CN117928615A - 声表面波温度应变复合传感器及制备、测试和实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种声表面波温度应变复合传感器及制备、测试、实施方法，包括第一SAW谐振器、第二SAW谐振器以及SAW谐振器，其中：第一SAW谐振器、第二SAW谐振器采用外界应变敏感的基底材料切型,第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的叉指换能器的周期不同；第三SAW谐振器采用对温度敏感的基底材料切型；第一SAW谐振器与应变方向相同，第二SAW谐振器、第三SAW谐振器与应变方向垂直；三个SAW谐振器均采用金线以并联的方式进行电路连接。本发明解决SAW温度和应变交叉耦合导致无法准确测量温度或者应变的问题。本发明可以在基底材料承的受温度和应变范围内，实现对外界温度和应变的同时测量。
Description
本发明要求2023年08月22日申请的，申请号为202311062958.9，名称为“声表面波温度应变复合传感器及制备、测试、实施方法”的中国专利申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种声表面波温度应变复合传感器及制备、测试和实施方法。更为详细的，涉及一种采用三谐振器差分补偿的声表面波温度应变复合传感器。
背景技术
随着各领域中对高温、高压和强辐射等复杂环境中结构部件健康监测需求的逐渐增加以及汽车发动机、船用柴油发动机和燃气轮机等旋转机械系统中结构部件健康检测需要的增加，对温度和应变传感器提出了新的要求，既希望传感器能够抗高温、高压，又希望传感器能够耐电磁辐射，同时不会对改变被测量所处的电磁环境，最主要的是能够无线、无源，不受旋转环境的影响。基于声表面波传感技术的声表面波温度传感器和声表面波应变传感器可满足上述检测需求。
SAW（Surface Acoustic Wave，声表面波）是指在压电介质表面产生并沿着其自由表面或者界面传播的弹性波。SAW传感器由压电基底和IDT（Interdigital Transducer，叉指换能器）构成的可以感知外界信号的一种器件。
压电基底是有压电材料经过特殊切割后形成的，是声表面波传感器进行能量转换和信号传递的重要载体。压电基底所采用的材料类型和切型是决定声表面波传感器特性的两个重要因素。石英（quartz）晶体是一种介电常数和压电常数较小的材料，其频率特性取决于形状或者切割方式。在特殊的欧拉角下，石英可表现出零TCF（TemperatureCoefficient of Frequency，温度频率特性）。
IDT是声表面波传感器的核心，其作用是激发声表面波和接收声表面波。当电信号输入到IDT端时，压电基底通过逆压电效应将电信号转化为机械能，实现激励声表面波，通过声表面波的形式将压电基底表面传播；当声表面波经过反射栅发射回来后，IDT又可通过压电效应将声表面波振动转化为电信号，实现接收声表面波。声表面传感器即通过接收到的声表面波信号差异实现对外界变化的感知。
SAW温度传感器是通过SAW谐振器频率偏移量表征温度变化的传感器，SAW应变传感器是通过SAW谐振器的谐振频率偏移量表征外界应力应变大小的传感器，因为SAW谐振器存在力热耦合现象，因此需要差分补偿以获得线性的频率-温度响应和频率-应变响应。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种声表面波温度应变复合传感器及制备、测试和实施方法。
根据本发明提供的一种声表面波温度应变复合传感器，包括：第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和第三SAW谐振器；
其中，第一SAW谐振器和第二SAW谐振器采用外界应变敏感的基底材料切型，第一SAW谐振器和第二SAW谐振器的叉指换能器的周期不同；第三SAW谐振器采用对温度敏感的基底材料切型；
第一SAW谐振器与应变方向相同，且第二SAW谐振器和第三SAW谐振器与应变方向垂直；
三个SAW谐振器均采用金线以并联的方式进行电路连接。
在一个实施例中，三个SAW谐振器均采用石英作为基底材料，制作在不锈钢封装结构上。
在一个实施例中，第一SAW谐振器采用硬胶固定在不锈钢封装结构上，且第二SAW谐振器和第三SAW谐振器采用软胶固定在不锈钢封装结构上。
在一个实施例中，第一SAW谐振器和第二SAW谐振器的频率-温度响应相同。
在一个实施例中，第一SAW谐振器和第二SAW谐振器基底的欧拉角均为（0,126,0）。
在一个实施例中，第三SAW谐振器基底的欧拉角为（0,90,0）。
在一个实施例中，第二SAW谐振器和第三SAW谐振器的频率-应变响应相同。
在一个实施例中，用于制备声表面波温度应变复合传感器的声表面波温度应变复合传感器的制备方法，包括如下步骤：
SAW谐振器制备步骤：采用微纳电子光刻工艺中电子束蒸发技术将切割好的压电基底上生长出200nm厚的铝电极，再洗去表面的胶，制成SAW谐振器；
固定步骤：将第一SAW谐振器用硬胶固定在不锈钢封装结构上，其声表面波的传播方向与应变方向同向；将第二SAW谐振器和第三SAW谐振器用软胶固定在不锈钢封装结构上，其声表面波传播方向与应变方向垂直；
烘烤加热步骤：固定完三个SAW谐振器之后放在150摄氏度的烘箱内烘烤加热2h，加上表面保护壳和天线。
在一个实施例中，用于标定测试声表面波温度应变复合传感器的声表面波温度应变复合传感器的标定测试方法，包括如下步骤：
固定步骤：将声表面波温度应变复合传感器固定在标准悬臂梁上，同时在相同位置固定一个标准应变片做参考；
测试步骤：将整个声表面波温度应变复合传感器放到温箱里进行不同温度条件下的标定测试；
拟合步骤：通过线性拟合的方式确定出每个温度下的频率-应变响应的灵敏度Kt,通过温度T和Kt的拟合确定传感器温度范围内Kt—T关系。
在一个实施例中，用于实施声表面波温度应变复合传感器的声表面波温度应变复合传感器的实施方法，包括如下步骤：
安装步骤：将声表面波温度应变复合传感器安装到被测物体表面；
应变测量步骤：温度和应变发生变化时，声表面波温度应变复合传感器通过第二SAW谐振器和第三SAW谐振器差分补偿获得温度T1时，即Kt—T关系得到该T1温度下的灵敏度Kt1,再结合第一SAW谐振器和第二SAW谐振器后的外界应变作用下的频率偏移量△f确定出外部应变扰动S的大小，实现应变测量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明针对SAW温度和应变交叉耦合导致无法准确测量温度或者应变的问题，提出了一种通过三个不同结构和位置的SAW谐振器差分补偿获得线性频率-温度和频率-应变响应的SAW温度应变复合传感器。解决SAW温度和应变交叉耦合导致无法准确测量温度或者应变的问题。
2、本发明可以通过差分补偿的方式消除温度对应变测量的干扰和应变对温度测量的干扰，在基底材料承的受温度和应变范围内，实现对外界温度和应变的同时测量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一个实施例中SAW温度应变复合传感器结构示意图；
图2为一个实施例中SAW温度应变复合传感器的制备方法的流程示意图；
图3为一个实施例中SAW温度应变复合传感器的标定测试方法的流程示意图；
图4为一个实施例中SAW温度应变复合传感器的实施方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种声表面波温度应变复合传感器，该声表面波温度应变复合传感器包括至少三个不同的SAW谐振器，即第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和第三SAW谐振器。这三个SAW谐振器的基底材料和叉指换能器的周期存在差异。具体的，第一SAW谐振器和第二SAW谐振器采用外界应变敏感的基底材料切型，第三SAW谐振器采用对温度敏感的基底材料切型。第一SAW谐振器和第二SAW谐振器的叉指换能器的周期不同。
三个SAW谐振器均固定在不锈钢封装结构上，第一SAW谐振器与应变方向相同，且第二SAW谐振器和第三SAW谐振器与应变方向垂直；其中，应变是连续介质力学中的一个概念，用于定量地描述物体变形，如伸缩与扭转，应变本身不具有方向性，应变方向是指物体变形的方向。本实施例中的应变方向可以是一个预设的方向，仅用于表示第一SAW谐振器的固定方向。
上述三个SAW谐振器均采用金线以并联的方式进行电路连接。
在一个实施例中，本发明通过三个以石英为基底材料，仅切型（（0,126,0）和（0,90,0））和周期存在差异的SAW谐振器，因其对温度和应变的敏感特性的差异，提出了一种通过三个SAW谐振器差分补偿获得线性频率-温度和频率-应变响应的SAW温度应变复合传感器，其目的在于解决SAW温度和应变交叉耦合导致无法准确测量温度或者应变的问题。本发明所提出SAW温度应变复合传感器，可以通过差分补偿的方式消除温度对应变测量的干扰和应变对温度测量的干扰，在基底材料承的受温度和应变范围内，实现对外界温度和应变的同时测量。
进一步详细说明，本发明的SAW温度应变复合传感器，包括第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和第三SAW谐振器，其中3个谐振器均采用石英作为基底材料，第一SAW谐振器、第二SAW谐振器基底的欧拉角均为（0,126,0），第一SAW谐振器和第二SAW谐振器的叉指换能器的周期不同，第三SAW谐振器基底的欧拉角为（0,90,0）。三个SAW谐振器制作在不锈钢封装结构上，其中第一SAW谐振器与应变方向相同，采用硬胶固定，第二SAW谐振器与应变方向垂直，采用软胶固定，第三SAW谐振器与应变方向垂直，采用软胶固定。三个SAW谐振器均采用金线以并联的方式进行电路连接。
本发明是由SAW谐振器组成的，其核心是SAW谐振器谐振频率随应变和温度的变化关系。根据SAW器件偏载场理论和微扰理论，在温度和应变影响下，SAW谐振器谐振频率相对变化量的计算式为：
；
其中，为SAW频率偏移量；/>为无偏载时的平率；u为SAW位移；/>为器件体积；为无偏载场时的密度；/>为SAW的角频率；/>为外界扰动时，SAW谐振器的基片材料的有效弹性常数，其表达式为：
；
其中，、/>和/>是分别外界应力或温度偏载产生的基片表面应力分量、应变分量和位移分量；/>为二阶弹性常数，/>为三阶弹性常数，/>为狄拉克算符。
具体的，将SAW谐振器基底材料参数通过转角变换后结合外界偏载场的弹性应变、应力和热应变代入到上述表达式（1）和（2）中即可获得频率-应变响应和频率-温度响应。
在一个可选的实施例中，本发明中第一SAW谐振器、第二SAW谐振器采用外界应变敏感的基底材料切型（欧拉角：0,126,0），其频率-温度响应相同。第一SAW谐振器与外界应变同向，第二SAW谐振器与外界应变垂直，通过差分补偿后可消除温度对频率-应变响应的影响，获得线性的频率-应变响应，从而实现对外界应变量的测量。第三SAW谐振器采用对温度敏感的基底材料切型（欧拉角：0,90,0），安转在和第二SAW谐振器同向的位置，且采用同种软胶固定，其频率-应变响应相同，通过差分补偿后可消除外界应变对频率-温度响应的影响，获得线性的频率-温度响应，实现对温度的测量。
综上所述，本发明SAW温度应变复合传感器可通过三个SAW谐振器的差分补偿结构获得线性的频率-温度响应和频率-应变响应，在基底材料承受的温度和应变范围内，实现对外界温度和应变的同时测量。
在一个实施例中，如图2所示，本发明SAW温度应变复合传感器的制备方法如下：
S201，采用微纳电子光刻工艺中电子束蒸发技术将切割好的压电基底上生长出200nm厚的铝电极，再洗去表面的胶，制成SAW谐振器。
其中，电子束蒸发技术是物理气相沉积的一种，可以利用电磁场精准地实现高能电子轰击坩埚内靶材，使之融化进而沉积在基片上，采用电子束蒸发技术可以镀出高纯度高精度的薄膜。
本实施例中，200nm厚的铝电极即为压电薄膜，相应的，压电基底为压电薄膜生成的基底。
第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和第三SAW谐振器均可采用这种方式制成。
S202，将第一SAW谐振器用硬胶固定在不锈钢封装结构上，其声表面波的传播方向与应变方向同向。
其中，声表面波是延物体表面传播的一种弹性波，应变方向是指物体变形的方向。
S203，第二SAW谐振器和第三SAW谐振器用软胶固定在不锈钢封装结构上，其声表面波传播方向与应变方向垂直。
可以理解的是，硬胶固化后会变得非常坚硬，几乎没有柔韧性，能够提供高度的刚性和结构性强度，而软胶固化后可以保持一定的柔韧性和弹性，吸收冲击和应力，以保持较好的粘附性。因此，针对声表面波的传播方向与应变方向同向的第一SAW谐振器，可采用硬胶进行固定，针对声表面波传播方向与应变方向垂直的第二SAW谐振器和第三SAW谐振器，可采用软胶进行固定。
S204，固定完之后放在150摄氏度的烘箱内烘烤加热2h，加上表面保护壳和天线，即研制完成一个SAW温度应变复合传感器。
在一个实施例中，如图3所示，本发明SAW温度应变复合传感器的标定测试包括：
S301，将研制好的SAW温度应变复合传感器固定在标准悬臂梁上，同时在相同位置固定一个标准应变片做参考，将整个应变标定测试装置放到温箱里进行不同温度条件下的标定测试。
换言之，将研制好的SAW温度应变复合传感器固定在标准悬臂梁上，同时在相同位置固定一个标准应变片做参考，即形成了一个应变标定测试装置，进而将其整个放到温箱里进行不同温度条件下的标定测试。
其中，标准应变片是一种通过测量长度相对变化来实现衡量应变的传感器，标准应变片可采用聚酰亚胺作为基底，康铜丝粘附在上面。
可选的，将整个应变标定测试装置放到温箱里，改变温箱的温度点的同时，记录应变标定测试装置在每个温度点下的频率-应变响应的灵敏度Kt,。
S302，通过线性拟合的方式确定出每个温度下的频率-应变响应的灵敏度Kt,因为Kt与温度成反比例关系，可通过温度T和Kt的拟合确定传感器温度范围内Kt—T关系。
可选的，生成温度T和灵敏度Kt之间的曲线图，以表征温度T和灵敏度Kt之间的关联关系。
在一个实施例中，如图4所示，本发明SAW温度应变复合传感实施过程如下：
S401，将SAW温度应变复合传感器安装到被测物体表面，温度和应变发生变化时，SAW温度应变复合传感器通过第二SAW谐振器和第三SAW谐振器差分补偿获得温度T1时，即Kt—T关系得到该T1温度下的灵敏度Kt1。
S402，结合第一SAW谐振器和第二SAW谐振器后的外界应变作用下的频率偏移量△f确定出外部应变扰动S的大小，从而实现应变测量。
可选的，结合第一SAW谐振器和第三SAW谐振器后的外界应变作用下的频率偏移量△f确定出外部应变扰动S的大小，从而实现应变测量。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，包括：第一声表面波SAW谐振器、第二SAW谐振器和第三SAW谐振器；
其中，第一SAW谐振器和第二SAW谐振器采用外界应变敏感的基底材料切型，所述第一SAW谐振器和所述第二SAW谐振器的叉指换能器的周期不同；所述第三SAW谐振器采用对温度敏感的基底材料切型；
所述第一SAW谐振器与应变方向相同，且所述第二SAW谐振器和所述第三SAW谐振器与应变方向垂直；
三个SAW谐振器均采用金线以并联的方式进行电路连接。
2.根据权利要求1所述的声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，三个SAW谐振器均采用石英作为基底材料，制作在不锈钢封装结构上。
3.根据权利要求2所述的声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，所述第一SAW谐振器采用硬胶固定在不锈钢封装结构上，且所述第二SAW谐振器和所述第三SAW谐振器采用软胶固定在不锈钢封装结构上。
4.根据权利要求1所述的声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，所述第一SAW谐振器和所述第二SAW谐振器的频率-温度响应相同。
5.根据权利要求1所述的声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，所述第一SAW谐振器和所述第二SAW谐振器基底的欧拉角均为（0,126,0）。
6.根据权利要求1所述的声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，所述第三SAW谐振器基底的欧拉角为（0,90,0）。
7.根据权利要求1所述的声表面波温度应变复合传感器，其特征在于，所述第二SAW谐振器和所述第三SAW谐振器的频率-应变响应相同。
8.一种声表面波温度应变复合传感器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-7所述的声表面波温度应变复合传感器，所述制备方法包括如下步骤：
SAW谐振器制备步骤：采用微纳电子光刻工艺中电子束蒸发技术将切割好的压电基底上生长出200nm厚的铝电极，再洗去表面的胶，制成SAW谐振器；
固定步骤：将第一SAW谐振器用硬胶固定在不锈钢封装结构上，其声表面波的传播方向与应变方向同向；将第二SAW谐振器和第三SAW谐振器用软胶固定在不锈钢封装结构上，其声表面波传播方向与应变方向垂直；
烘烤加热步骤：固定完三个SAW谐振器之后放在150摄氏度的烘箱内烘烤加热2h，加上表面保护壳和天线。
9.一种声表面波温度应变复合传感器的标定测试方法，其特征在于，用于标定测试如权利要求1-7所述的声表面波温度应变复合传感器，所述标定测试方法包括如下步骤：
固定步骤：将声表面波温度应变复合传感器固定在标准悬臂梁上，同时在相同位置固定一个标准应变片做参考；
测试步骤：将整个声表面波温度应变复合传感器放到温箱里进行不同温度条件下的标定测试；
拟合步骤：通过线性拟合的方式确定出每个温度下的频率-应变响应的灵敏度Kt，通过温度T和Kt的拟合确定传感器温度范围内Kt—T关系。
10.一种声表面波温度应变复合传感器的实施方法，其特征在于，用于实施如权利要求1-7所述的声表面波温度应变复合传感器，所述实施方法包括如下步骤：
安装步骤：将声表面波温度应变复合传感器安装到被测物体表面；
应变测量步骤：温度和应变发生变化时，声表面波温度应变复合传感器通过第二SAW谐振器和第三SAW谐振器差分补偿获得温度T1时，即Kt—T关系得到该T1温度下的灵敏度Kt1，再结合第一SAW谐振器和第二SAW谐振器后的外界应变作用下的频率偏移量△f确定出外部应变扰动S的大小，实现应变测量。
Applications Claiming Priority (2)
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2024
- 2024-02-02 CN CN202410150951.0A patent/CN117928615A/zh active Pending
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