CN104122025A - 一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，包含T型受力座、三个声表面波谐振器、壳体和天线，其中，壳体呈椭圆状、两端均设有用来穿引绳索的通孔，天线设置在壳体的外表面上，T型受力座固定设置在所述壳体内，由两个力臂和底座组成，两个力臂距离底座较远的一端各设有一个倒立三角体，座底为上端设有用于固定绳索的沟槽的梯形体，倒立三角体下部设有用于固定绳索的通孔，三个声表面波谐振器中其中两个对称的设置在两个力臂上，另一个设置在底座上。传感器将张力的变化通过声表面波敏感，传感器的工作能量来自于收发天线，敏感的力表现为声表面波谐振频率的变化并通过无线的方式发送出去，实现无线无源的张力检测。

Description

一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器。

背景技术

声表面波是在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波。声表面波技术最早是由英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。该技术是上世纪六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。我国声表面波技术开发始于1970年，只比西方晚3年时间。声表面波器件自20世纪70年代末实际应用以来，现在已遍及军工和民用各领域，其中声表面波信号处理器件主要应用于军工领域，而频率选择和频率控制声表面波器件和声表面波传感器则都是军民共用的器件^[1]。

声表面波的主要特点有：

第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。这表明声表面波技术能实现电子器件的超小型化。

第二，由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时，就容易对信号进行取样和变换。

第三，由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大批量生产，而且当使用某些单晶材料或复合材料时，声表面波器件具有极高的温度稳定性。

第四，声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，可达100dB 。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。

现在市面上可见的张力传感器有美国MEAS的EL20-S458、法国kortis 的FMI、德国施密特张力仪。虽然针对不同的对象，它们有系列产品可选择，有精度高、温漂小，响应快等优点，不过它们安装和拆卸复杂，价格昂贵，主要测量对象是安全带这类的扁平带状结构，这类传感器在工作时都需要电源线、信号线等引线，这些引线、接口等在许多特殊应用场合很容易被损坏。国内清华大学、上海交通大学较早对声表面波传感器进行了研究，西北工业大学、重庆大学等科研院所也纷纷开展了声表面波传感器的研究，并取得了一定的研究成果，发表了多篇专著及论文，但无线无源的张力传感器还没有。而在有些应用场合，对于张力传感器的安装方式、引线处理都提出了特殊的要求，例如在对降落伞降落状态牵引绳张力的检测过程中，需要传感器的安装对牵引绳没有破坏，同时要求引线要简单，否则在伞打开的瞬间，会将传感器的引线拉断，导致无法检测。本专利提出一种传感方案，利用声表面波传感原理测量张力，可实现无线、无源的检测，省去电源线信号线等引线，可用于各种场合的张力测量[2]。

声表面波传感器可以实现有源和无源的传感，有源声表面波传感器和其他传统传感器相比，并不具有明显优势；另外，各种外部影响无法和被测量有效的分离，所以有源声表面波传感器的使用优势还不特出。20世纪80年代中期无线无源声表面波传感器的提出和研究为声表面波传感器提供了一种新的发展思路。国外无线无源声表面波传感器研究主要集中在欧美发达国家，根据测量原理不同，无线无源声表面波传感器有两种类型：延迟线性和谐振型。延迟线性无线无源声表面波传感器主要采用扫频信号方式激励，利用激励信号与接收信号在时间上的延迟或相位上的变化进行测量；谐振型无线无源声表面波传感器主要采用冲激脉冲或间歇脉冲激励，测量激励信号与接收到的回波信号之间的频率变化值。谐振型声表面波传感器品质因素高，稳定性好，是无线无源传感器的首先方案。

参考文献：

[1]刘文辉，谐振型无源无线声表面波压力传感器结构研究[D],国家自然科学基金资助60374045，重庆大学硕士学位论文，2006，9-12

[2]吴佚卓，高频无线无源声表面波传感器的仿真与测试研究[D],天津理工大学硕士学位论文，2007，1-5。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，结构上可以更好地将绳索类张力进行无损的检测，传感器将张力的变化通过声表面波敏感，传感器的工作能量来自于收发天线，敏感的力表现为声表面波谐振频率的变化并通过无线的方式发送出去，实现无线无源的张力检测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，包含T型受力座、三个声表面波谐振器、壳体和天线；

所述壳体呈椭圆状、两端均设有用来穿引绳索的通孔；

所述天线设置在壳体的外表面上，

所述T型受力座固定设置在所述壳体内，由两个力臂和底座组成，所述两个力臂距离底座较远的一端各设有一个倒立三角体，所述座底呈梯形体、上端设有用于固定绳索的沟槽；

所述倒立三角体下部设有用于固定绳索的通孔；

所述三个声表面波谐振器中的两个对称设置在所述两个力臂上，另一个设置在所述底座上。

作为本发明一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器进一步的优化方案，所述壳体相对于所述两个倒立三角体的内壁上均设有用于防止过载的凸起。

作为本发明一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器进一步的优化方案，所述天线呈薄片形。

作为本发明一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器进一步的优化方案，所述天线有4片，对称设置在所述壳体外表面上。

这样的设计使得整体结构体积小而紧凑，在一些不能有引线的特殊情况下使用更具有优势。

天线嵌在壳体的表面，面积较大,用来双向传输电磁波。

T型受力座的力臂沿绳索受力方向展开，展开体积小，可以将张力的变化转换成力臂应力的变化，利用其中一个力臂上的声表面波谐振器谐振频率的变化来检测应力的变化，而另一个力臂上的声表面波谐振器则用来检查传感器是否有误差、以便有自动校正并起到冗余的功能。

设置在底座上的声表面波谐振器主要用于感应温度的变化，解决了传感器在测量张力变化时温度影响的问题。

本发明采用无线无源的工作方式，传感器的激励来自于天线获取的电磁脉冲(该脉冲由外部的阅读器发送)，当绳索张力变化时，受张力影响而改变的声表面波谐振频率由叉指换能器转换成电磁波后又通过天线发送出去，阅读器接收的反射信号频率的变化对应了张力的变化。对于传感器信号的采集与处理，用频分多址技术采集多路传感器信号，阅读器读取信号后再进行后续处理。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.传感器的安装方便简单，不需要断开绳索，就可以检测绳索的张力大小；

2.传感器的T型受力座为独特的双翼展开式结构，对张力的灵敏度高，线性度好，传感器结构沿绳索的受力方向展开，外形可以做的比较小，可以实现封闭结构的测量；

3.多个谐振频率不同的声表面波谐振器布置在力臂和不受力支撑座上，分别敏感张力和环境温度的变化，消除了声表面波谐振器的温度误差，传感器多受力点的布置增加了传感器的冗余度，提高了传感器的可靠性；

4.利用天线接收能量，天线作为声表面波传感器的能量接收器，通过叉指换能器，将能量转换成声表面波，声表面波力传感器将检测的张力变化转换成回波形式再次通过天线发送回阅读器，传感器在整个检测过程中不需要电源，也不需要信号线。

附图说明

图1是本发明的外形图；

图2是本发明的T型受力座结构图；

图3是本发明的结构剖面图；

图4是本发明的总体示意图；

图5是本发明的绳索张力-力臂应力变化表；

图6 是本发明的应力变化采样点标识图；

图7是本发明的T型受力座放入张力-应力图。

图中，1-声表面波谐振器，2-凸起，3-固定支架。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，包含T型受力座、三个声表面波谐振器、壳体和天线；

所述壳体呈椭圆状、两端设有用来穿引绳索的通孔；

所述天线设置在壳体的外表面上，

所述T型受力座固定设置在所述壳体内，由两个力臂和底座组成，所述两个力臂距离底座较远的一端各设有一个倒立三角体，所述座底呈梯形体、上端设有用于固定绳索的沟槽；

所述倒立三角体下部设有用于固定绳索的通孔；

所述三个声表面波谐振器中的两个对称设置在所述两个力臂上，另一个设置在所述底座上。

所述壳体相对于两个倒立三角体的内壁上均设有用于防止过载的凸起。

所述天线呈薄片形，有4片，对称设置在所述壳体外表面上。

传感器结构的设计如图1、2所示，本发明要求敏感张力的变化沿绳索张力法线方向的尺寸要小，易于布置声表面波谐振器。对设计的结构采用有限元软件ANSYS分析传感器的受力情况。利用 ANSYS软件得到结构的有限元分析模型,并分析结构的受力情况，得到结构的张力和应力变化的关系。通过优化得到了本发明中T型受力座结构。仿真分析给出的绳索张力-力臂应力变化如图5所示。图5中Ua、Ub、Uc、Da、Db、Dc为左侧力臂上下表面各取的三点如图6。图5表明T型受力座结构有很好的力学特性。采用如图3所示的谐振器布置方案就可以将张力转换成声表面波谐振器谐振频率的变化。

实际中在外界环境条件作用下, 声表面波振荡器的输出信号频率随着温度、压力、磁场、电场等因素的变化而变化,并且由于声表面波器件可以敏感多种物理量，它不可避免地要受到各种环境因素的干扰，其中温度是影响声表面波张力传感器工作稳定性的主要因素。在温度变化过程中，如何保证声表面波张力传感器具有良好的稳定性，成为提高其工作性能的首要问题。如附图中图3所示，三个声表面波谐振器中其中两个对称的设置在两个力臂上，另一个设置在底座上，一个力臂上的声表面波谐振器谐振频率的变化来检测应力的变化，另一个力臂上的声表面波谐振器则用来检查传感器是否有误差、以便有自动校正，而设置在底座上的声表面波谐振器主要用于感应温度的变化，用于温度补偿。

凸起是防止力臂过载的设计,固定支架则是将T型受力座固定在壳体内表面上。

本发明采用无线无源的信号收发方式，无线单元传播电磁波至叉指换能器产生声表面波，经由声表面波谐振器的反射栅再通过叉指换能器变成电磁波返回无线单元接收。由于张力改变了声表面波传送的谐振频率，因此传播回来的信号频率变化反映了张力的变化，检测反射波的变化就可以实现无线无源检测张力的变化。天线应尽量符合实际应用需要，天线采用铜箔布置传感器壳体上，对传感器的外形没有影响并能获得足够的能量。无线无源收发系统总体示意图如图4。

在信号的采集速度上，本发明针对不同的谐振器通过对其内部叉指换能器、反射栅结构的设计使各个谐振器的谐振频率互有差异，采用不同的谐振频率即可精确获得某个特定谐振器的数据，以保证对张力测量有较高的采样速率。如图3，可以设置对负责张力测量的声表面波谐振器的读写频率高、对负责温度补偿的声表面波谐振器的读写频率低。这时传感器的总采样速率由负责张力测量的声表面波谐振器的采样速率决定，同时又可以消除温度误差的影响。

声表面波传感器是适应市场和技术发展趋势的一种新型传感器，利用声表面波器件作为敏感元件在非接触环境下测量物理量有着非常重要的价值。声表面波传感器体积小、重量轻，携带方便。更重要的是，声表面波传感器件的成本低，能够进行大批量生产，更符合产业化要求。本发明在结构上可以实现对绳索一类传感器张力测量，图7是本发明的T型受力座放入张力-应力图。

Claims (5)

1.一种基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，其特征在于，包含T型受力座、三个声表面波谐振器、壳体和天线；

所述壳体呈椭圆状、两端均设有用来穿引绳索的通孔；

所述天线设置在壳体的外表面上；

所述T型受力座固定设置在所述壳体内，由两个力臂和底座组成，所述两个力臂距离底座较远的一端各设有一个倒立三角体，所述座底呈梯形体、上端设有用于固定绳索的沟槽；

所述倒立三角体下部设有用于固定绳索的通孔；

所述三个声表面波谐振器中的两个对称设置在所述两个力臂上，另一个设置在所述底座上。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，其特征在于，所述壳体相对于所述两个倒立三角体的内壁上均设有用于防止过载的凸起。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，其特征在于，所述天线呈薄片形。

4.根据权利要求3所述的基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，其特征在于，所述天线有4片，对称设置在所述壳体外表面上。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波的无线无源绳索张力传感器，其特征在于，所述T型受力座通过固定支架固定在所述壳体的内壁上。