CN115682911A - 一种压电式无源无线应变传感系统 - Google Patents

Abstract

一种压电式无源无线式应变传感系统，包括以下四部分：压电应变传感单元、传感线圈、发射线圈、信号发射及采集设备，传感线圈与发射线圈通过磁场耦合连接。所述系统通过封装的三点支撑结构将被测材料表面的受力施加压电片的上表面，从而将变形显示为谐振频率的变化。通过高品质因数的压电材料结合高增益线圈，本发明所述系统可在1‑10cm的传输距离内检测微应变级的结构变形。所述传感系统可贴附于高空大型钢架结构、埋地管道等工程结构表面用于检测异常应力，也可嵌入到非金属构件内部用于全生命周期应力监控，具有结构简单、灵敏度高、适用范围广的优点。

Description

一种压电式无源无线应变传感系统

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及无源无线应变传感技术。

背景技术

应变传感器是结构健康监控系统的重要一环。当前，无源无线应变传感器由于其内部不含电池和芯片、外部无线缆连接，依靠电磁波提供能源，可承担非接触式的应变检测任务，因而更适宜用于高空钢架结构和埋地管道等人力难以到达的区域。目前，该类型传感器研究的现有情况如下。

1、“一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法”(申请号:201911383720.X，介绍了电感电容式无源无线应变传感系统，该系统由接收线圈、传感线圈、电容式传感器组成，通过识别传感线圈与可变电容连接后的谐振频率识别应变。由于接收线圈与传感线圈的谐振频率不匹配，发射器在传感器的谐振频率处阻抗大，存在信号传输距离近、谐振频率受距离影响大的问题。其传输距离通常在1-3cm；该传感器由μH级的线圈与几到十pF的电容器组成，品质因数通常小于1000，从而导致分辨率不高，通常大于100με；进而，在信号处理时，难以从带有噪声的信号中分辨出微应变级的谐振频率移动。因此这类传感器更适宜用于近距离、大应变的测量，例如检测人体生理指标的电子皮肤。

2、“一种远距离LC无源无线传感系统”(申请号：201911033881.6，该传感系统利用宇称-时间对称原理，发射线圈与可调电容器相连，传感器和发射器具有相同的谐振频率；通过设置可变增益器补偿传感器的损耗，提高品质因数，从而将传输距离提高到5cm。与电感电容式无源传感器相比，其提高了原有传感器的分辨率和传输距离。然而，宇称时间对称的传感系统要求逐步调节发射器内的可变电容器和可变增益器，直至发射器和传感器信号达到对称，因此需要繁琐的操作和复杂的硬件结构。其次，该系统受制于宇称时间对称原理，只能在强耦合域(即近距离内提高传感器的品质因数；当耦合系统进入弱耦合域时，伴随着本征值分叉的合并，传感器的信号将被发射器掩盖，品质因数也将下降至普通电感电容传感器的水平，因此该系统适用于5cm以内的传感距离。

3、“Monolithic Fabrication of Wireless Miniaturized Quartz CrystalMicrobalance(QCM-R)Arrays and their Application for Biochemical Sensors”，该文涉及利用石英晶体微天平结合线圈天线检测生物化学成分的无源无线传感方法，用于检测石英表面化学成分的微量变化。由于检测距离收到了近场电感耦合无线传输方法的限制，当间隔距离超过5mm后信号将难以检测，同时，该石英晶体微天平应用于化学成分测量领域，并不适于工程应力测试应用。

综上，对于实际工程结构或构件的应力测量，现有无源无线应变传感器存在传输距离近、分辨率较低的问题。

发明内容

为解决现有无源无线应变传感系统的分辨率低、传输距离近等上述问题，本发明提出一种压电式无源无线应变传感系统，具体技术方案如下：

一种压电式无源无线应变传感系统，包括传感器1和发射器2，传感器1由压电应变传感单元3和传感线圈4组成闭合回路，发射器2由发射线圈5、匹配电容6、以及网络分析仪7组成闭合回路，

所述压电应变传感单元3为内部呈三点支撑结构的封装式压电力敏元件，外壳12下方固定于基底13上，外壳12内封装有压电片8、第一下支点9、第二下支点10和上压点11；其中第一下支9点和第二下支点10与压电片8的下边缘接触，上压点11固定于外壳12上表面内侧中心，第一下支点9、第二下支点10、上压点11形成对压电片8的三点支撑；

当基底13贴和于被测表面，未受力时，上压点11对压电片8施加预紧力，此时所述传感系统基频高于游离态的基频；被测表面受张力而上弯时，所述外壳12随基底13产生变形，第一下支点9、第二下支点10与压电片8间夹角改变，将压电片8向上压点11挤压，从而所述传感系统其谐振频率升高。

进一步的，所述上压点11的材料为绝缘、低阻尼、高硬度材料，用于降低上压点与压电片8接触导致的机械能损耗，优选陶瓷。

进一步的，所述外壳12内部充入惰性气体，用于防止压电片8被空气侵蚀，优选氮气或氩气。

与现有技术相比，本发明所述传感系统的有益效果为：

1、本发明利用高品质因数的压电应变传感单元，从而在根本上克服了现有电感电容式传感器品质因数低、分辨率低的问题。本发明中压电应变传感单元独有的三点支撑结构使压电无源无线应变传感器成为可能，而现有压电式应变传感器无法以无源无线传感的方式接受传感器信号，这是由于外壳在压电材料表面施加压力将在接触面上产生能量损失。所述三点支撑结构降低了与压电片接触面的面积与阻尼系数，达到了最小化机械能损失的目的。

2、传感器的综合性能优于现有电感电容式传感器，其中传感距离超过10cm，为现有电感电容式传感器的两倍左右，分辨率优于5με，为现有电感电容式传感器的几十倍。

3、通过选用谐振频率相同但品质因数相差三个数量级的传感器和发射器，从而在耦合系数极低的情况下(小于0.05)依然可清晰的显示出传感器的特征信号，同时还降低了耦合系数对传感器谐振频率的影响，即使在发射线圈与传感线圈间距波动明显的条件下也可获取精度较高的传感器特征频率。

4、传感器适用于各种极端环境，通过标定还可工作于高温、高湿、高振动的环境中。传感器为永久型设备，一旦安装后无需额外的维护。该传感方法为非接触式测量，可由机器人或检测工人携带设备进行隔空测量，也可以作为嵌入式设备使用。

所述传感系统可用于大型钢架结构，例如钢架桥、工程吊车、游乐设施等，通过携带机械手的无人机安装传感器，并通过机载便携式网络分析仪采集传感器的信号。也可以嵌入到壁厚为1-10cm的非金属材料内部，进行非金属材料全生命周期的非接触式应变监控，例如碳纤维复合材料制成的飞行器外壁内部，具有结构轻便、耐用性强、分辨率高的优点。

附图说明

图1为本发明所述无源无线传感系统结构框图；

图2为本发明所述压电式力敏元件的结构示意图；

图3为本发明所述无源无线传感系统应变传感器信号示意图；

图4为本发明所述无源无线传感器的谐振频率随所测结构变形的信号变化对比图；

图5为三种无源无线传感系统应变传感器信号对比图；

图6为本发明所述实施例的压电式力敏元件结构示意图；

图7为本发明所述无源无线传感器在传输距离4cm和10cm时的信号对比图；

图中标记：

1-传感器，2-发射器，3-压电应变传感单元，4-传感线圈，5-发射线圈、6-匹配电容、7-网络分析仪、8-压电片，9-第一下支点、10-第二下、11-上压点、12-外壳、13-基底、14-发射器初始信号、15-传感器感应信号、16-缓冲垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

一种压电式无源无线应变传感系统，包括传感器1和发射器2，传感器1由压电应变传感单元3和传感线圈4组成闭合回路，发射器2由发射线圈5、匹配电容6、以及网络分析仪7组成闭合回路，结构示意图见图1。

使用方法如下：1、使用前，对所述传感器1进行温度标定，确定传感器谐振频率与温度的关系，其理由是热膨胀会改变外壳对压电片施加的预紧力。2、使用时，基底13与被测表面间由固化剂粘接，安装方向为，第一下支点9、第二下支点10之间的连线与被测表面的应变变化梯度平行。3、测量时，将所述发射线圈5正对传感线圈4，间距在保持1-10cm之间，使用网络分析仪7采集发射器的反射系数曲线S₁₁。

所述传感系统的工作时，所述网络分析仪7向发射线圈5发出一段扫频信号，并测量发射器电路的反射系数S₁₁，在发射线圈5与匹配电容6的谐振频率处，扫频信号的阻抗达到最小值，电磁场强达到最大值。该电磁场可被传感器1的传感线圈4捕获，产生感应电动势，并根据压电应变传感单元3的损耗在闭合回路内产生电流，该电流在传感线圈4中产生电磁场，并通过近场耦合影响发射线圈5内的电流和网络分析仪7测得的反射系数S₁₁。

所述压电应变传感单元3为内部呈三点支撑结构的封装式压电力敏元件，外壳12下方固定于基底13上，外壳12内封装有压电片8、第一下支点9、第二下支点10和上压点11；其中第一下支9点和第二下支点10与压电片8的下边缘接触，上压点11固定于外壳12上表面内侧中心，第一下支点9、第二下支点10、上压点11形成对压电片8的三点支撑；

当基底13贴和于被测表面，未受力时，上压点11对压电片8施加预紧力，此时所述传感系统基频高于游离态的基频；被测表面受张力而上弯时，所述外壳12随基底13产生变形，第一下支点9、第二下支点10与压电片8间夹角改变，将压电片8向上压点11挤压，从而所述传感系统其谐振频率升高。

所述压电片8为圆形，基频模态形如边缘扁平、中心突起的铜锣，因而受力位置越靠近其中心则压电效应敏感，且基频将随受力增大向高频移动；压电应变传感单元3利用三点支撑结构将基底13所受应力施加于压电片8的中心处。所述三点支撑结构由第一下支9点、第二下支点10、上压点11组成，其中第一下支9点和第二下支点10与压电片的边缘接触，使压电片8的上下表面悬空。由于上压点11固定在外壳12上表面内测中心，外壳将产生变形并对压电片施加反作用力，导致其谐振频率升高。当基底13未受力时，上压点11也将对压电片8施加一个预紧力，使此时基频高于游离态的基频。当被测材料表面受张力(上弯时，基底13会产生相同曲率的弯曲，改变第一下支9点、第二下支点10间的夹角，并将压电片8向上压点11挤压)。在挤压过程中，二者的接触将造成压电片的机械能损耗，该损耗由接触条件、阻尼系数等条件共同决定。

正是由于采用了内部为三点支撑结构的封装式压电力敏元件组成压电片8，其产生电流反作用于传感器1，从而使得所述传感系统的信号具有如下特征：如图3所示，所述网络分析仪7采集到的信号为不同频率下发射器2的反射系数S₁₁。当只有发射线圈5时，发射器原始信号14近似为一条宽带抛物线，其品质因数小于100，峰值位置即为发射器的谐振频率。当传感线圈4靠近发射线圈5时，传感器感应信号15将与发射器原始信号14发生叠加，呈现为原有宽带抛物线峰值附近突出的一条窄带抛物线，其品质因数优于10000。当压电片8的受力增加时，传感器感应信号15的峰值将向高频移动，同时由于接触造成了机械能损耗，将降低该信号的品质因数和幅值；当传感线圈4与发射线圈5的间距增加时，传感器感应信号15的谐振频率和品质因数无明显变化，而幅值下降。据此，可以根据传感器感应信号15的谐振频率判断被测材料的表面应变。

为了通过信号处理找到传感器的谐振频率，需要从有背景噪音的扫频信号中提取传感器感应信号15的峰值，因此信号的信噪比越高、品质因数越高，则传感器的分辨率就越高。与现有无源无线应变传感器相比，本发明所述传感系统具有更高的分辨率，原因如下：

电感电容式传感器的品质因数受到电感和电容的尺寸影响，例如直径5cm以下线圈的电感小于10μH，而同等尺寸的电容一般在几到几十pF之间。因此，其谐振频率在十几MHz左右，品质因数小于100。而本发明克服了高频段压电材料难以应用于压力、应变测量的技术难题，研制出压电应变传感单元，其品质因数主要由所选压电材料决定，几乎不受传感器结构设计和尺寸的约束，通常大于10000。而进一步的，在采用了压电传感器的基础上，本发明采用了三点支撑结构，在被测表面受张力时，三点支撑结构进一步将力集中作用于压电片8的几何中心，使得基频的变化随力的作用变化敏感，进一步提升了检测分辨率。要实现压电无缘无线应变传感器，需要做到以下两点：传感器外壳将压力施加在压电材料表面，随外壳压力变化，1、压电材料的振荡幅值不会明显衰减，2、且频率存在明显移动。本发明所述传感器特殊的结构设计正是为了满足上述要求，在最小化外壳与压电片的接触面积的同时，降低接触面的阻尼系数。

为验证传感器的结构设计原理，采用以下实验数据证明压电应变传感单元的谐振频率可随结构受到的应变而移动。测试时，网络分析仪采用十次测量取均值的平滑处理以还原无噪音环境下的传感器信号特征。压电片8为谐振频率10MHz的石英谐振器且线圈间距10cm，发射器2的信号幅值约为0.02dB。不同的负载下基底的应变及其传感系统的信号，如图4所示，该图验证了传感器信号的峰值频率可随负载而变化，且在压电片受挤压得情况下传感器信号幅值无明显衰减，证明了压电应变传感单元结构设计的合理性。通过数据分析可知，传感器的灵敏度为4.5Hz/με,原始信号的信噪比为18dB,所对应的分辨率优于5με。

为表明本发明所述传感器系统分辨率的优异性能，将本专利与其它现有两种传感系统进行了测试对比，测试条件为：传感线圈4与发射线圈5的间距均为5cm，该距离为现有电容电感式传感器的极限，同时各传感器的谐振频率均设在10MHz左右。具体测试数据分析如图5所示，A压电式加匹配电容式传感器，B压电式无匹配电容式传感器，C电感电容式传感器，所示信号为未经过平滑处理的原始信号。图5A中，传感器1采用了10MHz的石英谐振器作为压电片8，发射器2带有匹配电容6，信噪比和品质因数分别约为56dB和16000；图5B中，传感系统类似现有压电式无源无线生化传感器(背景技术3)，其传感器1与前者相同，但是发射器2不含匹配电容6，信噪比和品质因数分别约为16dB和13000；图5C中，传感系统对应现有电感电容式无源无线应变传感器(背景技术1)，其传感器和发射器与现有的电感电容传感器相同，信噪比和品质因数分别约为18dB和20。通过图5A、5B对比图5C可以看出，传感器1的压电片8将信号的品质因数提高了600倍以上。结果证明了本发明所述传感系统在品质因数、信噪比等参数上具有明显优势。此外，通过图5A对比图5B、5C可以证明，发射器2的匹配电容6将信噪比提高了100倍，这表明如果不使用匹配电容，则压电式与电感电容式传感器的信噪比属于同一量级。综上，本发明将高品质因数的压电片8与高增益的发射线圈5相结合，在弱耦合域内将现有电感电容传感器的品质因数和信噪比均提高了两个量级，明显地提高了无源无线传感器的综合性能。

进一步的，所述上压点11的材料为绝缘、低阻尼、高硬度材料，例如陶瓷，用于降低上压点与压电片8接触导致的机械能损耗。所述外壳12内部充入惰性气体，氮气或氩气，用于防止压电片8被空气侵蚀、氧化。

本发明的所解决的现有技术难点及采用的技术手段如下：

1、压电元件未能成功应用于现有无源传感器。原因在于，现有压电元件的封装方式为端面固定，即压电片两端固定于封装外壳壳壁，这阻碍了外接激励电场引起的机械振动，随着测试的进行，压电片的机械能损耗迅速加剧，导致信号明显衰减而无法准确测量。而为了克服机械能损耗的难点，本发明在压电应变传感单元3内部采用“三点支撑”结构，压电片8下表面的左右边沿被第一下支9点、第二下支点10悬空架起；压电片8上表面的中心处与上压点11接触，并通过外壳12的变形对压电片施加向下的压力；该结构未使用粘结剂固定压电片，否则将造成压电片的机械能损耗，导致信号明显衰减。悬空架起压电片8的同时将被测表面应力集中施加于悬空压电片表面的正中心。

2、压电片8的谐振频率越高，则厚度越薄，也越容易被压碎，在工程实际条件下，其使用寿命也是制约其使用的难点。为降低外壳12顶部的刚度以保护压电片8，本发明在图2结构图的基础上可进一步的采用以下三种方法。第一，在上压点11与外壳12的顶部之间增加柔性缓冲结构以吸收上压点11的应力，同时降低外壳12顶部的壁厚以增加其受力时的绕度。第二，采用三维打印制造压电应变传感单元3的封装时，将外壳12的顶部设计为柔性的薄壁中空结构，从而无需在上压点与外壳之间增添缓冲元件，并起到了缓冲保护作用，极大延长了元件的使用寿命。第三，也可以在上压点与外壳之间增添缓冲元件，见图6；该具体实施例中，各部件为图2中结构的变体，在外壳与上压点之间增加了以橡胶为材质的16缓冲垫片，从而降低了压电片的受力。

3、即使如此，在工程应用时，压电片8与上压点11的接触依然存在不可避免的机械能损失，为进一步的降低机械能损耗，本发明所述上压点选用低阻尼系数的材料、并减小上压点与压电片接触面的面积等。优选的，上压点采用高硬度、低阻尼的陶瓷薄片。优选地，对于1-6MHz的较厚的压电片或柔性更高的缓冲结构，上压点可选用圆形的接触面以进一步降低损耗。

4、在耦合系数极低的情况下，近场型无源无线传感系统无法识别传感器的谐振频率的难点。本发明通过对发射线圈进行补偿，使发射线圈的工作频带的中心频率等于传感器的谐振频率，这使得传感系统在该频率处的能量效率得到了最大化。同时，由于发射器与传感器的品质因数存在三个数量级的差异，传感器产生的第二磁场将在极窄的频段内降低发射器的电流，造成发射器的反射曲线在谐振频率处发生急剧扭曲。该扭曲即使在耦合系数极低时(小于0.001)，依然可以被识别。而现有电感电容式传感方法存在发射器与传感器谐振频率不匹配的问题，降低了发射器在传感器谐振频率处的增益。对于现有宇称时间对称的电感电容式传感器而言，由于发射器与传感器的品质因数相同，在耦合系数极低时不存在上述的反射系数曲线扭曲，因而无法识别传感器的状态。

品质因数由能量损失决定，能量损失越低，品质因数就越高；品质因数决定了分辨率。为了提高品质因数，一种方法是选用压电材料；一种方法是，使用宇称时间对称的LC型无源传感器(背景技术2)提高品质因数，其原理是为传感器补偿损失的能量。但是，如果使用宇称时间对称的方法，距离一旦拉远，品质因数就变回LC型传感器的品质因数了，能量损失无法得到补充。本发明所述方法利用了压电材料的性质，能在无论远近的距离内均提高品质因数，从而提高分辨率。

为说明本发明所述传感器的信号参数特征，采用具体元件及逆行数据测试如下。测试传感线圈4和发射线圈5均为直径4.5cm、电感值6.5μH的平面螺旋线圈。测试时，网络分析仪采用十次测量取均值的平滑处理以还原无噪音环境下的传感器信号特征。压电片8为谐振频率10MHz的石英谐振器，发射器2的反射系数的峰值为-13.5dB。如图7所示，当发射线圈5与传感线圈4的间距分别为4cm和10cm时，耦合系数约为0.08和0.006，传感器感应信号15的幅值分别为0.037dB和14.5dB。该结果表明，即使两线圈间隔10cm,依然可以得到高信噪比、高品质因数的特征信号，从而准确地识别出传感器信号的抛物线峰值点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电式无源无线应变传感系统，包括传感器(1)和发射器(2)，发射器(2)由发射线圈(5)、匹配电容(6)、以及网络分析仪(7)组成闭合回路，其特征在于：

传感器(1)由压电应变传感单元(3)和传感线圈(4)组成闭合回路，所述压电应变传感单元(3)为内部呈三点支撑结构的封装式压电力敏元件，外壳(12)下方固定于基底(13)上，外壳(12)内封装有压电片(8)、第一下支点(9)、第二下支点(10)和上压点(11)；其中第一下支(9)点和第二下支点(10)与压电片(8)的下边缘接触，上压点(11)固定于外壳(12)上表面内侧中心，第一下支点(9)、第二下支点(10)、上压点(11)形成对压电片(8)的三点支撑；

当基底(13)贴和于被测表面，未受力时，上压点(11)对压电片(8)施加预紧力，此时所述传感系统基频高于游离态的基频；被测表面受张力而上弯时，所述外壳(12)随基底(13)产生变形，第一下支点(9)、第二下支点(10)与压电片(8)间夹角改变，将压电片(8)向上压点(11)挤压，从而所述传感系统其谐振频率升高。

2.如权利要求1所述的一种压电式无源无线应变传感系统，其特征在于，发射器(2)与传感器(1)的品质因数存在三个数量级的差异，发射器的品质因数在20以下，而传感器的品质因数在10000以上，从而传感器(1)产生的第二磁场将在极窄的频段内降低发射器的电流，造成发射器(2)的反射曲线在谐振频率处发生急剧扭曲，该扭曲即使在耦合系数极低时，依然可以被识别。

3.如权利要求2所述的一种压电式无源无线应变传感系统，其特征在于，所述上压点(11)的材料为绝缘、低阻尼、高硬度材料，用于降低上压点与压电片(8)接触导致的机械能损耗，优选陶瓷。

4.如权利要求3所述的一种压电式无源无线应变传感系统，其特征在于，所述外壳(12)内部充入惰性气体，用于防止压电片(8)被空气侵蚀，优选氮气或氩气。

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