具有防碰撞识别功能的无源无线乐甫波液体多参数传感研究

In many applications of liquid sensing, people are concerned about not the measurement of only a certain characteristic parameter of liquid, but the measurement of all the characteristic parameters of liquid at the same time. The Love wave device is suitable for liquid sensing, which has passive and wireless functions with reader and antennas. But the effective methods of amplifying the echo signals must be considered, and the anti-collision identification is a problem. Based on the background mentioned above, this project designs a new type Love wave device. The Love wave device utilizes the piezoelectric film as guided layer, and the phase modulation is introduced for the design of the inter-digital transducer. Several inter-digital transducers are paralleling and two liquid sample zones with different interface electrical boundary conditions are placed between different inter-digital transducers. The research contents of this project include the mechanism analysis, the device design, the design of the reader transmit signal, the processing of the reader echo signal, the circuit design of the reader and the miniaturization of the antennas. The purpose of the research is to achieve the parallel sensing of liquid density, viscosity, permittivity and conductivity by one Love wave device, eliminating the influence of the environmental temperature, possessing the anti-collision identification function. The research works would have important significances in the fields of liquid sample batch sensing such as biomedicine, food safety, environmental protection, and etc.

在许多液体检测场合，不仅关注对液体某单个特征参数的敏感，还希望能够并行敏感液体的多个特征参数。乐甫波器件适于液体传感，在阅读器和天线的配合下具有无源无线功能，但是需要采取各种有效的方法来增强回波信号，并且需要解决防碰撞识别问题。针对上述研究背景，本项目设计了一种新型的乐甫波器件，以压电薄膜作为波导层，在叉指换能器的设计中引入相位加权方法，采用多个叉指换能器并联、两个界面电学结构不同的液体敏感区分别置于不同叉指换能器之间的结构。本项目的研究内容包括该新型乐甫波器件的机理分析和器件设计，阅读器的发射信号设计和回波信号处理，以及阅读器的电路设计。其研究目标是通过该新型结构的单个乐甫波器件实现对液体密度、粘度、介电常数、电导率的无源无线并行敏感，并且具有防碰撞识别功能。其研究工作对于诸如生物医学、食品安全、环境保护等领域的批量液体试样检测具有重要意义。

在许多液体检测场合，不仅关注对液体某单个特征参数的敏感，还希望能够并行敏感液体的多个特征参数。乐甫波器件适于液体传感，在阅读器和天线的配合下具有无源无线功能，但是需要采取各种有效的方法来增强回波信号，并且需要解决防碰撞识别问题。. 针对上述研究背景，本项目的研究内容包括机理分析、器件设计和阅读器设计三个部分。. 1) 在机理分析方面，完整建立了“压电基底-压电薄膜”双压电结构包括9种不同组合耦合方式的乐甫波理论分析模型，编写的仿真软件包可以作为乐甫波器件的优化设计工具；提出了用于液体多参数并行检测的两级级联式人工神经网络方法，与波兰科学院和日本静冈大学提出的使用目标函数对液体密度、粘度并行检测的方法相比，不仅实现了对液体密度、粘度、介电常数、电导率四个参数的并行检测，而且检测精度更高。. 2) 在器件设计方面，设计和验证了基于相位调制叉指换能器的声波器件的防碰撞功能，为解决声波器件的防碰撞识别问题提供了一种新思路；对相关叉指换能器的对称性及叉指稀化问题进行了仿真及实验研究；提出了采用基于ADS半物理平台的声波器件测试方法，并通过实验测试验证了该平台的有效性，可用于检定声波器件、评估器件的制作性能，对于后续声波器件制作工艺的改进也有着明确的指导意义；设计、制作了一种双通道双端延迟线型声波器件，仅用一个声波器件实现对液体四个特征参数的并行敏感。. 3) 在阅读器设计方面，采用了射频直接欠采样数字正交解调方案，不仅结构简单、成本低，而且对声波器件的无线传感和射频识别也更加稳定和准确；实现了网络分析仪的扫频功能，为声波器件突破实验室使用局限、实现工业在线应用打下了基础。. 本项目的开展对于诸如生物医学、食品安全、环境保护等领域的液体试样检测具有显著意义。