CN104007288B - 基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，包括密封连接的壳体和壳盖，还包括压电基片、压电薄膜、基座和三个声表面波谐振器，压电薄膜设在压电基片的上表面，基座固定在壳体内的底面上，压电基片的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜的一端和压电基片的固定端均固定在基座上，且高于壳体内的底面；至少有一个声表面波谐振器设在压电薄膜的上表面，剩余的声表面谐振器设在压电薄膜和压电基片之间；三个声表面波谐振器谐振频率各不相同；三个声表面波谐振器所产生的声表面波均在x方向传播，而所述x方向是指沿着压电基片的固定端向压电基片的悬伸端的伸出方向。本发明具有能够监测加速度和温度，以及测量精度高的优点。

Description

基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器

技术领域

本发明具体涉及一种基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器。

背景技术

现有实时结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）是许多工业过程控制的关键。在许多工业应用中，监测运动状态下机械部件的健康状况，如对高速列车车轮的负荷轴承的振动状态的实时监控，是非常重要的。用基于状态的维修（Condition BasedMaintenance, CBM）来替代目前的按计划检修（Schedule Based Maintenance, SBM）是降低维护及运营成本的一种有效方法。在所有这些情况下，采用多种类型的传感器进行实时健康监测是最大限度地保持连续运行时间的关键。结构紧凑、无线和无源的传感器特别适用于在危险的环境中，如在室外恶劣天气环境下、高温、高电磁辐射等环境下连续实时地进行实时结构健康监测。这些小型的无线无源传感器可以不断实时地监视设备的健康状态，并在关键物理量超过了特定的范围时向中央控制室提供报警信号。

基于声表面波（SAW）的传感器，外形尺寸小、无线、无源，很适合于这类结构健康监测应用。基于SAW的传感器是完全无源（无电池）的，有很高的可靠性。与无线读写器配合，这些无源传感器的读出距离可达到5米以上。

由于压电特性对外部环境变化的高灵敏度，SAW器件，如延迟线、反射延时线和谐振器，非常适合用于测量应力、应变、温度、压力、加速度、振动，和其他物理量。在通常情况下，SAW器件是在压电基底上制作的，它包括一个或多​​个可将施加的电信号转换成声表面波，再将声表面波转换为电信号的叉指式换能器（IDT）结构。

所有外部的物理量和/或化学成分都可导致可被基于SAW的传感器所监测到的压电基底材料特性的变化。取决于SAW传感器的设计结构，这样的外部物理量和/或化学成分的变化可以被识别出来，它们或者与SAW谐振器的谐振频率偏移相关联，或者与SAW延迟线的延迟时间或电信号的相位偏移相关联，或者与SAW延迟线结构的反射功率谱密度（PSD）的变化相关联。

在现有技术中，一个有线的SAW加速度传感器是通过在一个压电悬臂基板上的不同表面上分别实现两个相同的SAW谐振器来做到的。这种设计在制造工艺中实现起来是非常困难的，不仅结构复杂，而且生产成本也高，因此，在现实中它很难提供任何有意义的批量生产。也有些方案是使用SAW滤波器的结构，将其安装在悬臂固定端的附近以做振动监测。但这种只通过监测滤波器的中心频率变化的装置，由于没有任何参考基准，难以有效区分振动和温度所带来的频率变化， 因而难以获得准确的测量，使得测量精度低。还有另一种设计，它使用一个单一的SAW谐振器，安装在悬臂的固定端附近，监测因玻璃破碎所产生的特定频率的声波振动（应用于入侵监测）。虽然它可用于该应用场合，但这种设计只能用于监测某一特定频率的振动发生与否，而不能用来监测在宽频率范围内的振动，以及不具有温度补偿功能。

发明内容

本发明的目的是：提供一种不仅结构简单、紧凑，而且生产成本低，能够监测加速度，以及测量精度高的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，以克服现有技术的不足。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，包括壳体和壳盖，所述壳体和壳盖密封连接，其创新点在于：

a、还包括压电基片、压电薄膜、基座和三个声表面波谐振器，所述压电薄膜设在压电基片的上表面，所述基座固定在壳体内的底面上，压电基片的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜的一端和压电基片的固定端均固定在基座上，且高于壳体内的底面；

b、至少有一个声表面波谐振器设在压电薄膜的上表面，剩余的声表面谐振器设在压电薄膜和压电基片之间；

c、所述三个声表面波谐振器并联连接，且谐振频率各不相同；

d、所述三个声表面波谐振器所产生的声表面波均在x方向传播，而所述x方向是指沿着压电基片的固定端向压电基片的悬伸端的伸出方向。

在上述技术方案中，还包括压块，所述压块设在压电基片的悬伸端，且所述压块与压电基片是固定连接的或者是互为一体的。

在上述技术方案中，所述压块与压电基片固定连接时，所述压块是金压块，或者是银压块，或者是铂压块。当然，并不局限于此，压块也可以采用其他材料的质量块。

在上述技术方案中，所述壳体和壳盖分别是金属壳体和金属壳盖。

在上述技术方案中，所述壳体和壳盖分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

在上述技术方案中，所述压电薄膜是氧化锌或者是氮化铝。

在上述技术方案中，所述压电基片是ST切石英、或者是FST-切石英。所述ST切石英或FST-切石英的ST或FST方向与声表面波谐振器所产生的声表面波的传播方向重合，均在x方向。当然，并不局限于此，压电基片也可以采用其他的压电晶体。

本发明所具有的积极效果是：由于采用了上述的传感器结构后，将三个声表面波谐振器设置在压电基片同一侧的不同物理表面上，且布置成层状结构，并安装在壳体内由壳盖密封；因此，本发明不仅结构简单、紧凑，而且生产成本低，且是可同时测量温度和加速度的声表面波（SAW）传感器，且温度和加速度的测量都是通过差分的方式实现的，通过将感测加速度的声表面波谐振器的谐振频率减去因温度漂移而引起的谐振频率的变化，可以得到一个温度补偿的加速度的测量值；这样，本发明能够监测加速度、具有温度补偿功能，且测量精度高。

附图说明

图1是本发明第一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明第二种具体实施方式的结构示意图；

图3是图1不包括壳体的A-A剖视图；

图4是本发明不包括壳体和壳盖的第三种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

如图1、2、3、4所示，一种基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，包括壳体1和壳盖2，所述壳体1和壳盖2密封连接，

a、还包括压电基片3、压电薄膜6、基座8和三个声表面波谐振器4，所述压电薄膜6设在压电基片3的上表面，所述基座8固定在壳体1内的底面上，压电基片3的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜6的一端和压电基片3的固定端均固定在基座8上，且高于壳体1内的底面；

b、至少有一个声表面波谐振器4设在压电薄膜6的上表面，剩余的声表面谐振器4设在压电薄膜6和压电基片3之间；

c、所述三个声表面波谐振器4并联连接，且谐振频率各不相同；

d、所述三个声表面波谐振器4所产生的声表面波均在x方向传播，而所述x方向是指沿着压电基片3的固定端向压电基片3的悬伸端的伸出方向。

如图1所示，其中一个声表面波谐振器4是用于感测加速度的，且该声表面波谐振器4设在压电薄膜6和压电基片3之间且靠近基座8；当然，也可以设在压电薄膜6一端的上表面且靠近基座8；其中一个声表面波谐振器4用于感测温度的，且该声表面波谐振器4设在压电基片3的另一端且位于压电薄膜6和压电基片3之间，剩余一个声表面波谐振器4是用于感知参考温度的，且该声表面波谐振器4设在压电薄膜6另一端的上表面。

如图1、2、3、4所示，还包括压块9，所述压块9设在压电基片3的悬伸端且压块9位于压电薄膜6的另一端的上表面上，所述压块9与压电基片3是固定连接的（如图1所示），或者压块9与压电基片3是互为一体的，且压块9设在压电基片3悬伸端的下表面上（如图2所示）。用于感测温度和感知参考温度的两个声表面谐振器4均位于压块9的内侧。

如图1所示，所述压块9与压电基片3固定连接时，所述压块9是金压块，或者是银压块，或者是铂压块。，或者其它材料的质量块。压块9是用来获得所希望的压电悬梁（压电基片3与压电薄膜6）的本征谐振频率。

本发明所述壳体1和壳盖2分别是金属壳体和金属壳盖。或者所述壳体1和壳盖2分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

本发明所述压电薄膜6是氧化锌或者是氮化铝。所述压电基片3是ST切石英、或者是FST-切石英，或者其它的压电晶体。

如图4所示，本发明用于感测温度和感知参考温度的两个声表面谐振器4在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内, 具体数值由两方向声表面波时延温度系数（TCD）之差的最大值而定，这样可以确保这两个声表面波谐振器4的温度差分测量的灵敏度为最佳。

如图1、3所示，本发明感测到的加速度的方向是压电基片3作上下运动的z-轴方向，而三个声表面波（SAW）谐振器分别具有的叉指换能器（IDT）所产生的声表面波在x方向传播。在图2所示结构中的压电基片3（ST切石英、或者是FST-切石英等）晶体的ST或FST方向（声表面波的传播方向）与传感器结构的x轴方向重合。在这种情况下，感测温度的声表面波谐振器4与提供温度基准信号的声表面波谐振器4之间的温度系数差（亦即传感器的温度测量灵敏度）由压电薄膜6的材料参数，压电薄膜6的薄膜厚度以及两谐振器的谐振频率差决定。

如图4所示，用于感测加速度的声表面波谐振器4和感测参考温度的声表面波谐振器4的布置应使得声表面波沿x方向传播，但感测温度的第二声表面波谐振器5的角度与x方向是非平行的。在这种情况下，感测温度的声表面波谐振器4与提供温度基准信号的声表面波谐振器4之间的温度系数差（亦即传感器的温度测量灵敏度）由压电薄膜6的材料参数，压电薄膜6的厚度，两谐振器的谐振频率差以及这两个声表面波谐振器之间的夹角决定。

本发明通过感测温度的声表面波谐振器4和感测参考温度的声表面波谐振器4之间的频率差偏移可以测量出外部环境的温度，再从感测加速度的声表面波谐振器4和感测参考温度的声表面波谐振器4之间的频率差中减去因温度变化引起的频率漂移，从而准确计算出仅由加速度引起的频率变化，进而达到测量加速度的目的。

Claims (7)

1.一种基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，包括壳体（1）和壳盖（2），所述壳体（1）和壳盖（2）密封连接，其特征在于：

a、还包括压电基片（3）、压电薄膜（6）、基座（8）和三个声表面波谐振器（4），所述压电薄膜（6）设在压电基片（3）的上表面，所述基座（8）固定在壳体（1）内的底面上，压电基片（3）的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜（6）的一端和压电基片（3）的固定端均固定在基座（8）上，且高于壳体（1）内的底面；

b、至少有一个声表面波谐振器（4）设在压电薄膜（6）的上表面，剩余的声表面谐振器（4）设在压电薄膜（6）和压电基片（3）之间；

c、所述三个声表面波谐振器（4）并联连接，且谐振频率各不相同；

d、其中一个声表面波谐振器（4）是用于感测加速度，其中一个声表面波谐振器（4）用于感测温度，剩余一个声表面波谐振器（4）是用于感知参考温度，所述三个声表面波谐振器（4）所产生的声表面波均在x方向传播，而所述x方向是指沿着压电基片（3）的固定端向压电基片（3）的悬伸端的伸出方向或者用于感测加速度的声表面波谐振器（4）和感测参考温度的声表面波谐振器（4）的布置应使得声表面波沿x方向传播，但感测温度的声表面波谐振器（4）的角度与x方向是非平行的。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，其特征在于：还包括压块（9），所述压块（9）设在压电基片（3）的悬伸端，且所述压块（9）与压电基片（3）是固定连接的或者是互为一体的。

3.根据权利要求2所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，其特征在于：所述压块（9）与压电基片（3）固定连接时，所述压块（9）是金压块，或者是银压块，或者是铂压块。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是金属壳体和金属壳盖。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

6.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，其特征在于：所述压电薄膜（6）是氧化锌或者是氮化铝。

7.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，其特征在于：所述压电基片（3）是ST切石英、或者是FST-切石英。