CN107687827A - 一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器,包括声表面波传感器件、匹配电路和天线，匹配电路与声表面波传感器件连接，天线设置在匹配电路上；声表面波传感器件设置有第一固定模块和第二固定模块，第一固定模块和所述第二固定模块为增敏式结构。本发明为无线无源声表面波应变传感器提供一种增敏式结构，可通过改变第一固定模块与第二固定模块的距离，或改变第一固定模块与第二固定模块对声表面波传感器件的固定位置，实现对增敏效果的调节，实现更高的测量精度，从而改善传统声表面波应变传感器灵敏度较低的问题。本发明提供的设计结构安装方便，可靠性好，可重复使用。

Description

一种具有增敏式结构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，尤其是涉及一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器。

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。

但是，传统的基于声表面波技术的无线无源应变传感器由于声表面波器件本身需要封装，从而导致封装内的声表面波器件只能感受及其微弱的应变，使传感器的灵敏度降低。本发明即是设计一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器，主要目的是提高无线无源声表面波应变传感器的灵敏度。

发明内容

本发明为了解决声表面波应变传感器灵敏度较低、难安装的问题，本发明设计使用一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器。

为实现上述目的，本发明提供一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器，包括声表面波传感器件、匹配电路和天线，匹配电路与声表面波传感器件连接，天线设置在匹配电路上；声表面波传感器件设置有第一固定模块和第二固定模块，第一固定模块和所述第二固定模块为增敏式结构。

优选的，第一固定模块和第二固定模块可设置为三棱锥结构或长方体结构，声表面波传感器件的左右两端分别固定在三棱锥的顶点上或长方体的顶面上。

同样的，第一固定模块和第二固定模块可设置为凹槽式结构，声表面波传感器件的左右两端分别固定在凹槽式结构的凹槽内。

优选的，声表面波传感器件采用反射型延迟线结构或谐振型结构，包括：叉指换能器、第一反射器、第二反射器和压电晶体；其中叉指换能器、第一反射器和第二反射器由半导体工艺沉淀于压电晶体上。

优选的，声表面波传感器件采用陶瓷管座或金属管座封装。

优选的，第一固定模块和所述第二固定模块的高度相同从而保证声表面波器件与待测平面平行，其间距设置在8～15mm。

优选的，匹配电路包括一个LC串并联电路，且匹配电路与声表面波传感器件内的叉指换能器连接。

优选的，第一固定模块和所述第二固定模块的安装方式包括：通过在第一固定模块和第二固定模块的底面涂上有机胶水粘贴在待测平面上；或者通过焊接的方式，将第一固定模块和第二固定模块焊接在待测平面上；或者在第一固定模块和第二固定模块的底面设置螺孔，通过螺栓将其固定在待测平面上。

优选的，声表面波传感器件中的压电晶体材料可选用铌酸锂、钽酸锂、镓酸锂、及锗酸锂等高压电系数材料。

优选的，叉指换能器与反射器中的叉指电极材料可选择铝、铂、铜。

进一步说明，可通过改变增敏式结构第一固定模块与第二固定模块的距离，或改变第一固定模块与第二固定模块对声表面波传感器件的固定位置，从而调节增敏式结构的增敏效果。

本发明主要为无线无源声表面波应变传感器提供一种增敏式结构，可通过改变第一固定模块与第二固定模块的距离，或改变第一固定模块与第二固定模块对声表面波传感器件的固定位置，实现对增敏效果的调节，实现更高的测量精度，从而改善传统声表面波应变传感器灵敏度较低的问题。本发明提供的设计结构安装方便，可靠性好，可重复使用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器固定模块为三棱锥结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器固定模块为长方体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器固定模块为凹槽式结构示意图；

图4为本发明实施例提供的匹配电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的声表面波传感器件反射型延迟线结构示意图；

图6为本发明实施例提供的声表面波传感器件谐振型结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种增敏式结构实物示意图；

图8为图7提供的一种增敏式结构尺寸大小示意图；

图9为图7提供的一种增敏式结构安装示意图。

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，本发明实施提供的一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器固定模块为三棱锥结构示意图。

如图2所示，本发明实施提供的一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器固定模块为长方体结构示意图。

结合图1、图2说明，传感器包括：第一固定模块1a、第二固定模块1b、声表面波传感器件2、匹配电路3和天线4；第一固定模块1a和第二固定模块1b为增敏式结构。其中，匹配电路3上设置有天线4，匹配电路3与声表面波传感器件2连接，声表面波传感器件2固定在第一固定模块1a和第二固定模块1b上。第一固定模块1a和第二固定模块1b固定在声表面波传感器件2两侧，第一固定模块1a固定在左端，第二固定模块1b固定在右端，且第一固定模块1a和第二固定模块1b设计高度相同。第一固定模块1a和第二固定模块1b可以是三棱锥结构或是长方体结构，声表面波传感器件2的左右两端分别固定在三棱锥的顶点上或长方体的顶面上。

如图3所示，本发明实施提供的一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器固定模块为凹槽式结构示意图。即第一固定模块1a和第二固定模块1b可以设计为凹槽式结构，声表面波传感器件的左右两端分别固定在凹槽内。

如图4所示，为本发明实施例提供的匹配电路结构示意图。匹配电路3由一个LC串并联电路组成，且匹配电路3与声表面波传感器件2内的叉指换能器5连接。由于本方案中具体参数设置的要求，此处并联一个30nH大小的匹配电感即可。并且输入端阻抗输出匹配至50欧姆。

如图5所示，为本发明实施例提供的声表面波传感器件反射型延迟线结构示意图。声表面波传感器件2采用反射型延迟线结构或谐振型结构，包括：叉指换能器5、第一反射器6、第二反射器7和压电晶体8。其中叉指换能器5、第一反射器6和第二反射器7由半导体工艺沉淀于所述压电晶体8上。声表面波传感器件2采用陶瓷管座或金属管座封装。

本实施例则提供了一种声表面波传感器件2采用反射型延迟线结构，其中参数如下：压电晶体8选用YZ-LiNbO3，压电晶体8尺寸的长和宽分别为10mm和4mm。声表面波传感器件2频率设为890M，叉指换能器5的叉指电极数目为20对。反射器6-7采用短路反射型，其电极数目从左到右依次是7对、8.5对。叉指换能器5与第一个反射器6的距离是854λ(λ为对应声波长)，第一个反射器6与第二个反射器7的距离是66.75λ。叉指换能器5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。所述的两个反射器6-7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。最后叉指换能器5与外电路(即匹配电路3)相连。

如图6所示，为本发明实施例提供的声表面波传感器件谐振型结构示意图。

如图7所示，为本发明实施例提供的一种增敏式结构实物示意图。本实施例提供一种凹槽式结构。

如图8所示，为图7提供的一种增敏式结构尺寸大小示意图。

如图9所示，为图7提供的一种增敏式结构安装示意图。

第一固定模块1a与第二固定模块1b，其安装在待测平面上的方式：采用在第一固定模块1a与第二固定模块1b的底面涂上有机胶水粘贴在待测平面上。还可选择通过焊接的方式，将第一固定模块1a与第二固定模块1b焊接在待测平面上；或在第一固定模块1a与第二固定模块1b的底面设置螺孔，通过螺栓将其固定在待测平面上。

为了能刚好插进增敏式结构的凹槽内，根据如8所示尺寸，要求声表面波器件2的封装厚2.1mm，匹配电路3板厚2.5mm。为加强固定，可在凹槽内涂抹一些有机胶水。增敏式结构第一固定模块1a与第二固定模块1b与声表面波传感器件2和匹配电路3的安装示意图如图9所示。

进一步说明，如图9所示，声表面波传感器件2由于左右两端分别被第一固定模块1a与第二固定模块1b固定，第一固定模块和第二固定模块之间产生间距11，要求压电晶体必须置于声表面波器件的间距11部分范围内。间距11长度设置为8～15mm。

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 (9)

1.一种具有增敏式结构的无线无源声表面波应变传感器，包括声表面波传感器件(2)、匹配电路(3)和天线(4)，所述匹配电路(3)与所述声表面波传感器件(2)连接，所述天线(4)设置在所述匹配电路(3)上；其特征在于，所述声表面波传感器件(2)设置有第一固定模块(1a)和第二固定模块(1b)，所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)为增敏式结构。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)设置为三棱锥结构或长方体结构，所述声表面波传感器件(2)的左右两端分别固定在所述三棱锥的顶点上或所述长方体的顶面上；或者

所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)设置为凹槽式结构，所述声表面波传感器件(2)的左右两端分别固定在凹槽式结构的凹槽内。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述声表面波传感器件(2)采用反射型延迟线结构或谐振型结构，包括：叉指换能器(5)、第一反射器(6)、第二反射器(7)和压电晶体(8)；

其中所述叉指换能器(5)、第一反射器(6)和第二反射器(7)由半导体工艺沉淀于所述压电晶体(8)上。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述声表面波传感器件(2)采用陶瓷管座或金属管座封装。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)的高度相同从而保证所述声表面波器件(2)与待测平面平行，其间距设置在8～15mm。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述匹配电路(3)包括一个LC串并联电路，且所述匹配电路(3)与所述声表面波传感器件(2)内的所述叉指换能器(5)连接。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)的安装方式包括：

通过在所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)的底面涂上有机胶水粘贴在待测平面上；或者

通过焊接的方式，将所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)焊接在待测平面上；或者

在所述第一固定模块(1a)和所述第二固定模块(1b)的底面设置螺孔，通过螺栓将其固定在待测平面上。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述声表面波传感器件(2)中的压电晶体(8)材料包括选用铌酸锂，钽酸锂、镓酸锂或锗酸锂。

9.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述叉指换能器(5)中的叉指电极材料选用铝、铂或铜。