CN107289883A - 一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器，包括：天线、匹配电路、封装管座、柔性封装底片和SAW传感器件。其中，天线设置在匹配电路上，匹配电路通过信号引线与SAW传感器件连接。SAW传感器件由所述封装管座和柔性封装底片进行封装。SAW传感器件包括参考器件和感知器件，参考器件用于温度补偿，感知器件用于应变检测。传感器的原理是通过使用应变感知器件直接感受应变作用，从而导致相应谐振频率发生变化，然后经过解耦传感信息即可实现对待测物应变的感知。本发明通过采用两个单端对谐振型SAW器件参考器件和感知器件以差分的方法解决由环境温度对应变测量干扰的问题。

Description

一种差分式谐振器型的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。

发明内容

本发明主要针对一种无线无源声表面波应变传感器开展设计。为了解决由环境温度引起的对应变检测干扰的问题，本发明设计使用差分式双谐振器结构的无线无源声表面波应变传感器。

为实现上述目的，本发明提供一种无线无源声表面波应变传感器，该无线无源声表面波应变传感器包括：天线、匹配电路、封装管座、柔性封装底片和SAW传感器件。其中，天线设置在匹配电路上，匹配电路通过信号引线与SAW传感器件连接。SAW传感器件由封装管座和柔性封装底片进行封装。SAW传感器件包括参考器件和感知器件，参考器件用于温度补偿；感知器件用于应变检测，用于消除外界环境温度变化对应变检测的干扰。

参考器件和感知器件为两个基于相同压电基底材料的单端对SAW谐振器。参考器件包括：第一叉指换能器、第一反射器、第二反射器和第一压电晶体。其中，第一叉指换能器采用半导体光刻工艺制作于第一压电晶体之上。第一反射器和第二反射器分布于第一叉指换能器两边。感知器件包括：第二叉指换能器、第三反射器、第四反射器和第二压电晶体。其中，第二叉指换能器采用半导体光刻工艺制作于所述第二压电晶体之上。第三反射器和第四反射器分布于第二叉指换能器两边。

第一叉指换能器、第一反射器、第二反射器、第二叉指换能器、第三反射器和第四反射器采用余弦函数切指加权的形式。

参考器件纵向放置于柔性封装底片上，感知器件横向放置于柔性封装底片上。

优选的，参考器件的工作频率设置为442MHz，感知器件的工作频率设置为441MHz。

优选的，考虑到温度因素对应变测量造成的影响，压电晶体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，本发明提供的压电基底为采用绕Y向旋转0°～30°切割且沿X方向传播的石英晶体。

优选的，为使感知器件感受明显的应变变化，可增加设计感知器件的压电晶体的尺寸。一般的，感知器件的压电晶体的长度设置为8～15mm。而参考器件的压电晶体16的尺寸不作特别要求。

第一叉指换能器和第二叉指换能器分别设置有50对叉指电极。第一反射器、第二反射器、第三反射器和第四反射器分别设置有150对叉指电极。包括叉指电极和假指，其中假指不激发声表面波，但对声表面波的传播相位起补偿作用。叉指电极采用膜厚为100nm的铝电极，叉指电极之间的声孔径设置为100λ。

第一叉指换能器与第一反射器和第二反射器的距离，以及第二叉指换能器与第三反射器和第四反射器的距离分别设置为0.625λ。

优选的，所述天线可以选取微带天线，缝隙天线，环形天线或者直立天线。

进一步优选的，所述天线采用微带天线。

匹配电路，为保证感知器件与天线之间的阻抗匹配，使天线获取最大的输入功率，需要设计匹配阻抗电路。该匹配电路由一个LC串并联电路组成。

优选的，封装管座可以选取金属材料或者陶瓷材料。

优选的，柔性封装底片要求紧贴在待测应变平面上，并能随着待测应变平面完成同样程度的应变，因此柔性封装底片选取比较薄的，厚度为0.15～0.4mm，材料可选铝质，铁质等。

进一步说明，本发明设计的无线无源声表面波应变传感器工作原理如下：

首先，为了使SAW传感器件感受到应变，柔性封装底片需要紧贴在待测应变平面上。根据压电效应，感知器件和参考器件的第一叉指换能器和第二叉指换能器把由天线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第一压电晶体和第二压电晶体向左右两边传播，当经过感知器件和参考器件的第一反射器、第二反射器、第三反射器和第四反射器时声表面波被反射回去。被反射回来的左右两路声表面波在第一叉指换能器和第二叉指换能器处产生谐振，形成声表面波并由第一叉指换能器和第二叉指换能器转换为电磁波信号输出，并为雷达收发模块接收。当感知器件感受到应变时，导致叉指电极间距与第二叉指换能器、第三反射器和第四反射器间距均发生变化，导致SAW传播速度发生变化，并经过第二叉指换能器转换为电磁波信号输出，最后由雷达收发模块接收并信号解调处理获得应变传感信息。由于外围测试环境的影响，感知器件返回信号包含应变信息与温度信息；而参考器件纵向置于柔性封装底片上，在发生应变时并不导致电极间距与第一叉指换能器、第一反射器和第二反射器间距发生变化，因此参考器件返回信号仅包含温度信息，由此，通过感知器件和参考器件的返回信号的差分即可消除由环境温度对应变测量造成的影响。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器整体结构示意图；

图2为图1所示的一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器的SAW传感器件结构正面示意图；

图3为图1所示的一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器的SAW传感器件结构俯视示意图；

图4为本发明实施例提供的一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器的余弦函数切指加权的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器的匹配电路结构示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的无线无源声表面波应变传感器包括：天线1，匹配电路2，与SAW传感器件5。其中，匹配电路2上设置有天线1，SAW传感器件5与匹配电路2由信号引线6连接起来。本实施例所述的天线1采用微带天线。匹配电路2，是一个并联一个30nh匹配电感的网络，而且输入阻抗设置为50欧姆。SAW传感器件5由封装管座3与柔性封装底片4进行封装，并且包含参考器件8与感知器件9。其中，封装管座3采用陶瓷材料，柔性封装底片4采用厚度为0.3mm的铝质。

如图2所示，要使SAW传感器件5受到应变变化，需要让柔性封装底片4紧贴在待测应变平面7上，本实施例选用固体胶把两者粘在一起。

如图3所示，柔性封装底片4上固定一个参考器件8与一个感知器件9。参考器件8纵向放置，感知器件9横向放置。

由于参考器件8与感知器件9要求结构一样，以下以参考器件8为例对两个器件的设计参数进行说明：本具体实施例采用半导体光刻技术制备了所述的感知器件和参考器件均为单端对SAW谐振器，器件工作频率分别设置为441MHz和442M，压电晶体16、17采用Y向切割且沿X方向传播的石英晶体，叉指换能器10，11设置有50对叉指电极，分布于叉指换能器10,11两边的反射器12-13,14-15设置有150对叉指电极，声孔径为100λ(λ为对应声表面波的波长)。叉指换能器10,11与两边的反射器12-13,14-15的距离均设置为0.625λ。

如图4所示，叉指换能器10,11与反射器12-13,14-15均采用采用余弦函数切指加权，并且电极采用膜厚为100nm的铝电极。根据上述描述，同样的可采用半导体光刻技术制备了检测单端对谐振型SAW器件9。参考器件8的压电晶体16的长度设置为4mm，而感知器件9的压电晶体17的长度为10mm。

如图5所示，匹配电路2由一个LC串并联电路组成，包括匹配电感18和匹配电容19。

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 (10)

1.一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器，其特征在于，包括：天线(1)、匹配电路(2)、封装管座(3)、柔性封装底片(4)和SAW传感器件(5)；

其中，所述天线(1)设置在所述匹配电路(2)上，所述匹配电路(2)通过信号引线(6)与所述SAW传感器件(5)连接；所述SAW传感器件(5)由所述封装管座(3)和柔性封装底片(4)进行封装；

所述SAW传感器件(5)包括参考器件(8)和感知器件(9)，所述参考器件(8)用于温度补偿；所述感知器件(9)用于应变检测。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考器件(8)和所述感知器件(9)为两个基于相同压电基底材料的单端对SAW谐振器；

所述参考器件(8)包括：第一叉指换能器(10)、第一反射器(12)、第二反射器(13)和第一压电晶体(16)；其中，所述第一叉指换能器(10)采用半导体光刻工艺制作于所述第一压电晶体(16)之上；所述第一反射器(12)和所述第二反射器(13)分布于所述第一叉指换能器(10)两边；

所述感知器件(9)包括：第二叉指换能器(11)、第三反射器(14)、第四反射器(15)和第二压电晶体(17)；其中，所述第二叉指换能器(11)采用半导体光刻工艺制作于所述第二压电晶体(17)之上；所述第三反射器(14)和第四反射器(15)分布于所述第二叉指换能器(11)两边；

所述第一叉指换能器(10)、第一反射器(12)、第二反射器(13)、第二叉指换能器(11)、第三反射器(14)和第四反射器(15)采用余弦函数切指加权的形式。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述参考器件(8)纵向放置于所述柔性封装底片(4)上，所述感知器件(9)横向放置于所述柔性封装底片(4)上。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一压电晶体(16)和所述第二压电晶体(17)采用绕Y向旋转0°～30°切割且沿X方向传播的石英晶体；所述第二压电晶体(17)的长度设置为8～15mm。

5.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一叉指换能器(10)和第二叉指换能器(11)分别设置有50对叉指电极；所述第一反射器(12)、第二反射器(13)、第三反射器(14)和第四反射器(15)分别设置有150对叉指电极；包括叉指电极和假指，其中假指不激发声表面波，但对声表面波的传播相位起补偿作用；所述叉指电极采用膜厚为100nm的铝电极，叉指电极之间的声孔径设置为100λ；

所述第一叉指换能器(10)与所述第一反射器(12)和第二反射器(13)的距离，以及第二叉指换能器(11)与所述第三反射器(14)和第四反射器(15)的距离分别设置为0.625λ。

6.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述参考器件(8)的工作频率设置为442MHz，所述感知器件(9)的工作频率设置为441MHz。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述天线(1)选取微带天线、缝隙天线、环形天线或者直立天线。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述匹配电路(2)由一个LC串并联电路组成，为保证所述参考器件(8)和所述感知器件(9)与所述天线(1)之间的阻抗匹配，使所述天线(1)获取最大的输入功率。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述封装管座(3)选取金属材料或者陶瓷材料。

10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述柔性封装底片(4)选取厚度为0.15～0.4mm的铝质或铁材料。