CN107014325B - 一种无线无源声表面波应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线无源声表面波应变传感器，包括：声表面波反射型延迟线器件、第一匹配网络、第二匹配网络、参考应变片和感知应变片；其中，声表面波反射型延迟线器件作为无线传感系统的应答器，采用双通道反射器型结构，其中参考通道通过第一匹配网络与参考应变片连接，传感通道通过第二匹配网络与感知应变片连接。本发明采用外接应变片负载式感知应变量，解决了声表面波器件由于直接应变而产生的力温耦合问题，比直接用声表面波器件测量应变更加的稳定可靠。此外，声表面波反射型延迟线器件采用双通道反射器结构通过差分的方法解决在应变测量过程中的温度干扰问题。

Description

一种无线无源声表面波应变传感器

技术领域

本发明涉及声学技术中的一种声表面波传感器，尤其是涉及一种应用于测量应变量的无线无源声表面波传感器。

背景技术

应变传感器作为工业流程控制的关键部件，广泛应用于航天航空、石油石化、电力、机动车以及铁路等领域中。例如，直升机机翼运行的健康状况的实时监测应用。

传统的应变传感器一般基于电阻应变效应。其原理是当金属导体或者半导体受到外力作用时所产生的相应应变会导致其电阻值也会发生相应的变化。该类应变传感器应用较为普遍，但存在如下一些亟待解决的问题：电阻式应变传感器力阻灵敏度低，所以必须要采用电桥放大信号导致线路复杂；其二，电阻式应变传感器分辨力较低，动态响应较差，电阻值变化受温度影响较大；其三，该应变传感器采用电池供电的有源检测方式，难以适应于高温高压及无人值守等极端环境。因此，高灵敏度、高可靠性、稳定性且无线无源的新型应变传感器是其发展方向。

声表面波传感器以其独特优点如高精度，高灵敏度，体积小，重量轻，功耗低，具有良好的稳定性，能够快速响应，制作成本低，而且可实现无线无源测量方式，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境，极具应用前景。无线无源声表面波传感技术原理是由射频收发模块(雷达)发射与声表面波传感器件同频的电磁波信号，通过天线由声表面波传感器件的叉指换能器接收并转换成沿压电晶体表面传播的声表面波，声表面波在传播过程中被反射器反射并被叉指换能器重新转换成电磁波信号，再经由天线被收发模块接收。在声表面波传播过程中如受到力、磁、温度等影响，即会直接影响声传播速度及幅度。通过解调接收信号即可获得相应传感信息。本发明即是设计一种外接负载式的新型无线无源声表面波应变传感器，以差分传感结构提升传感器温度稳定性，以外接应变片负载提取相位信号方式来改善传感器分辨率，借助于雷达信号收发模块，由此实现无线无源的应变检测方式。

发明内容

本发明的目的，是为了克服现有技术的传感器存在的上述技术问题，提供了一种无线无源声表面波应变传感器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无线无源声表面波应变传感器。该传感器包括：声表面波反射型延迟线器件、第一匹配网络、第二匹配网络、参考应变片和感知应变片；

其中，声表面波反射型延迟线器件通过第一匹配网络与参考应变片连接；声表面波反射型延迟线器件通过第二匹配网络与感知应变片连接。

优选的，声表面波反射型延迟线器件包括：第一吸声胶、第二吸声胶、压电晶体、叉指换能器和第一至第六双通道反射器；其中，第一吸声胶和第二吸声胶分别涂覆在压电晶体两端；叉指换能器和第一至第六双通道反射器利用半导体光刻工艺制作于压电晶体之上；第三双通道反射器通过匹配网络连接参考应变片；第六双通道反射器通过匹配网络连接感知应变片；第一至第六双通道反射器中的第一至第三双通道反射器构成参考通道；第四至第六双通道反射器构成传感通道。

优选的，第三通道反射器与叉指换能器之间的时域间隔，小于第四双通道反射器与叉指换能器之间的时域间隔；第一双通道反射器与叉指换能器之间的时域间隔为1.1～1.3μs。

优选的，第一匹配网络与第二匹配网络分别由匹配电感与匹配电容构成的LC电路组成；声表面波反射型延迟线器件通过LC电路与参考应变片连接；声表面波反射型延迟线器件通过LC电路与感知应变片连接。

优选的，为降低声表面波反射型延迟线器件损耗，并获得良好的差分温度补偿效应，所述的压电晶体选取具有高压电系数，线性温度系数的材料，压电晶体的材料选用铌酸锂LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃、镓酸锂LiGaO₂和锗酸锂GeLi2O₃中的一种；压电晶体的基底选用41°YX-LiNbO₃、128°YX-LiNbO₃、YZ-LiNbO₃和36°YX-LiTaO₃中的一种压电晶体。

优选的，第一双通道反射器、第二双通道反射器、第四双通道反射器和第五双通道反射器为温度补偿参考反射器。

优选的，第一至第六双通道反射器为短路反射栅型；其中，第一至第三双通道反射器电极数目随着第一至第三双通道反射器与叉指换能器之间的距离的增大而增加；第四至第六双通道反射器电极数目随着第四至第六双通道反射器与叉指换能器之间的距离的增大而增加。

优选的，参考应变片和所述感知应变片的材料选取前提是保证良好的温度稳定性、较好的压力敏感度及承压能力。所以选用聚酰亚胺膜应变片；参考应变片和所述感知应变片的工作温度范围为：-70℃～200℃。

优选的，参考应变片和感知应变片的结构相同，采用电容式应变片、电感式应变片和电阻式应变片中的一种。

优选的，叉指换能器的电极材料选用铝、铂和铜中的一种。

本申请提供的应用于信号传递的声表面波反射型延迟线器件，采用双通道的反射型延迟线结构,其中参考通道通过匹配网络与作为固定负载的参考应变片相连，传感通道则与感知应变片相连，通过差分的方法消除在应变测量过程中的温度干扰。本申请采用外接应变片负载式感知应变量，比直接用声表面波器件测量应变更加的稳定可靠。解决了直接作用于声表面波器件上，难以解决由此产生的力温耦合问题。而且，如果直接用声表面波器件测量应变，则在测量应变的同时器件本身也会发生应变，这样不仅增加器件封装的难度，而且也会使器件受到损伤，减少器件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无线无源声表面波应变传感器结构示意图；

图2为图1所示的一种声表面波反射型延迟线器件结构示意图；

图3为图1所示的一种匹配网络结构示意图。

附图标记如下：

1和2为吸声胶；3为压电晶体；4为叉指换能器；5-10为双通道反射器；11为第一匹配网络；12为第二匹配网络；13为参考应变片；14为感知应变片；15为声表面波反射型延迟线器件；16为匹配电感；17为匹配电容

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种无线无源声表面波应变传感器结构示意图。如图1所示，该无线无源声表面波应变传感器包括：声表面波反射型延迟线器件15、第一匹配网络11、第二匹配网络12、参考应变片13和感知应变片14；其中，声表面波反射型延迟线器件15通过第一匹配网络11与参考应变片13连接；声表面波反射型延迟线器件15通过第二匹配网络12与感知应变片14连接。

上述无线无源应变传感器可采用433M，915M，2.4G等ISM频段或其他频段。

图2为图1所示的一种声表面波反射型延迟线器件结构示意图，如图2所示，声表面波反射型延迟线器件15包括：第一吸声胶1、第二吸声胶2、压电晶体3、叉指换能器4和第一至第六双通道反射器5-10；

上述声表面波反射型延迟线器件15可采用40M带宽。输入端阻抗输出匹配至50欧姆。

其中，第一吸声胶1和第二吸声胶2分别涂覆在压电晶体3两端，用于消除声表面波的边缘反射，以降低声表面波反射型延迟线器件15的边缘反射引起的时域噪声。

考虑到温度因素对应变测量造成的影响，要求选取压电系数高，温度系数线性度好，能易于实现温度补偿的材料，压电晶体3材料可选用铌酸锂LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃、镓酸锂LiGaO₂和锗酸锂GeLi₂O₃等高压电系数材料中的一种；因此所述压电晶体3可使用41°YX-LiNbO₃，128°YX-LiNbO₃，YZ-LiNbO₃,36°YX-LiTaO₃中的一种。

叉指换能器4与双通道反射器5-10利用半导体光刻工艺制作于压电晶体3之上，通过光刻技术制作，叉指换能器4指条宽度为1.101微米，电极膜厚为300纳米，各个指条间距均为1.101微米，声孔径为1586.160微米；叉指换能器4的频率为中心频率，设为890M，叉指电极数目为20对。叉指换能器4的电极材料可选用铝、铂和铜中的一种。本实施例的叉指换能器的电极材料优选采用铝。

双通道反射器5-10采用短路反射栅型，上述双通道反射器中每个通道都有3个反射器。6个双通道反射器5-10指条宽度为1.101微米，电极膜厚为300纳米，各个指条间距均为1.101微米，指条长度均为440.600微米。

为实现差分式温度补偿，声表面波反射型延迟线器件15设置温度补偿参考反射器，即设置双通道反射器5、双通道反射器6和双通道反射器8、双通道反射器9为温度补偿参考反射器。

其中，第一至第三双通道反射器5-7电极数目随着第一至第三双通道反射器5-7与叉指换能器4之间的距离的增大而增加；第四至第六双通道反射器8-10电极数目随着第四至第六双通道反射器8-10与叉指换能器4之间的距离的增大而增加。

图2所示的例子，参考通道中的双通道反射器5-7和传感通道中的双通道反射器8-10的电极数目从左到右依次都是7对、8.5对、10对。

上述第三双通道反射器7通过匹配网络11连接参考应变片13，参考应变片13仅作为固定负载，不感知应变变化；上述第六双通道反射器10通过匹配网络12连接感知应变片14；第一至第六双通道反射器5-10中的第一至第三双通道反射器5-7构成参考通道，用于消除环境温度以及振动变化导致的应变检测过程中的干扰效应；第四至第六双通道反射器8-10构成传感通道，用于应变检测。

第一双通道反射器5与叉指换能器4之间时域间隔设置为1.1～1.3μs，用以消除外围环境噪声干扰。另外，为保证两路反射器的反射时域信号不发生重叠，要求传感通道的反射器8与叉指换能器4之间的时域间隔大于参考通道的反射器7到叉指换能器4的时域间隔。

具体地，参考通道和传感通道中的第一个双通道反射器5和双通道反射器8与第二个双通道反射器6和双通道反射器9的距离是66.75λ(λ为对应声波长)，第二个双通道反射器6和双通道反射器9与第三个双通道反射器7和双通道反射器10的距离是48.95λ。叉指换能器4与参考通道的第一个反射器5的距离是854λ，与传感通道的第一个反射器8的距离是1014λ，两通道反射器间隔的距离是89λ。并且，参考通道与传感通道的第三个反射器7和10作为输出端。最后用陶瓷材料进行封装，也可采用金属材料进行封装。

第三双通道反射器7与叉指换能器4的距离，大于第四双通道反射器8与叉指换能器4的距离。

第一匹配网络11和第二匹配网络12采用近似结构；第一匹配网络11和第二匹配网络12用于保证应变片与反射器之间的阻抗匹配，提高传感器灵敏度。第一匹配网络11和/或第二匹配网络由一个LC串并联的电路组成。当紧贴于待测目标平面的感知应变片14发生应变的时候，该变化会导致应变片的阻抗变化，而应变片阻抗的变化又会引起与之相连的反射器反射系数变化。因此，具有声电转换作用的反射器反射的声表面波信号的相位和幅度上都会耦合应变片阻抗信息的变化。在测量过程中，作为固定负载的参考应变片13固定不发生形变，仅作为参考，通过信号处理方法，即可获得待测应变量。

声表面波反射型延迟线器件15通过电感16与参考应变片13连接；声表面波反射型延迟线器件15通过电感16与感知应变片14连接；或者声表面波反射型延迟线器件15通过LC电路与参考应变片13连接；声表面波反射型延迟线器件15通过LC电路与感知应变片14连接。

图3所示的例子，声表面波反射型延迟线器件15与参考应变片13和感知应变片14之间串联一个9.1nH的电感16的电路。由于本方案中具体参数设置的要求，此处并不需要放置匹配电容，因此仅串联一个匹配电感即可，第一匹配网络11和第二匹配网络12分别连接声表面波反射型延迟线器件15的两个输出端口对应的双通道反射器7和双通道反射器10。

应变片的种类繁多，如电阻应变片及电容式应变片，具体包括日本共和kyowa应变片、NMB应变片、阿克蒙德TSK电阻应变片、PCB板应变片等种。

本实施例的参考应变片13和感知应变片14的选取前提是能保证良好的温度稳定性，较高的灵敏度，较大的量程。综合考虑，选用聚酰亚胺膜应变片。该应变片的工作温度范围-70℃～200℃。

感知应变片14粘于待测构件表面，参考应变片13作为固定负载。而且两个应变片都优选用聚酰亚胺膜应变片，感知应变片14和参考应变片13的结构相同，也可采用电容式应变片、电感式应变片和电阻式应变片中的一种。

进一步地，声表面波传感器的工作原理描述如下：

根据逆压电效应，叉指换能器4把接收到的电磁波信号转换为声表面波信号，激发的声表面波沿着压电晶体3传播，当经过双通道反射器5-10时声表面波被反射回去。由于双通道反射器10通过匹配网络12连着感知应变片14，当感知应变片14发生应变时，产生阻抗的变化，导致与之连接的双通道反射器10的反射系数发生改变，从而导致反射的声表面波的幅度和相位发生变化。发生变化的反射声表面波经过叉指换能器4时，由于正压电效应，最终叉指换能器4把变化的声波信号转换为电磁波信号输出，再由雷达收发模块接收并信号解调处理。

具体地，本方案中参考通道中的双通道反射器7和传感通道中的双通道反射器10分别通过匹配网络11和12连接着负载，即参考应变片13和感知应变片14。其中与传感通道的双通道反射器10连接的感知应变片14发生形变，而与参考通道的双通道反射器7连接的参考应变片13则保持固定不变，所以根据两路信号的差分可得到由应变而产生的变化，并实现温度的补偿。

具体地，用P矩阵分别表示叉指换能器和反射器，利用P矩阵的级联关系，推算出整个器件的导纳矩阵，

然后利用导纳矩阵解，整个反射型延迟线的反射系数S₁₁可以表示为:

其中Y_G为源与负载导。然后基于快速傅立叶变化(FFT)，频率域S₁₁将可以直接转换成时域信号。

本发明提供的应用于信号传递的声表面波反射型延迟线器件(15)，采用双通道的反射型延迟线结构,其中参考通道通过匹配网络与作为固定负载的参考应变片相连，传感通道则与感知应变片相连，通过差分的方法消除在应变测量过程中的温度干扰。另外，本发明采用外接应变片负载式感知应变量，比直接用声表面波器件测量应变更加的稳定可靠。因为当直接作用于声表面波器件上，难以解决由此产生的力温耦合问题。而且，如果直接用声表面波器件测量应变，则在测量应变的同时器件本身也会发生应变，这样不仅增加器件封装的难度，而且也会使器件受到损伤，减少器件的使用寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线无源声表面波应变传感器，其特征在于，包括：声表面波反射型延迟线器件(15)、第一匹配网络(11)、第二匹配网络(12)、参考应变片(13)和感知应变片(14)；

其中，所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过第一匹配网络(11)与所述参考应变片(13)连接；所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过第二匹配网络(12)与所述感知应变片(14)连接；

所述声表面波反射型延迟线器件(15)包括：第一吸声胶(1)、第二吸声胶(2)、压电晶体(3)、叉指换能器(4)和第一至第六双通道反射器(5-10)；

其中，所述第一吸声胶(1)和所述第二吸声胶(2)分别涂覆在所述压电晶体(3)两端；所述叉指换能器(4)和第一至第六双通道反射器(5-10)利用半导体光刻工艺制作于压电晶体(3)之上；所述第三双通道反射器(7)通过所述匹配网络(11)连接参考应变片(13)；所述第六双通道反射器(10)通过所述匹配网络(12)连接感知应变片(14)；所述第一至第六双通道反射器(5-10)中的第一至第三双通道反射器(5-7)构成参考通道；所述第四至第六双通道反射器(8-10)构成传感通道；

所述第一匹配网络(11)与第二匹配网络(12)分别由匹配电感(16)与匹配电容(17)构成的LC电路组成；

所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过所述LC电路与所述参考应变片(13)连接；所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过所述LC电路与所述感知应变片(14)连接。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第三通道反射器(7)与所述叉指换能器(4)之间的时域间隔，小于第四双通道反射器(8)与所述叉指换能器(4)之间的时域间隔；所述第一双通道反射器(5)与所述叉指换能器(4)之间的时域间隔为1.1～1.3μs。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电晶体(3)的材料可选用铌酸锂LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃、镓酸锂LiGaO₂和锗酸锂GeLi2O₃中的一种。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一双通道反射器(5)、所述第二双通道反射器(6)、所述第四双通道反射器(8)和所述第五双通道反射器(9)为温度补偿参考反射器。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一至第六双通道反射器(5-10)为短路反射栅型；

其中，第一至第三双通道反射器(5-7)电极数目随着所述第一至第三双通道反射器(5-7)与所述叉指换能器(4)之间的距离的增大而增加；

所述第四至第六双通道反射器(8-10)电极数目随着所述第四至第六双通道反射器(8-10)与所述叉指换能器(4)之间的距离的增大而增加。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考应变片(13)和所述感知应变片(14)的材料选用聚酰亚胺膜应变片；所述参考应变片(13)和所述感知应变片(14)的工作温度范围为：-70℃～200℃。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考应变片(13)和所述感知应变片(14)的结构相同，采用电容式应变片、电感式应变片和电阻式应变片中的一种。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述叉指换能器(4)的电极材料选用铝、铂和铜中的一种。