Wireless readout method for resonant sensors based on instantaneous frequency measurement

Drahtloses Erfassen verschiedener physikalischer Größen, wie Temperatur, Kraft und Drehmoment, ist bereits heute eine wichtige Aufgabe der industriellen Messtechnik und wird durch die fortschreitende Automatisierung auch in anderen Gebieten stetig relevanter. Einen vielversprechenden Ansatz stellen dafür resonante Hochfrequenz-Sensoren dar, beispielsweise basierend auf akustischen Oberflächenwellen (SAW-Sensoren). Diese rein passiven Sensoren sind extrem robust und können auch unter schwierigsten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Bisher scheitern jedoch viele Anwendungen dieser zukunftsträchtigen Technologie an den aufwendigen und teuren Lesegeräten, die zum Abfragen der Sensoren benötigt werden. Die vorliegende Arbeit stellt deshalb ein neues drahtloses Ausleseverfahren für resonante Sensoren vor, bei dem erstmalig das Prinzip der instantanen Frequenzmessung (Augenblicksfrequenz- bzw. Momentanfrequenzmessung) verwendet wurde, um das Antwortsignal des Sensors auszuwerten. Durch diesen interferometrischen Ansatz lassen sich hohe Messwertaktualisierungsraten mit deutlich reduziertem Hardwareaufwand realisieren. Um Nichtidealitäten sowie Einflüsse von Temperatur und Alterungseffekte der analogen Hardwarekomponenten zu minimieren, wurde eine In-situ-Linearisierung verwendet, die bekannte Referenzsignale einspeist, um damit systematische Fehler in den nachfolgenden unbekannten Messungen digital zu kompensieren. Ein Kernpunkt dieser Arbeit stellt die detaillierte theoretische Untersuchung zur Systemauslegung sowie den Systemgrenzen und Fehlerkompensationsmöglichkeiten des vorgeschlagenen Verfahrens dar. Dazu wurden alle Einzelkomponenten inklusive möglicher Quereinflüsse im Gesamtsystemkontext evaluiert und neben internen Fehlerquellen auch externe Störeinflüsse betrachtet. Dabei wurden entscheidende neue Erkenntnisse für den praktischen Einsatz dieses innovativen Messkonzeptes erlangt, die sich zum Entwurf eines optimierten Gesamtsystems nutzen lassen. Um die Realisierbarkeit des Konzepts zu zeigen, wurden Laboruntersuchungen durchgeführt und ein Systemdemonstrator im 2,4-GHz-Frequenzband entworfen und evaluiert. Dieser konnte mit einfacher Schaltungstechnik eine 3-Sigma-Präzision der Frequenzmessung unter 2 Millionstel (ppm) bei 1000 Messungen pro Sekunde erreichen. Zusammen mit der unkomplizierten Signalverarbeitung werden dadurch neue Maßstäbe hinsichtlich kostengünstiger Realisierungsmöglichkeiten gesetzt und enormes Potential für verschiedene industrielle, automotive und medizinische Anwendungen demonstriert.Wireless acquisition of various physical quantities, such as temperature, force and torque, is already an important task in industrial metrology and is becoming more and more relevant in other areas as a result of the increasing automation. Resonant high-frequency sensors, for example based on surface acoustic waves (SAW sensors), are a promising approach. These purely passive sensors are extremely robust and can be used even under the most difficult environmental conditions. So far, however, many applications of this innovative technology cannot be realized due to the complex and expensive reading devices required to interrogate the sensors. The present work therefore presents a new wireless readout method for resonant high-frequency sensors, using the concept of instantaneous frequency measurement for the first time to evaluate the response signal of the sensor. This interferometric approach allows high measurement update rates with significantly reduced hardware requirements. In order to minimize non-idealities as well as influences of temperature and aging effects of the analog hardware components, an in-situ linearization was used which feeds known reference signals to digitally compensate systematic errors in the following unknown measurements. A core topic of this work is the detailed theoretical investigation of the system design as well as the system limits and error compensation possibilities of the proposed method. For this purpose, all individual components including possible cross-influences were evaluated in the overall system context and, besides internal error sources, external interferences were also considered. Thereby decisive new findings for the practical application of this innovative measuring concept were obtained which can be used for the design of an optimized overall system. In order to demonstrate the feasibility of the presented concept, laboratory investigations were performed and a system demonstrator in the 2.4 GHz frequency band was designed and evaluated. Using simple circuit technology, the system demonstrator was able to achieve a 3 sigma precision of the frequency measurement of less than 2 parts per million (ppm) at 1000 measurements per second. Together with the low complexity signal processing, this sets new standards in terms of cost-effective implementation possibilities and demonstrates huge potential for various industrial, automotive and medical applications