CN114485498B - 一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，通过在声表面波高温应变传感器产生瑞利波模式两个谐振频率，此两谐振频率处于同一个传感器，采用同一个粘结，所以受到相同的应变传递比例，又因为是同样的瑞利波的SAW结构，所以两个谐振频率的温度系数和应变传底系数一样，但是两谐振频率对应变的敏感程度却有明显差异；利用此传感器的两谐振频率的应变灵敏度差值能够有效将应变传递比例、温漂等温度效应与被测应变的效应分离开来，大幅提升高温应变测试的精度和可重复性。

Description

一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法

技术领域

本发明涉及声表面波应变传感器的应用领域，特别是涉及一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法。

背景技术

采用合适压电衬底制备的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件，能够稳定在各种极端环境下稳定工作，如高温、高压、大应变环境。另一方面，声表面波器件能够对温度、适度、应变等多种参数进行响应，且具备较高灵敏度和线性度，能对多种参数高精度监测。SAW器件可以用于无线无源产，具备尺寸小、品质因数高、远距离监测的优点。因此，声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器在实际生产中是一种理想的传感技术。

高温应变传感器是一种重要传感器，能够有效监测燃烧室、透平机、高温轧辊、高温锅炉等高温场所的应变状态，从而提升生产的精度。高温应变应用环境，多是高温运动等复杂环境，需要采用无线无源的方式实现原位在线连续的监测。声表面波传感器因为其高Q值优势，所以相对于一般的金属传感器是更合适的做无线无源传感器。然而，声表面波传感器在测量应变时候受到温度影响很大，主要是因为：(1)声表面波传感器温度系数大，比如LGS的温度系数比应变灵敏度大十倍以上，温度会显著影响应变的测量精度。(2)高温应变SAW传感器实际应用中必须与被测物体粘结，而高温会破坏SAW传感器与被测物体的粘结强度，从而导致应变无法真实有效的传递至传感器。这两种温度效应会大大降低SAW传感器的精度和可重复性。在测量应变时候，测量SAW的谐振频率漂移Δf₁，通过应变灵敏度S_m1(T,ξ)计算出实际应变，

应变灵敏度通过标准件校准获得，但是S_m1(T,ξ)受温度T和应变胶软化导致应变传递系数ξ波动的影响很大，导致测量不准确。因此需要一种能够降低温度影响的高温声表面波应变传感器的高精度测试方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，包括如下步骤：

步骤1：应变传感器使用应变胶贴合设置于被测物体表面；其中应变传感器为声表面波传感器，应变传感器存在瑞利波模式下的两个谐振频率；

步骤2：被测物体发生应变时，获取应变传感器在瑞利波模式下的两个谐振频率各自的漂移量，漂移量与应变存在对应关系；其中漂移量表示谐振频率的变化差值；

步骤3：根据两个谐振频率漂移量差值与应变灵敏度的差值之比，获得被测物体的外加应变量。

进一步的，所述步骤1中的声表面波传感器包括压电衬底层、叉指电极和反射栅；压电衬底层为耐高温的压电晶体材料，包括硅酸镓镧和氮化铝材料；叉指电极和反射栅均设置于压电衬底层上，反射栅对称设置于叉指电极两侧。

进一步的，所述叉指电极和反射栅均为包含过渡层和导电层的金属复合结构；过渡层位于导电层与压电衬底层之间，用于增加高温结合力。

进一步的，所述过渡层金属薄膜的厚度为10-100nm，采用钛或铬材料；导电层的厚度范围为10-1000nm，采用铂、金、铑材料，或者铂、金、铑中任意两者及以上组合形成的合金材料。

进一步的，所述瑞利波的波长范围为1-10um；叉指电极和反射栅的电极厚度与瑞利波波长之比大于2％。

进一步的，所述应变传感器的两个谐振频率根据金属电极对瑞利波的色散获得，两个谐振频率随温度变化具有相同的变化趋势，但是应变灵敏度不一样，同一个应变传感器的两个谐振频率的应变胶应变传递系数也一样。

进一步的，所述步骤3中根据两个谐振频率的漂移量，获得外加应变ε_applied的过程表示为：

其中ε_applied表示外加应变；Δf₁与Δf₂分别表示施加外加应变后测量获得的两个谐振频率的的漂移量；S_m1(T,ξ)与S_m2(T,ξ)分别表示应变传感器的两个谐振频率的应变灵敏度；获得Sm1(T,ξ)-Sm2(T,ξ)值与应变胶应变传递系数ξ和温度T无关，从而避免了温度波动的影响。

本发明的有益效果为：

传统的应变测量方法是测量SAW某个谐振峰，应变前后的谐振峰漂移量Δf₁，然后用事先标定的应变灵敏度，算出施加的应变，公式是Δf₁＝S_m1(T,ξ)ε_applied。该方法用到的事先标定的应变灵敏度，是一些离散应变点的校准标定值，实际测量的应变点的应变灵敏度需要用最近两个点的数据做线性的插值计算获得。但是应变灵敏度高温下受温度影响很大，线性插值计算会带来很大误差，如果能够改变计算方法，使用不受温度影响的量计算，会显著提高测量精度。本发明的声表面波高温应变传感器能够产生瑞利波模式两个谐振频率，如图2，此两谐振频率处于同一个传感器，采用同一个粘结，所以受到相同的应变传递系数，又因为是同样的瑞利波的SAW结构，所以两个谐振频率的温度系数一样，如图3，但是两谐振频率对应变的敏感程度却有明显差异如图4；利用此传感器的两谐振频率的应变灵敏度差值能够有效将应变传递系数、温漂等温度效应扣除，从而大幅提升高温应变测试的精度和可重复性，如图5；

本发明的测试方法相对于直接利用应变灵敏度与谐振频率变化测量外加应变，剥离了应变灵敏度S_m1(T,ξ)与S_m2(T,ξ)中耦合的温度效应。

附图说明

图1为本发明实施例一的高温应变声表面波应变传感器的实例结构示意图；

图2为本发明实施例一的回波损耗特性(S₁₁参数)及两谐振频率测试结果；

图3为本发明实施例一的不同温度下的谐振频率测试结果；

图4为本发明实施例一的高温应变测试的应变灵敏度结果；

图5为本发明实施例一的重复测试结果及与传统方法的重复性对比；

附图标识说明：压电衬底层1、导电层、叉指电极21、反射栅22。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明为一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，包括如下步骤：

步骤1：应变传感器通过应变胶贴合设置于被测物体表面；其中应变传感器为声表面波传感器，应变传感器的表面存在瑞利波模式下的两个谐振频率；

步骤2：被测物体发生应变时，获取应变传感器在瑞利波模式下的两个谐振频率与未发生应变时的漂移量，漂移量与应变存在对应关系；其中漂移量表示谐振频率的变化差值；

步骤3：根据两个谐振频率漂移量与应变灵敏度的差值之比，获得被测物体的外加应变量。

如图1所示，所述步骤1中的声表面波传感器包括压电衬底层1、叉指电极21和反射栅22；压电衬底层1为耐高温的压电晶体材料，包括硅酸镓镧(LGS)和氮化铝材料；叉指电极21和反射栅22均设置于压电衬底层1；反射栅对称设置于叉指电极两侧。

叉指电极21和反射栅22为过渡层和导电层的金属复合结构，过渡层设置于导电层与压电衬底层之间。过渡层为10-100nm厚度的金属薄膜，采用钛或铬材料；导电层的厚度范围为10-1000nm，采用铂、金、铑材料，或者铂、金、铑中任意两者及以上组合形成的合金材料。瑞利波的波长范围为1-8um；叉指电极和反射栅的电极厚度与瑞利波波长之比大于2％，其中电极厚度表示叉指电极和反射栅的黏附层厚度和导电层厚度之和；或者叉指电极和反射栅的导电层部分厚度与瑞利波波长之比大于2％。通过在压电衬底层1上叉指电极21和反射栅22的给定结构尺寸设置，使得压电衬底层1表面的声表面波在传播过程中产生了色散并具有两种相速度，使压电衬底层1表面能够在同一声学模式的声表面波产生两个谐振频率。

所述步骤2中应变传感器在被测物体发生应变时产生的谐振频率漂移量分别表示为Δf₁与Δf₂，在实施过程中谐振频率漂移Δf₁与Δf₂，通过分别测量施加外加应变后的应变传感器在瑞利波模式下的谐振频率，与无外加应变时的谐振频率作差获得。谐振频率漂移随外加应变ε_applied呈存在线性变化关系，表示为：

Δf₁＝S_m1(T,ξ)ε_applied (1)

Δf₂＝S_m2(T,ξ)ε_applied (2)

其中，S_m1(T,ξ)与S_m2(T,ξ)分别表示应变传感器的两个谐振频率的应变灵敏度。应变灵敏度为测量值。

所述步骤3中根据两个谐振频率的漂移量，获得外加应变ε_applied的过程表示为：

其中，获得的[Sm1(T,ξ)-Sm2(T,ξ)]的差值与应变胶应变传递系数的影响以及环境温度的影响无关；应变传递系数ξ表示应变胶传递给应变传感器的应变与被测物体的外加应变量的关系。

下面结合实施例具体进行说明。

实施例一：

在本例中，应变传感器的导电层为160nm厚度的铂金属，过渡层为10nm钛，压电衬底层表面的电极宽度和电极间距均为1.66um。压电衬底层为LGS材料。

如图2所示，测得无外加应变时的应变传感器在瑞利波模式下的两个谐振频率SPeak1与SPeak2，分别为对称模式和反对称模式的瑞利波，其中瑞利波的波长小于8μm；这两种瑞利波由于色散的加剧而产生了更大的相速度差异，最终形成了两个谐振频率，在回波损耗特性图2中体现为两个向下的谐振峰。

如图3所示，由于这两个谐振频率是根据声表面波色散获得的，因此两个谐振频率虽然具有一定差异，但是对温度的敏感程度具有相似的特性，随温度变化具有相似的变化趋势。且由于两个谐振频率体现在同一S11参数图上，因此无论温漂有多快，两个谐振频率所受到的温漂是一样的。使两个谐振频率面对同一个温漂时会产生相近的谐振频率变化。

将应变传感器通过陶瓷胶黏贴在被测物体表面，由网络分析仪或者天线接收器读取传感器的两个谐振频率，其中陶瓷胶主要成分为硅酸盐，具备耐高温的特性。被测物体为钛合金片(TC4)，尺寸为42mm*140mm*2mm。钛合金片位于高温炉内，一端固定，利用推杆推动合金片尾部使钛合金片弯曲，从而施加应变给钛合金片与应变传感器；需要说明的是钛合金片的应变方向与应变传感器的叉指电极方向一致。

如图4所示，测得两个谐振频率的应变灵敏度随温度变化发生不规律的波动，主要是因为外加应变从被测物体至应变传感器的应变传递系数，受应变胶或粘结点在高温下的性能退化影响，产生波动，应变传递系数的波动会耦合进高温应变测试的应变灵敏度当中，并且这个波动在重复实验当中并不统一，最终导致应变测试精度和重复性的大幅降低。如图4中的曲线SPeak1与SPeak2，应变灵敏度随温度变化具有非常高的非线性，这就是由于应变传递系数的波动所引起，存在较高非线性的应变灵敏度不利于重复测试；但是两个谐振频率的应变灵敏度的差值接近于一个常数，因为两个谐振频率具有相同的温漂和应变传递系数，通过作差有效削减了温度效应的影响，包括温漂以及应变胶或粘结点的性能波动影响。

如图5所示，在500℃下380με的高温应变重复测试，并采用商用的高温金属应变计在同等条件下的测试数据作为传统测试数据。经过对比，本实施例中计算获得的外加应变与实际的外加应变偏差只有2.63％，而传统直接利用一个谐振频率的应变灵敏度的传统测量的应变偏差有15.47％，重复实验偏差约为实施例的6倍。同时随着测试的进行，传统方法的测试偏差也会不断加大，因此本实施例的方法具有更高的重复性，并且能够有效克服温度对应变传感器的影响。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：应变传感器使用应变胶贴合设置于被测物体表面；其中应变传感器为声表面波传感器，应变传感器存在瑞利波模式下的两个谐振频率；

步骤2：被测物体发生应变时，获取应变传感器在瑞利波模式下的两个谐振频率各自的漂移量，漂移量与应变存在对应关系；

步骤3：根据两个谐振频率漂移量的差值与应变灵敏度的差值之比，获得被测物体的外加应变量。

2.根据权利要求1所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述步骤1中的声表面波传感器包括压电衬底层、叉指电极和反射栅；压电衬底层为耐高温的压电晶体材料，包括硅酸镓镧和氮化铝材料；叉指电极和反射栅均设置于压电衬底层上，反射栅对称设置于叉指电极两侧。

3.根据权利要求2所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述叉指电极和反射栅均为包含过渡层和导电层的金属复合结构；过渡层位于导电层与压电衬底层之间，用于增加高温结合力。

4.根据权利要求3所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述过渡层金属薄膜的厚度为10-100nm，采用钛或铬材料；导电层的厚度范围为10-1000nm，采用铂、金、铑材料，或者铂、金、铑中任意两者及以上组合形成的合金材料。

5.根据权利要求4所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述瑞利波的波长范围为1-10um；叉指电极和反射栅的电极厚度与瑞利波波长之比大于2％。

6.根据权利要求5所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述应变传感器的两个谐振频率根据金属电极对瑞利波的色散获得，两个谐振频率随温度变化具有相同的变化趋势，但是应变灵敏度不一样，同一个应变传感器的两个谐振频率的应变胶应变传递系数也一样。

7.根据权利要求1所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述步骤3中根据两个谐振频率的漂移量，获得外加应变ε_applied的过程表示为：

其中ε_applied表示外加应变；Δf₁与Δf₂分别表示施加外加应变后测量获得的两个谐振频率的漂移量；S_m1(T,ξ)与S_m2(T,ξ)分别表示应变传感器的两个谐振频率的应变灵敏度；获得Sm1(T,ξ)-Sm2(T,ξ)值与应变胶应变传递系数ξ和温度T无关，从而避免了温度波动的影响。

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