CN105716759A - 基于表面横波的转轴扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于表面横波的转轴扭矩测量装置，包括相互配合的测量机构及控制机构；测量机构包括：转轴体；第一表面横波谐振器通过粘结剂设置在转轴体上；第二表面横波谐振器通过粘结剂设置在转轴体上。第一表面横波谐振器及第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为38.8°，进动角为90°。本发明的有益效果如下：1)在声表面波的模式选择上不再单纯地采用常用的瑞利波模式，而是采用传播损耗较小的表面横波模式，使谐振器的Q值更大，以提高对回波信号的解调准确度，从而提高扭矩测量精度；2)采用结构相同的两个STW谐振器，正交地布置在转轴表面并与转轴的轴向成±45°，使得两个谐振器处于相同的工作环境。

Description

基于表面横波的转轴扭矩测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于转轴扭矩测量装置，具体是在优化选择声表面波模式的基础上，通过数值模拟合理地选择具有较小温度系数、较大扭矩灵敏度的表面横波(STW)谐振器(STWR)的基片切型，通过射频激励和回波检测从而实现扭矩的无线无源检测。

背景技术

旋转动力传输是回转机械系统动力传输的重要手段之一,机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息。准确的扭矩测量一方面能够为旋转机械设计提供科学依据，对动力机械的功率输出是否达到设计要求进行必要的检验。另一方面，准确的扭矩测量是确保动力系统和设备安全的重要手段之一。因此研究适合动态旋转状态下的扭矩传感器是非常有意义的。基于声表面波(SurfaceAcousticWave，简写为SAW)技术的传感器是纯无源且便于进行无线测量和传输，这对于运动部件、密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。目前国际上已研制成功了以石英晶体为基片的瑞利波模式的声表面波扭矩传感器。虽然瑞利波模式的基础理论较为成熟，但是瑞利波模式的谐振器的Q值很难做的很高，这导致瑞利波模式的谐振器回波信号弱，不利于信号解调，影响扭矩测量精度和测量距离。因此，研制声表面波扭矩传感器必须要很好解决谐振器的Q值问题。

在各种声表面波模式中，有一种沿着周期栅阵下表面传播的波叫表面横波(STW)，它是声表面波中的另外一种模式。基于STW模式的谐振器(STWR)具有许多潜在的优点：首先，它的传播损耗相比瑞利波模式要小，因此容易得到较大的Q值，使它的回波信号大，有利于提高其工作距离和测量精度。实验表明，在AT切石英基片上制作的1GHz的STW谐振器的有载Q值能达到40000，而瑞利波模式的Q值只有10500。其次，它可以承受更大的功率而具有更高的功率容量，因此具有很好的噪声抑制性能。最后，它的速度比瑞利波大1.6倍左右，因此在尺寸固定的情况下可以工作在更高的频率。目前STW器件用于温度、生物、化学、加速度测量等方面都有研究报道。此外，对于石英晶体的某些切型，STW对外界力的敏感度接近瑞利波模式。STW的这些特性对转轴扭矩测量也是非常有利的，但迄今为止尚未见到有关把STW器件用于扭矩测量的报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高扭矩传感器的无线阅读距离和测量精度的基于表面横波的转轴扭矩测量装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于表面横波的转轴扭矩测量装置，包括相互配合的测量机构及控制机构；其中所述测量机构包括：转轴体；第一表面横波谐振器，所述第一表面横波谐振器通过粘结剂设置在所述转轴体上；第二表面横波谐振器，所述第二表面横波谐振器通过粘结剂设置在所述转轴体上；其中所述第一表面横波谐振器的轴向方向与所述转轴体的轴向方向之间的夹角为45°，所述第二表面横波谐振器的轴向方向与所述转轴体的轴向方向之间的夹角为135°；第一天线及第二天线，所述第一天线及所述第二天线分别通过连接线与所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器连接；所述控制机构包括阅读器及设置在所述阅读器上的阅读天线；所述测量机构及所述控制机构通过所述第一天线、所述第二天线及所述阅读天线通信。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器为单端对谐振器。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为37°～41°，进动角为90°。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为38.8°，进动角为90°。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的材质为石英晶体。

优选地，所述第一表面横波谐振器的中心频率为438MHz。

优选地，所述第二表面横波谐振器的中心频率为435MHz。

优选地，所述连接线为硅铝丝。

优选地，所述第一天线及所述第二天线为表面横波天线。

优选地，所述转轴体为转轴弹性体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)在声表面波的模式选择上不再单纯地采用常用的瑞利波模式，而是采用传播损耗较小的表面横波模式，使谐振器的Q值更大，以提高对回波信号的解调准确度，从而提高扭矩测量精度；

2)采用结构相同的两个STW谐振器，正交地布置在转轴表面并与转轴的轴向成±45°，使得两个谐振器处于相同的工作环境，但敏感扭矩载荷在这两个方向上产生的大小相等、符号相反的应变，通过差动输出，提高扭矩灵敏度，并进一步消除温度、振动等共模干扰的影响；

3)通过无线射频激励和回波信号频率检测，实现对转轴扭矩的无线无源测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置结构示意图；

图2为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置第一表面横波谐振器及第二表面横波谐振器结构示意图；

图3为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置表面横波敏感膜片在不同切向的速度图；

图4为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置表面横波敏感膜片在不同切向的频率稳定系数图；

图5为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置表面横波敏感膜片在不同切向的扭矩灵敏度系数图；

图6为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置第二表面横波谐振器的IDT输入导纳频率图；

图7为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置第一表面横波谐振器的IDT输入导纳频率图；

图8为本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置第一表面横波谐振器及第二表面横波谐振器的扭矩载荷与频率偏移关系图。

图中：

1-转轴弹性体2-第一表面横波谐振器3-第二表面横波谐振器

4-硅铝丝5-第一天线6-第二天线

7-阅读天线8-阅读器

具体实施方式

下面采用具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明基于表面横波的转轴扭矩测量装置，包括转轴弹性体1、表面横波谐振器和阅读器8。转轴弹性体1表面上固定有表面横波谐振器，扭矩载荷作用产生的应变会通过转轴与谐振器基片之间的胶层传递到谐振器基片上，从而引起基片材料的特性参数发生变化，最终引起表面横波谐振器的谐振频率发生偏移，通过测量谐振器的频率偏移量就可得到扭矩载荷大小。

由于扭矩载荷在与轴向成±45°的方向上产生的应变大小相等、符号相反，因此为了抑制温度等共模干扰，在转轴表面与轴向成±45°的方向上各固定第一表面横波谐振器2和第二表面横波谐振器3以构成差分结构，两个谐振器的中心频率分别为438MHz和435MHz。两个谐振器各自通过硅铝丝4与各自的第一天线5和第二天线6相连以接收激励信号和发射谐振器的响应信号。转轴附近的表面横波阅读器8上连有阅读天线7用于发射激励信号和接收第一表面横波谐振器2和第二表面横波谐振器3的回波信号。通过阅读器8查询差分结构中的两个谐振器的频率偏移量并根据表面横波频率偏移量与扭矩载荷之间的关系就可得到扭矩载荷的大小，实现对扭矩的测量。

以具有温度稳定性好、存在零温度系数切型、加工制作工艺成熟等优点的石英晶体作为谐振器基片材料，根据压电晶体各向异性的特点，利用loch-Floquet理论，根据本构关系、运动方程、边界条件求解石英晶体在不同切割和传播方向的表面横波的各个参数，再利用摄动理论和近似方法来计算频率温度系数、扭矩敏感系数等参数指标，如附图3～5所示，综合选择具有较小频率温度系数(TCF)和较高压力敏感特性的切向作为制作表面横波扭矩谐振器构成的传感器的基片的切割和波传播方向。本实施例以适合扭矩载荷在(0Nm～100Nm)范围的表面横波扭矩谐振器为目的，对石英晶体在扭矩载荷产生的单位应变偏载条件下进行的表面横波各性能指标分析计算，得到一个适合扭矩谐振器应用的基片优化切向范围(用欧拉角表示)：Ⅰ：自转角为0°，章动角为37°～41°，进动角为90°。其中，STW表示表面横波，θ表示章动角，TCF表示频率温度系数。

该范围内的几个典型切向的性能指标如表1所示。综合考虑，本实施例选择(自转角为0，章动角为38.8°，进动角为90°)作为基片切割和传播方向，表1为基片优化切向范围内几个典型切向的性能指标。

表1

为了提高表面横波器件的Q值和降低插损，本实施例采用了单端对的谐振器结构，如附图2所示，金属指条采用铝材料用蒸镀、刻蚀方法制作，图中w表示金属指条宽度，p表示反射栅周期，Lg表示IDT(叉指换能器)与第一条反射栅之间的距离，P1表示叉指换能器的周期，W表示叉指换能器的数值孔径。谐振器结构参数如表2所示。制作的谐振器特性如附图6，7所示，图中BW为带宽，cent表示中心频率，low表示下边带频率，High表示上边带频率，Q表示品质因数，loss表示损耗，M表示施加的扭矩载荷，Δf表示谐振器中心频率的偏移量。表2为谐振器设计参数。

表2

如附图8所示，通过连续三次扭矩加载实验，得到的线性度和重复性分别为：0.21％和0.20％，均优于千分之五。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，包括相互配合的测量机构及控制机构；其中

所述测量机构包括：

转轴体；

第一表面横波谐振器，所述第一表面横波谐振器通过粘结剂设置在所述转轴体上；

第二表面横波谐振器，所述第二表面横波谐振器通过粘结剂设置在所述转轴体上；其中

所述第一表面横波谐振器的轴向方向与所述转轴体的轴向方向之间的夹角为45°，所述第二表面横波谐振器的轴向方向与所述转轴体的轴向方向之间的夹角为135°；

第一天线及第二天线，所述第一天线及所述第二天线分别通过连接线与所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器连接；

所述控制机构包括阅读器及设置在所述阅读器上的阅读天线；所述测量机构及所述控制机构通过所述第一天线、所述第二天线及所述阅读天线通信。

2.根据权利要求1所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器为单端对谐振器。

3.根据权利要求2所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为37°～41°，进动角为90°。

4.根据权利要求3所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为38.8°，进动角为90°。

5.根据权利要求3所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的材质为石英晶体。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第一表面横波谐振器的中心频率为438MHz。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第二表面横波谐振器的中心频率为435MHz。

8.根据权利要求1所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述连接线为硅铝丝。

9.根据权利要求1所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述第一天线及所述第二天线为表面横波天线。

10.根据权利要求1所述的基于表面横波的转轴扭矩测量装置，其特征在于，所述转轴体为转轴弹性体。