CN104019886B - 基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感结构，包括壳体和壳盖，所述壳体和壳盖密封连接，还包括基座、压电基片和三个声表面波谐振器，所述基座固定在壳体内的底部；所述压电基片的一端为固定端，另一端为悬伸端，所述压电基片的固定端固定在基座上，且高于壳体内的底面，三个声表面波谐振器均设在压电基片的上表面；所述三个声表面波谐振器并联连接，且谐振频率各不相同；所述三个声表面波谐振器所产生的声表面波均在Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片的固定端向压电基片的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。本发明具有结构简单、紧凑，生产成本低，能够监测振动和温度，且测量精度高的优点。

Description

基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感结构
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振动传感结构。
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振动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，生产成本低，而且能够监测振动，以及测量精度高的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感结构，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振动传感结构，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、还包括基座、压电基片和三个声表面波谐振器，所述基座固定在壳体内的底部；
b、所述压电基片的一端为固定端，另一端为悬伸端，所述压电基片的固定端固定在基座上，且高于壳体内的底面，
三个声表面波谐振器均设在压电基片的上表面；
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Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片的固定端向压电基片的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。
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，所述压电基片可以是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Y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上，安装在壳体内由壳盖密封；因此，本发明结构简单、紧凑，而且生产成本低，且是可同时测量温度和振动的声表面波（SAW）传感器，且温度和振动的测量都是通过差分的方式实现的，通过将感测振动的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振动的测量值；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是图1不包括壳体的A-A剖视图；
图3是本发明不包括壳体和壳盖的第二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所示，一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感结构，包括壳体1和壳盖2，所述壳体1和壳盖2密封连接，而其：
a、还包括基座8、压电基片3和三个声表面波谐振器4，所述基座8固定在壳体1内的底部；
b、所述压电基片3的一端为固定端，另一端为悬伸端，所述压电基片3的固定端固定在基座8上，且高于壳体1内的底面，
三个声表面波谐振器4均设在压电基片3的上表面；
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Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片3的固定端向压电基片3的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。
如图1所示，所述三个声表面波谐振器4分开布置在压电基片3的上表面，其中一个声表面波谐振器4是用于感测振动的；其中一个声表面波谐振器4用于感测温度的；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靠近基座8。
如图1、2、3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。
本发明所述压块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。所述壳体1和壳盖2分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
本发明所述压电基片3可以是ST切石英、或者是FST-切石英。晶片的切向与传感器的Y方向重合。
如图3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在角度上是非平行的。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）由压电基片3的材料参数，压电基片3的厚度，感测温度和感知参考温度的声表面波谐振器4之间的夹角以及两谐振器的谐振频率差决定。
图3中声表面波谐振器的声表面波传播方向在y方向，其在x方向的尺寸较小；这样一来声表面波谐振器感知的物理量更具有局部性（局限在x方向一个较小区间），更能精确反映所测点的物理量变化。
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，再从感测振动的第一声表面波谐振器4和感测参考温度的第三声表面波谐振器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振动引起的频率变化，进而达到测量振动的目的。

Claims (5)

1.一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感结构，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、还包括基座(8)、压电基片(3)和三个声表面波谐振器(4)，所述基座(8)固定在壳体(1)内的底部；
b、所述压电基片(3)的一端为固定端，另一端为悬伸端，所述压电基片(3)的固定端固定在基座(8)上，且高于壳体(1)内的底面，
三个声表面波谐振器(4)均设在压电基片(3)的上表面；
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Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片(3)的固定端向压电基片(3)的悬伸端的伸出方向相垂直的方向；e、所述压电基片(3)可以是ST切石英、或者是FST-切石英。
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振动传感结构，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振动传感结构，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振动传感结构，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振动传感结构，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。
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