出不斷地從最小值掃掠到最大值然後返回。這使VFO1在將包容結構2的所有可能諧振頻率的頻段上掃掠激勵信號。當激勵信號頻率接近結構2的諧振頻率時，來自同步整流器14的輸出電壓將開始降落。當該電壓開始低於參考電壓的時候，比較器21將使轉換開關20無效，電路進入前文說明的跟隨功能模式。從搜索功能進入跟隨功能的轉換必須在激勵頻率充分接近諧振頻率的時候發生，以便允許跟隨功能跟蹤諧振頻率。提供給比較器21的參考電壓因此必須充分低的數值，以允許從搜索功能到跟隨功能的過渡成功進行。參考電壓的數值必須充分高，以使逼近諧振狀態的情況能夠被檢測到並且使轉換發生。來自比較器21的輸出可以利用於提供這樣的暗示，即儘管搜索功能被選用，VFO1提供的激勵信號的頻率並不是結構2的諧振頻率。
圖4是本發明的第二方面的實施例。兩個電諧振的結構24和29安裝在一個表面上，使得當該表面沿給定方向變形的時候在每個結構24和29上施加差分應變。每個結構24、29分別經雙向RF傳輸線23、28電連接至跟蹤設備，雙向RF傳輸線23和28分別包容有定向耦合器25、30。所述跟蹤設備分別包含VFO22，27及分別包含處理器31、26定向耦合器25、30的輸出分別連接到處理器31、26的輸入端。處理器31、26的操作在前文針對處理器5的說明中已有描述，只是增加了同步信號41以連接處理器31、26。同步信號41的目的是連接處理器26和31的主頻源。或者在未顯示的實施例中，一個主頻源可以向兩個處理器提供信號。
在一個替代性實施例(未表示)中，系統可以包括位於VFO22和27之間的在線耦合器，以及在前文提及的共同未決的PCT申請中有所描述的結構24和29。這在結構24和29安裝在例如旋轉軸上的情況下提供對其結構24和29的諧振頻率的無接觸測量。
VFO22和27的輸出信號輸入到具有兩個輸出端的混頻器32。第一輸出信號是兩個VFO22和27的激勵信號之間的頻率差，第二輸出是兩個VFO22和27的激勵信號頻率之和。通過針對如前描述的所有處理器同步主頻率源，所有VFO的頻率調製將同步，因此任何一對VFO之間的頻率差將不包括該調製。通過使結構24和29具有在不存在應變的狀態下不同的諧振頻率，來自混合器32的第一輸出將是表示兩個不存在應變的結構24和29之間的諧振頻率差的頻率。在對結構24和29所固定的表面上施加應變之後，在混合器的第一輸出端測得的頻率將上升或下降，從其中可以得出包含應變幅度和方向在內的信息。或者結構24和29可以採用基本上相同的諧振頻率，在該情況下僅獲得包含應變幅度的信息。
在上文提及的實施例中，電諧振結構2、24和29優選是聲表面波(SAW)諧振器，淺體聲波(SBAW)諧振器，或者類似的裝置，其部分由壓電材料如石英或有方向取向的氧化鋅組成。這些諧振器包括能夠電激勵諧振器的叉指陣列(「IDA」)。如前文提及的共同未決的PCT申請所討論的那樣，結構2的阻抗變化可以利用來測量感興趣的各種物理量。被測量物理量可以例如是由於對結構2基本上剛性安裝於其上的表面施加應變而傳遞到結構2的應變。該表面的應變可以例如是由諸如施加負載、施加彎矩、壓力或導致表面熱膨脹的溫度之類的物理量引起的。或者結構2的阻抗的改變可以直接通過溼度的改變，或者由特定流體的存在而導致流體被吸收從而對結構2質量加載所引起的。
本發明的設備和方法只要求各個VFO或更多的VFO提供非常低的信號激勵功率，以及可以將諧振結構遠離驅動和傳感電子電路而安裝。因此還適於其它希望激勵信號功率非常低的應用和場合，比如高溫和/或易爆性環境中，以測量諸如應變、負載、壓力、溫度、溼度和氣體的存在等等物理量。
應當為本領域技術人員所認識的是，在不偏離本發明的精神和範疇的前提下可以對本發明作出許多變型和修改。
權利要求
1.跟蹤電諧振結構的變化諧振頻率的設備，其特徵在於它包括一個可變頻率振蕩器，該可變頻率振蕩器提供具有包容了所述諧振結構的可能諧振頻率範圍的可變頻率的激勵信號；雙向RF傳輸線，它將所述可變頻振蕩器和所述諧振結構連接在一起；所述傳輸線內還置有一個定向耦合器，它產生與所述諧振結構的反射信號成比例的定向耦合器信號，所述定向耦合器信號由處理器調節以向可變頻率振蕩器的輸入端提供反饋信號，使得所述激勵信號的平均頻率連續地跟蹤所述諧振結構的變化諧振頻率。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於對所述變化諧振頻率的跟蹤包括至少兩個功能，用於初始搜索所述諧振結構的可能諧振頻率範圍的第一搜索功能，以及一旦所述諧振結構的諧振建立後，用於當所述可變諧振頻率以時間的函數變化的時候跟隨所述可變諧振頻率的第二跟隨功能。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其特徵在於所述處理器包括檢測所述定向耦合器信號的檢測器，用於有選擇地整流檢測器相對於相位的輸出的同步整流器，具有驅動所述同步整流器的至少一個主頻輸出的頻率源，調節所述同步整流器的輸出的積分器，所述積分器的結果輸入到求和器中，所述求和器還從所述頻率源接收第二輸入以調製到所述可變頻率振蕩器的反饋信號，由此提供所述的跟隨功能。
4.根據權利要求3所述的設備，其特徵在於來自所述頻率源的所述第二輸入與所述頻率源的所述主頻輸出同步。
5.根據權利要求3或4所述的設備，其特徵在於所述頻率源還提供明顯小於所述主頻輸出的搜索頻率輸出，並且搜索頻率輸出被輸入到所述積分器中由此導致所述可變頻率振蕩器在缺乏任何反饋信號的情況下掃頻通過所述諧振結構的所述可能諧振頻率範圍。
6.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於監視所述可變頻率振蕩器的輸出，以指示所述電諧振結構的諧振頻率。
7.根據權利要求3所述的設備，其特徵在於來自所述積分器或求和器的輸出端的模擬信號可以被用來指示所述諧振結構的諧振頻率。
8.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於所述處理器包括一個雙平衡混頻器，該混頻器接收來自所述定向耦合器的所述定向耦合器信號和來自所述可變頻振蕩器的所述激勵信號並且向用於調節的積分器提供與相位成比例的直流輸出，所述積分器的輸出用於提供所述反饋信號至可變頻率振蕩器，從而提供所述跟隨功能。
9.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於電諧振結構是至少部分由壓電材料構成的。
10.根據權利要求9所述的設備，其特徵在於所述壓電材料從石英或有方向取向的氧化鋅中選出。
11.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於電諧振結構是由至少一個叉指陣列激勵的。
12.根據權利要求11所述的設備，其特徵在於包含有至少一個叉指陣列的諧振結構是聲表面波(SAW)諧振器，淺體聲波(SBAW)諧振器或諸如此類的器件。
13.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於諧振結構的可變阻抗是由IDA的間距或諧振結構的質量加載的變化產生的。
14.根據權利要求13所述的設備，其特徵在於叉指陣列間距的變化是由諧振結構的應變產生的。
15.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於諧振結構基本上剛性安裝在受應變作用的表面上，並且該應變因此傳遞給所述諧振結構。
16.根據權利要求15所述的設備，其特徵在於所述應變是由位移，比如施加的負載，施加的彎矩，施加的壓力，或者由溫度引起的熱膨脹引起的。
17.根據權利要求15所述的設備，其特徵在於應變是在特定流體存在的情況下將流體吸收到諧振結構的表面中，或者通過諸如溼度之類的物理量而引起的。
18.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於定向耦合器是變換器，麥克斯韋電橋(電線線路)或Lange耦合器。
19.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於RF傳輸線包含非接觸在線的耦合器，該耦合器可以是未調諧或調諧的變換器，雷射性、光學性、電容性的或RF耦合器。
20.根據前述權利要求1-18中任何一項所述的設備，其特徵在於RF傳輸線是在頻率源和諧振結構之間的連續電導體。
21.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於電諧振結構安裝在受應變作用的旋轉件的表面上，採用在線的耦合器允許所述激勵信號和所述反射信號分別以非接觸的方式從或向所述旋轉件的傳輸。
22.根據前述任何一項權利要求所述的設備，其特徵在於是可變頻率振蕩器的輸出阻抗基本上共軛匹配到所述雙向RF傳輸線、諧振結構、定向耦合器和在線耦合器中任何一個。
23.測量差分應變的裝置，它包含跟蹤各自兩個或多個電諧振結構的變化諧振頻率的兩或多個設備，其特徵在於每個跟蹤設備包括一個可變頻率振蕩器，該可變頻率振蕩器提供具有包容了其各自諧振結構的可能諧振頻率範圍的可變頻率的激勵信號；雙向RF傳輸線，它將所述可變頻振蕩器和所述各自諧振結構連接在一起；所述傳輸線內置有一個定向耦合器，該定向耦合器產生與所述各自諧振結構的反射信號成比例的定向耦合器信號，所述定向耦合器信號由處理器調節以向可變頻率振蕩器的輸入端提供反饋信號，使得所述激勵信號的平均頻率連續地跟蹤所述各自諧振結構的變化諧振頻率。
24.根據權利要求23所述的設備，其特徵在於所述兩個或多個設備的至少兩個可變頻率振蕩器的輸出為一個混合器提供輸入信號，該混合器的輸出用於指示與所述差分應變有關的差分頻率。
25.根據權利要求23或24所述的設備，其特徵在於各個所述設備的所述兩個或多個諧振結構的諧振頻率彼此不同。
26.根據權利要求23或24所述的設備，其特徵在於所述兩個或多個諧振結構可以有基本上相同的諧振頻率。
全文摘要
跟蹤電諧振結構的變化諧振頻率的設備,其特徵在於包括一個可變頻率振蕩器,該可變頻率振蕩器提供具有包容了所述諧振結構的可能諧振頻率範圍的可變頻率的激勵信號;雙向RF傳輸線,它將所述可變頻振蕩器和所述諧振結構連接在一起;定向耦合器,它被置於傳輸線內,產生與所述諧振結構的反射信號成比例的定向耦合器信號,所述定向耦合器信號由處理器調節以向可變頻率振蕩器的輸入端提供反饋信號,使得所述激勵信號的平均頻率連續地跟蹤所述諧振結構的變化諧振頻率。通常對所述變化諧振頻率的跟蹤包括至少兩個功能,用於初始搜索所述諧振結構的可能諧振頻率範圍的第一搜索功能,以及一旦所述諧振結構的諧振建立,用於當所述可變諧振頻率以時間的函數變化的時候跟隨所述可變諧振頻率的第二跟隨功能。
文檔編號G01K7/32GK1244968SQ9718135
公開日2000年2月16日 申請日期1997年11月13日 優先權日1996年11月13日
發明者安東尼·朗斯代爾, 布賴恩·朗斯代爾 申請人:安東尼·朗斯代爾, 布賴恩·朗斯代爾