CN102288339A - 温度、振动自补偿的无源无线声表面波扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于无源无线测量转矩的传感器，此传感器具备温度、振动补偿功能。本发明的无源无线扭矩传感器包括四个中心频率不同的声表面波谐振器、小型天线、传感器弹性轴。本传感器的声表面波谐振器，谐振器衬底采用石英，在衬底上沉积制作叉指换能器和反射栅，利用压电效应和逆压电效应进行声表面波的激发和接收。扭矩传感器四个声表面波谐振器按设计角度粘贴于弹性轴，弹性轴施加扭矩时，四个声表面波谐振器可各自检测自身粘贴方向的变形量，四个变形量通过处理方法可以得到温度、振动补偿后的扭矩信息。四个声表面波谐振器与天线连接，可以实现受力状态信息无线传输。本发明结构简单、体积小、重量轻、精度高、无源无线，适用于航空航天、传动机械、精密机床、重型车辆等重要轴类部件扭矩的无源无线测量。

Description

温度、振动自补偿的无源无线声表面波扭矩传感器

一、技术领域

本发明涉及一种温度、振动自补偿的无源无线扭矩传感器，此扭矩传感器采用声表面波技术。扭矩传感传感器作为微机电系统主要产品之一，在民用工业和国防军工领域有着广阔的应用前景。

二、背景技术

转矩是旋转动力机械的重要工作参数，转矩信号是动力机械运行状态监测、安全与优化控制、故障预报、寿命评估的主要信息来源。准确的转矩测量，能够为传动装置的设计提供科学的数据，能够对动力机械的功率输出是否达到设计值进行必要的检验，对动力机械的运行状况进行必要的监视和故障报警，为设备构件的破坏原因分析、寿命评估和强度储备提供基本数据。

目前转矩测量采用最多、最成熟的是基于应变片电测法。基于电阻应变片的转矩测量方法在测量电路供电和应变信息可靠传输等方面遇到很大难题。除应变片电测方法外，还有磁弹性式、磁电式、光电编码式、电容式、光纤式等多种转矩测量方法，但是针对传动装置在线测量它们都有自己的不足。

在这样的背景下，基于声表面波传感器的转矩测量技术显示出其独特的优势。声表面波传感器无需电池供电，传感的能量来自外界的电磁波，信号的输入和输出均采用非接触的无线方式，无需电线连接，真正实现了无源、无线的传感测量。此外，声表面波传感器具有如体积小、精度高、灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、易与数字化测试系统连接和易于检测到微小变化量等优点。特别适用于狭小空间，旋转部件转矩测量。

声表面波扭矩传感器在使用时，与其它传感器一样会受到温度及振动问题干扰。当仅采用单个声表面波谐振器作为扭矩传感器使用时，使声表面波波速变化的不仅是力学变化量，温度也会对声表面波波速变化产生影响。同样，声表面波器件粘贴的轴振动，振动干扰会引起SAW器件变形，从而影响最终测量结果。为此本发明提出一种方案很好解决了声表面波扭矩传感器温度及振动干扰问题。

三、发明内容

本发明的目的是提供在线测量扭矩的具备温度、振动自补偿功能的无源无线传感器，解决无线测量扭矩问题以及扭矩测量中温度、振动干扰问题。提供一种以声表面波谐振器为传感元的扭矩感器，实现了扭矩无源无线精确测量。

声表面波谐振器工作原理是：叉指换能器通过天线接收来自查询单元的电磁波，电信号通过换能器被转换成声表面波，声表面波向两边传播，再被反射栅反射。反射回的表表面波又被换能器转换回电信号，天线将电信号以电磁波形式传到远程发射询问信号的系统，由此实现无线测量。

如上所述，被天线传回的响应信号的信息内容包含了其中被测物理量的信息。所需检测的扭矩作用在压电衬底上，衬底沿长度方向发生形变，则声表面波在衬底上传播的速度发生变化，进而谐振器的谐振频率发生变化，检测频率的变化可以用于反映扭矩的变化。

本发明的目的是这样实现的：

采四个中心频率不同的单端声表面波谐振器，中心频率分别为429MHz、431MHz、433MHz、434MHz，工作于ISM频带。所述声表面波谐振器以ST切石英为衬底材料，以铝为IDT电极和反射栅材料。

将弹性轴铣削加工，在两面各加工出一个平台，用于粘贴谐振器。将四个谐振器呈“八”字形，两两粘贴于谐振器两侧，使谐振器与天线保持良好连接。传感器天线与查询电路天线均采用环形天线，弹性轴穿过环形天线中央，保持天线平行，从而天线辐射场在弹性轴旋转时保持相对静止。

查询电路分时激发四个谐振器，返回的信号按一定规则做差分或求和，从而消除温度、振动影响。

本发明的优点在于，本发明的转矩传感器自身可以实现温度、振动补偿，而且采用的无线无源测量方式可为特殊场合的转矩测量提供非常灵活的测量方案。声表面波传感器体积小，其压电特性使其无需外接电源，工作在射频段，实现无线收发，因而在扭矩测量领域具有非常大的应用潜力。

四、附图说明

图1本发明采用的声表面波单端谐振器

图2本发明温度、振动补偿的转矩测量布置方案

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：

如图1所示，为本发明采用的传感器单元。声表面波单端谐振器，主要由石英压电衬底、叉指换能器(IDT)、反射栅构成。

四个谐振器两两粘贴于弹性轴的两个平台上，如图2。谐振器1与谐振器2位于轴一面，谐振器3与谐振器4在另一面平台。与轴45°方向粘贴于平台表面，用以响应弹性轴表面应变。

(1)温度补偿方案

仅在轴上布置一个声表面波谐振器，传感器在被测力F及环境温度T的作用下，输出的频率可近似表示为：

$f(F,T)\≅f_0+f_0\mathrm{\α}(F-F_0)+f_0\mathrm{\β}(T-T_0)---\left(1\right)$

其中f₀为谐振器未受扰动时的谐振频率；α为谐振器的频率-力系数；β为频率-温度系数，F₀和T₀为初始条件。

为消除温度交叉敏感，选用两通道温度补偿方案，如图2。假设在同一个平台的正交的两个谐振器分别受最大拉和最大压应力。传感器的输出可以表示为：

Δf＝f₂-f₁＝(f_{0_2}-f_{0_1})+(f_{0_2}α₂-f_{0_1}α₁)(F-F₀)+(f_{0_2}β₂-f_{0_1}β₁)(T-T₀)                (2)

其中f₂和f₁分别为两个谐振器的谐振频率，f_{0_2}和f_{0_1}分别为两个谐振器的未受扰动时的初始频率，α₂和α₁分别为力敏感系数，β₂和β₁为温度敏感系数。两个方向的压力敏感系数大小相等互为相反数，同温下温度敏感系数相等。两个谐振器初始频率相近时：

Δf＝f₂-f₁≈(f_{0_2}-f_{0_1})[1+(α₂-α₁)(F-F₀)]＝(f_{0_2}-f_{0_1})[1+2α(F-F₀)]        (3)

通过将两个谐振器的频率做差频，式(3)表明温度干扰项基本消除，而且应力敏感系数为原来的两倍，即灵敏度提高一倍。

(2)振动补偿方案

弹性轴被测部位贴装单个SAW谐振器时，振动干扰会引起SAW器件变形，从而影响最终测量结果。为消除振动影响，在相对两侧布置中心频率不同的两个SAW谐振器，如谐振器1和谐振器3，施加如图2所示方向的转矩时，两个谐振器均受最大拉应力。存在振动影响时，两个谐振器应该受大小相等方向相反的振动影响，则两个谐振器的力敏感系数在振动作用下大小相等互为相反数。

假设传感器在垂直于纸面的振动作用时(温度影响暂不考虑)，输出的频率近似为：

$f_1+f_2\≅(f_{0\_2}+f_{0\_1})+f_{0\_1}{\mathrm{\α}}_1(F-F_0)-f_{0\_2}{\mathrm{\α}}_2(F-F_0)\≈f_{0\_2}+f_{0\_1}---\left(4\right)$

式(4)得到的即最大拉应力下振动补偿后的频率值，f_{0_2}和f_{0_1}分别为两个谐振器的未受振动扰动时的初始频率(可以受其它形式力)。

对温度补偿方案及振动补偿方案详细说明后，再4个谐振器具体布置详细说明。如图2所示，1对应中心频率为429MHz，2对应中心频率为433MHz，3对应中心频率为431，4对应频率为435MHz。

1和3或2和4做振动补偿，得到1和3，2和4的频率和，且这两个值仅受扭矩和温度影响。

f₁+f₃＝f₁′，f₂+f₄＝f₂′                                                (5)

由扭矩施加方向可知，1和3是受拉的，频率都减小；2和4是受压的频率增大。下一步对振动补偿后的结果，进一步做温度补偿，由于四个谐振器都在同一温度场中，受温度影响的敏感因子相同。此时，做温度补偿可得下式：

f₂′-f₁′＝Δf                                                    (6)

式(6)即得到振动和温度补偿后的频率差。

由于声表面波频率与扭矩有特定的对应规律，可以通过频率变化，得到施加扭矩的变化。

需要注意的是，四个谐振器的频率结果不是同时获得的，以上只是理想情况。具体实施应该采用分时激发的方法，分别得到四个谐振器的频率值，再做上述处理。此方法在，采集处理时间足够，满足测量要求时，可以获得良好的补偿效果。

Claims (7)

1.一种带温度、振动自补偿的声表面波扭矩传感器，其特征在于：它包括四个中心频率不同的声表面波谐振器、小型天线、弹性轴。

2.根据权利要求1所述的四个声表面波谐振器，其特征在于：谐振器谐振频率分别为429MHz、431MHz、433MHz、435MHz，谐振器衬底材料选用ST切石英压电材料。

3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，该传感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铝金属电极。

4.根据权利要求1所述的声表面波扭矩传感器，其特征在于：此传感器可实现无源无线传感。

5.根据权利要求1所述的弹性轴，其特征在于：材料为45钢，弹性轴直径20mm，弹性轴上两个有铣削加工的平台。

6.根据权利要求1所述的小型天线，其特征在于：天线为环形天线。

7.根据权利要求5所述的平台，其特征在于：两个平台位于轴的对面，两个平台面平行。

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