JP7226275B2

JP7226275B2 - 物理量の無線測定システム

Info

Publication number: JP7226275B2
Application number: JP2019215972A
Authority: JP
Inventors: 卓也古市; 高裕工藤; 正雄窪田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: JP2021085796A

Description

本発明は、弾性表面波素子を用いて、検知対象物に作用する温度や圧力等の物理量を無線通信により測定する無線測定システムに関する。

従来、温度や圧力等の物理量により弾性表面波（SAW：Surface Acoustic Wave）の伝搬特性が変化することを利用して、これらの物理量を測定するセンサや測定装置が種々提供されている。
例えば、特許文献１に記載された圧力センサ及び圧力測定装置は、検知対象物に設置された無線無給電センサである圧力センサに対して、マスタ装置としてのコンピュータから読取装置、アンテナを介して駆動信号を無線にて送信し、圧力センサからの応答信号を読取装置が受信してコンピュータにより検知対象物に加わるガス圧（空気圧）を検出している。

上記従来技術では、コンピュータからの駆動信号を受信した圧力センサ内の櫛歯電極が弾性表面波を励起し、この弾性表面波が圧力基板上を伝搬して複数の反射電極により櫛歯電極方向に反射されると共に、櫛歯電極は、反射電極からの信号を応答信号に変換し、アンテナ及び読取装置を介してコンピュータに返信する。
ここで、検知対象物に加わる圧力が変化すると、圧力センサにおける弾性表面波の伝搬速度が変化し、これが応答信号に位相の変化として現れるため、コンピュータでは、駆動信号と応答信号との位相差（時間差）に基づいて検知対象物に加わった圧力を検知することができる。

また、特許文献２に記載された弾性表面波センサは、特許文献１と同様の原理により、弾性表面波の位相が変化することを利用して検知対象物の歪み及び温度を検知するために使用されている。

上述した特許文献１，２に開示された従来技術は、何れも位相の変化を検出して物理量を測定しているため、その信号処理方法としては、マスタ装置からセンサに対して送信した駆動信号とセンサからの応答信号とを比較して位相や周波数を解析する方法を採用している。

特許第５１０１３５６号公報（段落［００３３］～［００５０］等）特許第５３３３５３８号公報（段落［００５９］～［００６２］等）

特許文献１，２に記載された従来技術では、センサからの応答信号と同じタイミングで同一周波数帯域のノイズ（不要電波）が混入すると、応答信号に含まれる位相情報が乱れてしまい、物理量の測定が困難になるという問題がある。
また、上述したノイズの影響を低減するには、マスタ装置が応答信号を平均化処理する等の方法が考えられるが、平均化回数を多くすると平均化処理による時間遅れが増加して物理量の変化を迅速に把握することができなくなる。

そこで、本発明の解決課題は、センサからの応答信号にノイズが混入するような環境下においても、正常な応答信号のみを判別して高精度かつ迅速に物理量を測定可能とした物理量の無線測定システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、マスタ装置から送信された駆動信号により弾性表面波素子が弾性表面波を励起して、検知対象物に作用する物理量に応じた伝搬特性の応答信号を生成するセンサを備え、
前記マスタ装置が、前記駆動信号を送信して前記応答信号を受信する送受信手段と、前記応答信号から検出した前記伝搬特性の変化から前記物理量を算出する算出手段と、を有する無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、
前記駆動信号と前記応答信号との差分である差分信号と、予め記憶されたテンプレート信号と、を逐次比較し、前記差分信号と前記テンプレート信号との差分が所定の閾値を超えたときの当該差分信号に対応する応答信号をノイズ混入信号と判定すると共に、前記ノイズ混入信号を除く応答信号を用いて前記物理量を算出することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した物理量の無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、前記差分信号の振幅と前記テンプレート信号の振幅との差分が所定の閾値を超えたときの当該差分信号に対応する応答信号をノイズ混入信号と判定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した物理量の無線測定システムにおいて、
前記物理量が温度であり、前記算出手段は、周囲温度に応じて予め記憶された複数の前記テンプレート信号の中から測定時の周囲温度に対応するテンプレート信号を選択して前記差分信号との比較に用いることを特徴とする。

本発明によれば，センタ装置からセンサに送信した駆動信号とセンサからの応答信号との差分信号と、基準になるテンプレート信号とを逐次比較し、両者の差分を算出して所定の閾値と比較することにより、高ノイズ環境下においても正常な応答信号を判別して検知対象物に作用する物理量を正確に測定することができる。また、平均化処理等を行なわなくても応答信号の高ＳＮ比（信号対雑音比）を確保できるため、物理量をほぼリアルタイムに測定することができる。

本発明の実施形態に係る無線測定システムの全体構成図である。図１における弾性表面波素子の構成を示す模式図である。差分信号の振幅と応答信号の強度の一例を示す波形図である。ノイズが混入した場合の差分信号の振幅と応答信号の強度の一例を示す波形図である。本発明の実施形態において使用されるテンプレート信号の振幅の一例を示す波形図である。本発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。この実施形態は、弾性表面波素子を用いて検知対象物の温度を測定する無線測定システムに関するものである。
図１は、本実施形態に係る無線測定システムの全体構成図であり、図２は図１における弾性表面波素子の構成を示す模式図である。なお、無線測定システムや弾性表面波素子の構成は図示例に何ら限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜、変更することができる。

図１の無線測定システムは、マイクロコンピュータ等からなるマスタ装置１０と、弾性表面波素子２２を備えた温度測定用の無線無給電センサ（以下、単にセンサという）２０と、これらの両者間で電波を送受信するためのアンテナ１１，２１と、を備えている。なお、センサ２０は温度を検知するべき検知対象物に設置されている。

マスタ装置１０は、駆動回路１２と増幅回路１３と算出回路１４とを備えている。
駆動回路１２は、一定周期の送信タイミングにより高周波の駆動信号を発振し、この駆動信号は、アンテナ１１，２１を介してセンサ２０内の弾性表面波素子２２により受信される。
増幅回路１３は、駆動回路１２からアンテナ１１を介して送信した駆動信号とセンサ２０からアンテナ２１，１１を介して受信した応答信号との差分信号を増幅し、算出回路１４に出力する。

算出回路１４は、入力された増幅後の差分信号に基づいて検知対象物の温度を測定する。
上記差分信号は、弾性表面波素子２２により発生した弾性表面波の伝搬特性を反映しており、この伝搬特性の変化は検知対象物の温度変化に依存しているため、上記差分信号の伝搬特性から検知対象物の温度を測定することができる。なお、上記伝搬特性としては、駆動信号と応答信号との差分信号のほか、速度、位相、周波数、遅延時間等を用いてもよい。

駆動回路１２、増幅回路１３及び算出回路１４における各種の動作は、プロセッサやメモリ等によって実行される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory)、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つまたは複数の記憶媒体によって構成されている。これらのメモリには、後述するようにノイズの有無を判定するための複数のテンプレート信号や、応答信号の伝搬特性の算出時に基準となる伝搬特性を示す各種パラメータ、更には、応答信号の伝搬特性と検知対象物の温度との対応関係等をデータベースとして記憶しておいてもよい。

センサ２０内の弾性表面波素子２２は、図２に示すように、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板２２１の表面に、ＩＤＴ（Interdigital Transducers）電極２２２と反射電極２２３とを所定の間隔を置いて配置することにより構成されている。圧電基板２２１には、弾性表面波として、基板表面に対し垂直に振動するレーリー波を発生するものに限らず、基板表面に沿って進行方向に対し垂直に振動するＳＨ波を発生するものを用いてもよい。

圧電基板２２１の材質としては、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）等のリチウム化合物や水晶を用いることができる。
ＩＤＴ電極２２２は、一対の櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂを対向させ、一方の櫛歯電極２２２ａの電極片の間に他方の櫛歯電極２２２ｂの電極片を配置した構造を有し、一方の櫛歯電極２２２ａはアンテナ２１に接続され、他方の櫛歯電極２２２ｂは接地されている。ＩＤＴ電極２２２の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、金、プラチナ等が用いられる。なお、櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂの個々の電極片の数、幅、電極片相互のピッチ等は特に限定されるものではなく、励起効率を考慮して適宜変更することが可能である。
マスタ装置１０からの駆動信号がアンテナ２１を介してＩＤＴ電極２２２に入力されると、このＩＤＴ電極２２２において弾性表面波が励起される。

反射電極２２３は、上記櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂの各電極片と平行になるように複数の電極片を並置して構成されている。この反射電極２２３は、ＩＤＴ電極２２２から圧電基板２２１の表面を介して伝搬した弾性表面波をＩＤＴ電極２２２に向けて反射させる機能を有する。この弾性表面波の伝搬中に、検知対象物の状態、例えば温度に応じて弾性表面波の伝搬速度等の伝搬特性が変化し、反射電極２２３により反射した弾性表面波がＩＤＴ電極２２２に入力されることにより、センサ２０からマスタ装置１０に送信する応答信号が生成される。
反射電極２２３の個々の電極片の数、幅、電極片相互のピッチ等は特に限定されず、反射効率を考慮して適宜変更することが可能であり、反射電極２２３の材質には前記ＩＤＴ電極２２２と同じものを用いることができる。

次に、図３～図６を参照して、センサ２０からマスタ装置１０への応答信号にノイズが含まれる環境下においても、このノイズの影響を受けずに検知対象物の温度を正確に測定する手順について説明する。
図３は、増幅回路１３により増幅された差分信号の振幅、及びこの差分信号に基づいて算出回路１４が算出する応答信号の強度を示す波形図、図４は、応答信号にノイズが混入した場合の差分信号の振幅、及びこの差分信号に基づく応答信号の強度を示す波形図、図５は算出回路１４が用いるテンプレート信号の振幅を示す波形図、図６は本実施形態の動作を示すフローチャートである。

まず、マスタ装置１０の駆動回路１２から送信された駆動信号に対するセンサ２０からの応答信号が、算出回路１４に読み込まれる（図６のステップＳ１）。次に、応答信号の最大振幅が第１の閾値を超えていたら（Ｓ２ＮＯ）、その応答信号は除外することとしてステップＳ１に戻り、応答信号のサンプリングを再度行う。
応答信号の最大振幅が第１の閾値以下である場合（Ｓ２ＹＥＳ）、例えば、メモリ内の複数のテンプレート信号の中からその時の周囲温度に応じて選択したテンプレート信号を算出回路１４に読み込む（Ｓ３ａ）。

次いで、算出回路１４は駆動信号と応答信号との差分を求め、この差分信号とテンプレート信号との差分または移動標準偏差を算出し、その結果を所定のサンプリング周波数にてアナログ－ディジタル変換する（Ｓ３）。
ここで、応答信号にノイズが混入していない場合の差分信号が、例えば図３（ａ）に示すような時系列データであるとすると、この差分信号はその時の周囲温度に基づいて選択したテンプレート信号（一例を図５に示す）とほぼ同じ波形になる。また、この時の上記差分信号に基づいて演算した応答信号の強度は、図３（ｂ）に示すようにＳＮ比が大きく、後に抽出される位相情報等のばらつき、ひいては温度測定値のばらつきも小さいものとなる。

これに対し、無線温度測定システムが使用している電波と同一周波数帯域の不要電波が混入するようなノイズ環境下では、差分信号が例えば図４（ａ）に示すようになり、これに基づく応答信号の強度も図４（ｂ）のようになる。
すなわち、応答信号はノイズの影響を受けることでＳＮ比が小さくなり、抽出される位相情報等のばらつき、ひいては温度測定値のばらつきが大きくなる。検知対象物の温度を正確に測定するためには、このようにノイズが混入した差分信号、言い換えれば応答信号を除外する必要がある。

そこで、本実施形態では、前述のステップＳ３により算出した差分または移動標準偏差を第２の閾値と比較し、第２の閾値を超える場合には（Ｓ４ＮＯ）、応答信号にノイズが混入していると判断してステップＳ１に戻り、応答信号のサンプリングを再度行うこととし、差分または移動標準偏差が第２の閾値以下である場合の応答信号（ノイズ混入信号ではない正常な応答信号）のみを温度測定に用いることとした（Ｓ４ＹＥＳ）。

算出回路１４は、ノイズが混入していない応答信号を対象として、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）等の演算処理により応答信号のピークを探索してその強度を算出し（Ｓ５）、センサ２０における弾性表面波の伝搬時間や伝搬位相情報等を抽出する（Ｓ６）。そして、これらの情報とメモリに記憶された各種パラメータとを用いて、センサ２０により検出した検知対象物の温度を算出する（Ｓ７）。

なお、本発明は、検知対象物の温度だけでなく、検知対象物に作用する圧力や歪み等を測定することも可能である。

１０：マスタ装置
１１：アンテナ
１２：駆動回路
１３：増幅回路
１４：算出回路
２０：センサ
２１：アンテナ
２２：弾性表面波素子
２２１：圧電基板
２２２：ＩＤＴ電極
２２２ａ，２２２ｂ：櫛歯電極
２２３：反射電極

Claims

マスタ装置から送信された駆動信号により弾性表面波素子が弾性表面波を励起して、検知対象物に作用する物理量に応じた伝搬特性の応答信号を生成するセンサを備え、
前記マスタ装置が、前記駆動信号を送信して前記応答信号を受信する送受信手段と、前記応答信号から検出した前記伝搬特性の変化から前記物理量を算出する算出手段と、を有する物理量の無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、
前記駆動信号と前記応答信号との差分である差分信号と、予め記憶されたテンプレート信号と、を逐次比較し、前記差分信号と前記テンプレート信号との差分が所定の閾値を超えたときの当該差分信号に対応する応答信号をノイズ混入信号と判定すると共に、前記ノイズ混入信号を除く応答信号を用いて前記物理量を算出することを特徴とする物理量の無線測定システム。
請求項１に記載した物理量の無線測定システムにおいて、
前記算出手段は、前記差分信号の振幅と前記テンプレート信号の振幅との差分が所定の閾値を超えたときの当該差分信号に対応する応答信号をノイズ混入信号と判定することを特徴とする物理量の無線測定システム。
請求項１または２に記載した物理量の無線測定システムにおいて、
前記物理量が温度であり、
前記算出手段は、周囲温度に応じて予め記憶された複数の前記テンプレート信号の中から測定時の周囲温度に対応するテンプレート信号を選択して前記差分信号との比較に用いることを特徴とする物理量の無線測定システム。