CN102175358A - 采用三层应力传递模型的无源无线声表面波应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三层应力传递模型的表面波应力传感器。本发明的声表面波应力传感器包括：压电衬底材料、叉指换能器、反向栅、小型天线、粘贴传感器用的胶粘剂。其中胶粘剂将声表面波谐振器粘贴在被测对象上。不同于传统的声表面波应力传感器，本发明建立了声表面应力传感器的被测结构基体-胶粘层-SAW谐振层的三层力学模型，推导了SAW传感器的应变传递公式和应变传递系数，得到影响SAW传感器测量结果的因素。影响传感器应变传递的主要因素是传感器的长度、胶粘层的厚度、弹性模量、SAW石英基体厚度等，胶层的厚度越薄、SAW谐振器的长度越长、材料的弹性模量越大，应变传感器的测量精度越好。本发明结构简单、体积小、重量轻、使用方便，适合于恶劣环境下应力无线遥测。

Description

采用三层应力传递模型的无源无线声表面波应力传感器

一、技术领域

本发明涉及一种基于三层应力传递模型的表面波应力传感器。此传感器可实现无源无线，具有体积小，重量轻，使用方便等优点，特别适合一些辐射，高温，空间狭小，运动等难以实现应力测量的场合，可广泛应用于航空、航天、武器、汽车、医疗、消费电子等领域。

二、背景技术

基于声表面技术的应力传感器是电子学、声学、微电子和天线技术相结合的成果，和其他传感器相比，声表面波气体传感器有很多优良的特性，具有适应恶劣环境、无线无源、体积小、重量轻、精度高、抗干扰力强、批量生产、成本低等优点。

声表面波应力传感器的工作原理是：叉指换能器通过天线接收来自无线查询单元的电磁波，电信号通过换能器转换成沿压电衬底表面传播的声表面波，声表面波向两端传播并被反射栅反射，反射回的声表面波通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，通过无线天线发送回无线查询单元。被天线传回的响应信号内容包含了其中被测物理量的信息。被检测的应力作用于压电衬底上，使得衬底沿长度方向发生形变，同时压电衬底上的声表面波传播性能发生改变，从而改变声表面波谐振器的谐振频率变化，通过检测声表面波谐振器的谐振频率的变化，就可以得到被测应力的变化。

当被用于测量力学量时，声表面波谐振器通常粘贴于被测物理表面。声表面波谐振器的频率随施加应力的变化而变化。在多数研究中，由于谐振器体积很小，通常认为谐振器测得的应变量的变化，即所测得的被测物体表面的应力的变化。工作的重点往往在SAW检测基本原理分析和研究，而胶粘剂在应变传递中的作用，以及从被测物体向谐振器应变量传递规律没有被考虑。

作为传感元件，粘贴式声表面波应变传感器本身并未受到外力的作用，结构材料的变形通过粘接剂传递到传感器，使其产生伸长或缩短，进而导致SAW波速发生变化并且谐振器沿长度方向产生应变。由于胶接层与石英相比，物理特性存在着较大的差异，结构的应变和应变传感器所测得的应变不一致。粘贴式SAW应变传感器与主体结构材料之间的应力和变形传递能力和效率，是发挥SAW传感优势的关键所在。因此，利用声表面波传感器对结构基体的应变进行准确测量，必须首先明确声表面波传感器和结构基体之间的应变传递关系。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种实现应力测量的声表面波传感器。涉及的三层应力传递模型，解决了声表面波应力传感器使用时应力传递的基本问题，对于传感器的贴装和封装的设计提供了一种新的思路。

本发明的目的是这样实现的：

一种单端口声表面波谐振器。以铝材料为叉指换能器和反射栅电极，以石英为压电衬底材料。声表面波谐振器被用作应力测量时，通常被粘贴于被测物体表面，胶粘层选用环氧粘合剂。环氧粘合剂具有优良的粘结强度，耐水和化学药品，电绝缘性好，固化收缩小，可使谐振器的蠕变、零漂小。

结构材料通过胶粘层把应变传递到SAW谐振器的过程中，部分能量损失在胶粘层中，因此的测量结果与结构实际应变存在偏差。主体结构与传感器不能同步变形，从而产生测量误差。

针对表面贴装式声表面波传感器应力检测中的测量误差问题，建立了表面式传感器力学模型，采用剪滞力方法，分析粘贴式声表面波传感器的应变传递规律，得到影响SAW传感器测量结果的因素。影响传感器应变传递的主要因素是传感器的长度、胶粘层的厚度、弹性模量、SAW石英基体厚度等。

本发明提出的三层传递模型，很好的解决了声表面波传感器应力测量时测量不准确的问题，分析了测量误差的来源，对声表面波应力传感器的粘装及封装方式具有重要意义。

四、附图说明：

图1粘贴式应力传感器三层结构图

图2应力应变单元体

图3沿长度方向应变及剪应力传递

图4改变主体结构厚度时应变传递率随参数的变化。

图5改变环氧胶粘材料厚度时应变传递率随参数的变化。

图6改变谐振器基体厚度时应变传递率随参数的变化。

图7改变环氧胶粘材料剪切模量时应变传递率随参数的变化。

图8改变谐振器长度时应变传递率随参数的变化。

五、具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

图1中，声表面波谐振器1通过环氧粘结剂2粘贴于被测主体材料3表面。在外力作用下，主体结构材料3两端承受拉力，而传感器层1和粘接层2的两端和自由表面无外加应力。传感器层1和粘接层2的两端不受应力，但三层之间界面剪切应力将结构材料层3的轴向应力传递到粘接层2和传感器层1，使SAW谐振器也承受轴向应力。

反映在的结构中应变传递的问题，可以建立三层模型并用剪滞力理论来分析应变传递的机理，分别为：SAW谐振器基体、胶层和主体材料，如图2。剪滞法应用于本发明中需采用如下假设：

1)在界面上，层与层之间结合完好，没有相对滑移；

2)谐振器的变形是由基体通过胶粘层的剪切变形来传递的，谐振器和胶接层均不直接受力；

3)谐振器、胶粘层和基体均为线弹性材料，不考虑其塑性变形；

4)谐振器和胶粘层只有轴向位移，没有径向位移。

基于上述假设，建立剪滞力模型平衡方程：

$\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_b}{\∂x}-\frac{{\mathrm{\τ}}_s}{t_b}=0$

$\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_c^o}{\∂x}+\frac{{\mathrm{\τ}}_s}{t_c}=0$

$\frac{3{\mathrm{\τ}}_s}{t_c}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_c^s}{\∂x}-\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_c^o}{\∂x}=0$

如图2中，其中σ_b为主体结构的应力，τ_s为胶层间的剪应力.上标‘o’，‘s’表示中性轴和表面。下标‘b’，’c’，’s’分别表示主体材料，谐振器，胶粘剂。

上述平衡方程，结合弹性力学中应力应变关系，应变位移关系，结合边界条件，解方程可得到谐振器应变与结构基体材料施加应变的比例关系。

图3a为给定材料常数与边界条件时，谐振器相对于结构基体材料的正应力分布曲线，中间部位SAW内的正应力为均匀分布，但在两端位置急剧减小。中间段应变均匀，而且两端应变不完全传递，此范围内SAW应变滞后于基体应变。

图3b剪应力集中在边缘，界面剪应力最大。可见剪应力主要存在于传感器的两端位置，中间段剪应力为零。

表1 各层材料初始条件

图4至图8为在材料初始参数为给定的表1中的参数时。仅改变其中一个参数，应变传递率随参数的变化规律。在分析时，三层材料一律按长度、宽度尺寸相等处理。

如图4为仅改变主体结构厚度时应变传递率随参数的变化。

如图5为仅改变环氧胶粘材料厚度时应变传递率随参数的变化。

如图6为仅改变谐振器基体厚度时应变传递率随参数的变化。

如图7为仅改变环氧胶粘材料剪切模量时应变传递率随参数的变化。

如图8为仅改变谐振器长度时应变传递率随参数的变化。

图4至图8中所研究的参数，是在实际粘贴或封装时，直接影响应变传递率的参数。其它参数如钢主体结构材料弹性模量，石英弹性模量等均为固定值，因此没有进行剪滞力效果分析。

Claims (8)

1.一种基于三层应力传递模型的声表面波应力传感器，其特征在于：它包括压电衬底、叉指换能器、反射栅、天线、胶粘剂。

所述压电衬底、叉指换能器和反射栅构成声表面波谐振器。

所述胶粘剂将声表面波谐振器粘贴于被测对象上。

所述的三层模型分别针对被测对象层、胶粘层、谐振器层。

2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：谐振器谐振频率为434MHz，谐振器衬底材料选用石英压电材料，谐振器包括叉指换能器以及带状的反射栅，反射栅平行取向，反射栅和叉指换能器为铝金属电极。

3.根据权利要求1所述的胶粘层，其特征在于：胶粘层所选胶粘剂为环氧胶粘剂，属于热固性粘合剂，在指定测量位置对SAW谐振器进行粘贴后进行高温固化操作，温度超过120℃，保持数小时。

4.根据权利要求1所述的声表面波应力传感器，其特征在于：影响传感器应变传递的主要因素是声表面波谐振器的长度、胶粘层的厚度、弹性模量、SAW石英基体厚度。

5.根据权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于：该传感器还包括封装结构，隔离粉尘等对谐振器性能的影响。

6.根据权利要求1所述的小型天线，其特征在于：天线为贴片天线或其它小型天线。

7.根据权利要求1所述的声表面波应力传感器，其特征在于：此传感器可实现无源无线传感，声表面波压力传感器于天线相连接，无电源。

8.根据权利要求1所述的声表面波应力传感器，其特征在于：此传感器可测量拉应力或压应力。

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