CN110017927A - 一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，属于汽车转向控制检测领域。由弹性轴、第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器、第三声表面波谐振器、传感器PCB板以及天线组成。本发明利用第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器消除温度对扭矩测量的影响，利用第一声表面波谐振器精确测量汽车转向扭矩。本发明利用声表面波技术具有无线无源传输信号的特点并且结合创新性结构，以达到消除环境温度变化对扭矩信号测量的干扰的目的，保证转向扭矩测量的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，尤其涉及一种无线无源测量汽车转向扭矩且拥有温度补偿功能的声表面波传感器，属于汽车转向检测技术领域。
背景技术
转向扭矩是汽车转向系统的重要工作参数之一，扭矩信号是转向系统机械运行状态监测和优化控制的主要信息来源。准确的扭矩测量，能够为传动装置的设计提供科学的数据，对汽车转向系统的机械运行状况进行必要的监测和故障分析。
目前应用于汽车转向系统的扭矩传感器有如下几种形式：电位计式扭矩传感器，其属于接触式测量方式，由于其工作时磨损严重，导致其测量精度不高，使用寿命较短；电感式扭矩传感器，其属于非接触式测量方式，由于结构中含有磁性元件，导致测量结果受温度影响较大；电磁式扭矩传感器，其属于非接触式测量方式，由于结构简单，动态性能好，所以是目前汽车转向系统中使用最为广泛的扭矩传感器，但是极易受到外界磁场干扰，导致测量精度降低，如果增加电磁屏蔽设施，又会增大其整体结构。
因此亟待设计一种新型的应用于测量汽车转向扭矩的传感器，以达到减小传感器结构尺寸，降低环境温度影响，提高扭矩测量的响应速度与灵敏度的目的。声表面波传感器具有无源无线、体积小、精度高、灵敏度高及抗高干扰能力强等优点,基于此声表面波传感器的扭矩测量技术显示出了独特的优势。
经过对现有技术文献检索后发现，虽然有基于声表面波无源无线式扭矩传感器结构及原理的相关研究，但是被测转轴工作条件及结构特点与汽车转向系统差别较大，所以目前并未有一种无线无源测量汽车转向扭矩且拥有温度补偿功能的声表面波传感器。
发明内容
本发明提出了一种无线无源测量汽车转向扭矩且拥有温度补偿功能的声表面波传感器，该传感器安装在汽车转向系统的扭杆上，用于测量方向盘转动时输入轴与输出轴之间的扭矩，以至少解决现有汽车扭矩传感器结构复杂,存在易受温度干扰的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，由弹性轴、第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器、第三声表面波谐振器、传感器PCB板以及天线组成。
所述弹性轴采用的材料为60Si2Mn弹簧钢，弾性轴直径为25mm，弾性轴上有一个切削平台。
所述第一声表面波谐振器，为单端口谐振器，中心频率437MHz,温度灵敏度为2.037kHz/℃，应变灵敏度为1.931kHz/Micro-strain,粘贴于所述弹性轴的切削平台，粘贴方向与所述弹性轴主轴线方向呈45°，基底材料为石英单晶体。
所述第二声表面波谐振器，其为单端口谐振器，中心频率435MHz,温度灵敏度为15.545kHz/℃，应变灵敏度为0.941kHz/Micro-strain,粘贴于所述弹性轴的切削平台，粘贴方向与所述弹性轴主轴线方向呈30°，基底材料为石英单晶体。
所述第三声表面波谐振器，其为单端口谐振器，中心频率433MHz,温度灵敏度为-15.548kHz/℃，应变灵敏度为0.941kHz/Micro-strain,粘贴于弹性轴的切削平台，粘贴方向与所述弹性轴轴线方向呈-30°，基底材料为石英单晶体。
所述传感器PCB板材料是树脂材料，形状为矩形，上面印刷有信号处理电路。
所述天线由天线帽、天线座及导线组成，所述天线形状为棒状，高度为3cm。
本发明采用的技术方案工作原理如下：
当车辆直线行驶或怠速时，由于驾驶员未转动汽车方向盘，弾性轴未受扭力，不会发生弹性形变，粘贴在弾性轴切削平台上的第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器未受到激励，第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器未受到激励发出的信号频率和本身固有的中心频率相同，天线接收到第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器的信号后，将信号传给传感器PCB板上的处理电路进行处理，处理后传感器即可把扭矩未发生变化的信号输出；
当驾驶员转动方向盘时，弾性轴受到扭力，发生形变，粘贴在弾性轴切削平台上的第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器受到激励后发出的信号频率和本身的固有频率不同，天线接收到信号后，将信号传给传感器PCB板上的处理电路进行处理，处理后传感器即可把检测到的扭矩变化的信号输出；
一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器消除温度的原理是处理电路接收到天线发来第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器的频率信号后，处理电路将第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器的频率信号进行差分，由于第二声表面波谐振器及第三声表面波谐振器具有相同的应变灵敏度，不同的温度灵敏度，差分后的信号不仅消除了弹性轴形变的影响，温度灵敏度也提升了一倍，测得温度更准确。准确的温度测量可以为第一声表面被谐振器测得扭矩信号做温度补偿。
与现有汽车转向扭矩测量技术相比,本发明所达到的有益效果为：
1)在天线和谐振器之间的信号传输方式上选用无线的方式，选用该方式优点是安装方便灵活，不受设备结构和空间影响，简化了信号收发电路，另外，谐振器本身具有无源的特点，传感器不需定期更换电池，使用寿命长，安装成功后基本免维护；
2)利用差分原理，第二声表面波谐振器和第三声表面波谐振器经过差分后，温度灵敏度提高一倍，对环境温度的变化感知更明显，能够精确的检测环境温度，天线将差分后的信号传给处理电路后，处理电路根据此信号对第一声表面波谐振器测得的扭矩信号进行温度补偿，从而使扭矩测量结果更加精确。
附图说明
图1是本发明的一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器的结构示意图；
图2是本发明的一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器粘贴的声表面波谐振器结构示意图；
图3是本发明的一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器的天线结构示意图。
图中：1为弾性轴；2为第一声表面波谐振器；3为第二声表面波谐振器；4为第三声表面波谐振器；5为传感器PCB板；6为切削平台；7为天线；8为反射栅；9为叉指换能器；10为石英压电基底；11为天线帽；12为天线座；13为导线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
在此，还需要说明的一点是，为了避免不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅表示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而忽略了与本发明关系不大的其他细节。
一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，由弾性轴1、第一声表面波谐振器2、第二声表面波谐振器3、第三声表面波谐振器4、传感器PCB板5及天线7组成；
如图1所示，本发明所述弾性轴1中间有一切削平台，所述第一声表面波谐振器2粘贴于所述弹性轴1的切削平台，粘贴方向与所述弹性轴1主轴线方向呈45°，所述第二声表面波谐振器3粘贴于所述弹性轴1的切削平台，粘贴方向与所述弹性轴1主轴线方向呈30°，所述第三声表面波谐振器4粘贴于所述弹性轴1的切削平台，粘贴方向与所述弹性轴1主轴线方向呈-30°，所述传感器PCB板5粘贴在所述弹性轴1的切削平台上，粘贴方向与所述弹性轴1主轴线平行，所述天线7固定在所述弾性轴1的外侧与所述弾性轴1主轴线平行的位置。
如图2所示，本发明所述第一声表面波谐振器2、第二声表面波谐振器3以及第三声表面波谐振器4均由反射栅8、叉指换能器9、石英压电基底10组成。
如图3所示，本发明所述天线7由天线帽11、天线座12及导线13组成，所述导线13一端连接在所述天线座12上，另一端连接在所述传感器PCB板5上。
温度补偿方案
所述第二声表面波谐振器3和所述第三声表面波谐振器4经过差分后温度灵敏度提高一倍为：
15.545-(-15.548)＝31.093kHz/℃
所述第二声表面波谐振器3和所述第三声表面波谐振器4差分后的到频率差为：
Δf＝f2-f3
其中，f2和f3分别为所述第二声表面波谐振器3和所述第三声表面波谐振器4实时测得的频率。
测得环境变化温度为：
所以所述一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器输出频率可表示为：
f＝f1-2.037×ΔT
其中，f1为所述第一声表面波谐振器2的中心频率。
Claims (4)
1.一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，其特征在于它由弾性轴(1)、第一声表面波谐振器(2)、第二声表面波谐振器(3)、第三声表面波谐振器(4)、传感器PCB板(5)及天线(7)组成；
所述弾性轴(1)，所述弾性轴(1)上有一个切削平台(6)；
所述第一声表面波谐振器(2)，其为单端口谐振器，中心频率437MHz,温度灵敏度为2.037kHz/℃，应变灵敏度为1.931kHz/Micro-strain,粘贴于弹性轴(1)的切削平台(6)，粘贴方向与所述弹性轴(1)的主轴线方向呈45°，基底材料为石英单晶体；
所述第二声表面波谐振器(3)，其为单端口谐振器，中心频率435MHz,温度灵敏度为15.545kHz/℃，应变灵敏度为0.941kHz/Micro-strain,粘贴于弹性轴(1)的切削平台(6)，粘贴方向与所述弹性轴(1)主轴线方向呈30°，基底材料为石英单晶体；
所述第三声表面波谐振器(4)，其为单端口谐振器，中心频率433MHz,温度灵敏度为-15.548kHz/℃，应变灵敏度为0.941kHz/Micro-strain,粘贴于弹性轴(1)的切削平台(6)，粘贴方向与所述弹性轴(1)主轴线方向呈-30°，基底材料为石英单晶体；
所述传感器PCB板(5)粘贴在所述弹性轴(1)上的切削平台(6)上，粘贴方向与所述弹性轴(1)主轴线平行；
所述天线(7)固定在所述弾性轴(1)的外侧与所述弾性轴(1)主轴线平行。
2.根据权利要求1所述的一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，其特征在于：
所述弾性轴(1)其材料为60Si2Mn弹簧钢，直径为25mm，所述弾性轴(1)有一切削平台(6)位于所述弾性轴中端中心位置，切削深度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，其特征在于：
所述传感器PCB板(5)采用的材料是树脂材料，形状为矩形。
4.根据权利要求1所述的一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器，其特征在于：
所述天线(7)由天线帽(11)、天线底座(12)以及导线(13)组成，所述天线形状为棒状，高度为3cm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810013692.1A CN110017927A (zh) | 2018-01-08 | 2018-01-08 | 一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110017927A true CN110017927A (zh) | 2019-07-16 |
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| CN201810013692.1A Pending CN110017927A (zh) | 2018-01-08 | 2018-01-08 | 一种测量汽车转向扭矩的声表面波传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110017927A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115014604A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-06 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性扭矩测量联轴装置、监测系统装置及测量方法 |
| CN115135567A (zh) * | 2020-02-18 | 2022-09-30 | 蒂森克虏伯普利斯坦股份公司 | 用于机动车的机电助力转向装置的转向轴的saw扭矩传感器 |
-
2018
- 2018-01-08 CN CN201810013692.1A patent/CN110017927A/zh active Pending
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| CN115014604A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-06 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性扭矩测量联轴装置、监测系统装置及测量方法 |
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Application publication date: 20190716 |
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