摘要：本文闡述了聲表面波無源無線傳感器的分類、原理和特點，詳細(xì)介紹了聲表面波無源無線傳感器的發(fā)展歷史、成功應(yīng)用實例和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了該傳感器與其它傳感器相比的優(yōu)勢和存在的不足之處，展望了研究的學(xué)術(shù)意義和潛在的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：聲表面波傳感器；無源無線傳感器；諧振器；延遲線；編碼器
中圖分類號：tp212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a

一、前言
對環(huán)境、對象狀態(tài)的感知，是人類智能的重要特征。模仿人的感覺功能的智能化傳感，是現(xiàn)代傳感技術(shù)的前沿和重要的研究內(nèi)容之一。隨著智能化、自動化技術(shù)發(fā)展，以及智能結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)的深入研究，人們希望現(xiàn)代的智能結(jié)構(gòu)單元和系統(tǒng)能夠自診斷、自適應(yīng)和自控制。

在智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)技術(shù)的研究中，國外有關(guān)專家提出“粒子標(biāo)記”技術(shù)[1]，就是在工程材料中加入對特定的物理、化學(xué)參數(shù)敏感的物質(zhì)微粒。這樣，當(dāng)這些材料形成工程結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)本身對這些參量的變化就具有隨結(jié)構(gòu)空間分布的敏感特性。尋求合適的標(biāo)記粒子是實施這項技術(shù)的關(guān)鍵，而更重要的是這些標(biāo)記信號（敏感輸出）應(yīng)能夠用比較容易的方法讀出，才能形成實用的敏感材料和結(jié)構(gòu)。所以把一些能夠無源無線工作，特別是具有自供電和自診斷功能的敏感元件埋入工程材料中，較之埋入敏感的物質(zhì)微粒，能夠更容易地獲得敏感輸出信號，這是實現(xiàn)智能敏感材料、智能敏感結(jié)構(gòu)切實可行的方法。

二、無源無線傳感器分類、原理和特點
在傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，對于許多傳感器應(yīng)用的特殊場合，傳感器和被測單元間的連線通常是無法實現(xiàn)的，例如，用連線傳感器進(jìn)行滑環(huán)、電刷、電機轉(zhuǎn)子和許多運動物體的參量測量時，會產(chǎn)生許多的機械問題和電路問題，會出現(xiàn)中斷、噪聲，甚至根本無法進(jìn)行測量[2]。再如，直升飛機旋轉(zhuǎn)時螺旋槳尖端速度和角速度的測量，汽車碰撞時車內(nèi)加速度的測量[3]，汽車輪胎內(nèi)部壓力、溫度和摩擦的測量等[4]，也是不能采用連線的方式，因此，必須采用無線傳感器來實現(xiàn)測量。

無線傳感器按供能方式不同可分為兩種：有源和無源傳感器。前者由于有電池等電源供電，傳感距離非常遠(yuǎn)，可采用各種電路，控制和處理方便、靈活，目前已廣泛應(yīng)用。然而，對于許多不能提供電源，需長期監(jiān)測的場合，或電池不易更換的傳感位置和易燃易爆等危險場合的應(yīng)用，這種有源的無線傳感器顯然不能實用。無源傳感器沒有電源（如電池）直接供電，它是靠電磁波的能量維持傳感器工作的。該類傳感器根據(jù)能量耦合方式又可分為兩類：電感線圈耦合型和天線型。

利用電感線圈耦合供能的傳感器和應(yīng)答器作為身份監(jiān)測器，已廣泛用于商場、圖書館、機場的物品管理和智能化的交通系統(tǒng)中。然而采用線圈等電磁耦合方式，能量主要集中在線圈中心很近的區(qū)域，其傳感的距離很近，1m的距離已是遙耦合，1m以上遠(yuǎn)距離系統(tǒng)更是非常罕見[5]。并且，耦合的電能直接提供給傳感器和處理電路，因此，要求發(fā)射的能量非常大。按國際標(biāo)準(zhǔn)iso 14443(7cm～15cm近耦合ic卡)和iso 15693(1m疏耦合ic卡)，此時的場強分別為：1.5a/m≤h≤7.5a/m和115ma/m≤h≤7.5a/m。

天線型傳感器采用天線收集空間的電磁能量，然后高效地轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。它能感知被測量的大小，然后，將被調(diào)制的傳感量通過天線高效地轉(zhuǎn)化成電磁能量發(fā)送給遠(yuǎn)端的接收系統(tǒng)，實現(xiàn)無源無線的傳感和測量。由于能量轉(zhuǎn)換方式的不同，從理論上它比電感耦合的傳感器有更遠(yuǎn)的測量距離。目前，聲表面波器件是將天線的電磁能直接、高效轉(zhuǎn)換為聲能進(jìn)行傳感的最佳器件之一。如重慶大學(xué)研制的144mhz無源無線聲表面波傳感器系統(tǒng)，采用半波長偶極子天線時，傳感距離已達(dá)10m以上。

1965年，white等人首次在壓電基片上制作金屬叉指換能器，并在叉指換能器上施加交變電場，使基片上激發(fā)出聲表面波。聲表面波在基片上傳播，其傳播路徑上的叉指換能器將聲表面波再次轉(zhuǎn)換成電磁波信號[6]。由于聲表面波的傳播速度只有電磁波傳播速度的十萬分之一，所以壓電基片上叉指換能器的這一功能適合于電子模擬信號處理技術(shù)，能實現(xiàn)多種模擬信號處理功能。

聲表面波無源無線傳感器和目標(biāo)識別器的研究是上世紀(jì)80年代中后期開展起來的新興研究領(lǐng)域[1]。聲表面波器件的電－聲、聲－電轉(zhuǎn)換和高效蓄能特性為聲表面波器件的無源無線應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。由于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，叉指換能器能夠?qū)㈦姶挪ê吐暠砻娌ㄏ嗷マD(zhuǎn)換，即實現(xiàn)機電能量互換。由于聲表面波的頻率至少大于10mhz，屬于電磁波射頻范圍，所以聲表面波器件可以直接從空間耦合射頻電波，實現(xiàn)無源、無線工作方式。聲表面波器件的這一特性結(jié)合它的二元以及多元編碼功能，首先被用作無線非接觸識別器[2]。

聲表面波傳感器按檢測原理分為兩種類型：延遲型和諧振型。

延遲型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)上有許多形式，主要有編碼延遲線（或掃頻延遲線）和帶反射柵的延遲線結(jié)構(gòu)，如圖1。前者的激勵信號主要采用編碼脈沖或掃頻信號方式，而后者則多采用沖