CN203908664U - 一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，包括密封连接的壳体和壳盖，还包括基座、压电组件和谐振频率各不相同的三个声表面波谐振器，基座固定在壳体内的底部；压电组件是由压电薄膜和压电基片构成，压电薄膜设在压电基片的上表面，压电基片的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜的一端和压电基片的固定端均固定在基座上，且高于壳体内的底面，至少有一个声表面波谐振器设在压电薄膜的上表面，剩余的声表面谐振器设在压电薄膜和压电基片之间；所述三个声表面波谐振器所产生的声表面波均在Y方向传播，而Y方向是指与沿着压电基片的固定端向压电基片的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。本实用新型能同时监测振动和温度。

Description

一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器

技术领域

本实用新型具体涉及一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器。

背景技术

现有实时结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）是许多工业过程控制的关键。在许多工业应用中，监测运动状态下机械部件的健康状况，如对高速列车车轮的负荷轴承的振动状态的实时监控，是非常重要的。用基于状态的维修（Condition Based Maintenance, CBM）来替代目前的按计划检修（Schedule Based Maintenance, SBM）是降低维护及运营成本的一种有效方法。在所有这些情况下，采用多种类型的传感器进行实时健康监测是最大限度地保持连续运行时间的关键。结构紧凑、无线和无源的传感器特别适用于在危险的环境中，如在室外恶劣天气环境下、高温、高电磁辐射等环境下连续实时地进行实时结构健康监测。这些小型的无线无源传感器可以不断实时地监视设备的健康状态，并在关键物理量超过了特定的范围时向中央控制室提供报警信号。

基于声表面波（SAW）的传感器，外形尺寸小、无线、无源，很适合于这类结构健康监测应用。基于SAW的传感器是完全无源（无电池）的，有很高的可靠性。与无线读写器配合，这些无源传感器的读出距离可达到5米以上。

由于压电特性对外部环境变化的高灵敏度，SAW器件，如延迟线、反射延时线和谐振器，非常适合用于测量应力、应变、温度、压力、加速度、振动，和其他物理量。在通常情况下，SAW器件是在压电基底上制作的，它包括一个或多个可将施加的电信号转换成声表面波，再将声表面波转换为电信号的叉指式换能器（IDT）结构。

所有外部的物理量和/或化学成分都可导致可被基于SAW的传感器所监测到的压电基底材料特性的变化。取决于SAW传感器的设计结构，这样的外部物理量和/或化学成分的变化可以被识别出来，它们或者与SAW谐振器的谐振频率偏移相关联，或者与SAW延迟线的延迟时间或电信号的相位偏移相关联，或者与SAW延迟线结构的反射功率谱密度（PSD）的变化相关联。

在现有技术中，一个有线的SAW振动传感器是通过在一个压电悬臂基板上的不同表面上分别实现两个相同的SAW谐振器来做到的。这种设计在制造工艺中实现起来是非常困难的，不仅结构复杂，而且生产成本也高，因此，在现实中它很难提供任何有意义的批量生产。也有些方案是使用SAW滤波器的结构，将其安装在悬臂固定端的附近以做振动监测。但这种只通过监测滤波器的中心频率变化的装置，由于没有任何参考基准，难以有效区分振动和温度所带来的频率变化， 因而难以获得准确的测量，使得测量精度低。还有另一种设计，它使用一个单一的SAW谐振器，安装在悬臂的固定端附近，监测因玻璃破碎所产生的特定频率的声波振动（应用于入侵监测）。虽然它可用于该应用场合，但这种设计只能用于监测某一特定频率的振动发生与否，而不能用来监测在宽频率范围内的振动，以及不具有温度补偿功能。

发明内容

本实用新型的目的是：提供一种结构简单、紧凑，生产成本低，而且能够监测振动，以及测量精度高的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，以克服现有技术的不足。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，包括壳体和壳盖，所述壳体和壳盖密封连接，其创新点在于：

a、还包括基座、压电组件和三个声表面波谐振器，所述基座固定在壳体内的底部；

b、所述压电组件是由压电薄膜和压电基片构成，所述压电薄膜设在压电基片的上表面，压电基片的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜的一端和压电基片的固定端均固定在基座上，且高于壳体内的底面，

至少有一个声表面波谐振器设在压电薄膜的上表面，剩余的声表面谐振器设在压电薄膜和压电基片之间；

c、所述三个声表面波谐振器并联连接，且谐振频率各不相同；

d、所述三个声表面波谐振器所产生的声表面波均在Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片的固定端向压电基片的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。

在上述技术方案中，还包括压块；所述压块设在压电基片的悬伸端，且所述压块与压电基片是固定连接的或者是互为一体的。

在上述技术方案中，所述压块与压电基片固定连接时，所述压块是金压块，或者是银压块，或者是铂压块。当然，并不局限于此，压块也可以采用其他材料的质量块。

在上述技术方案中，所述壳体和壳盖分别是金属壳体和金属壳盖。

在上述技术方案中，所述壳体和壳盖分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

在上述技术方案中，所述压电薄膜是氧化锌或者是氮化铝。

在上述技术方案中，所述压电基片可以是ST切石英、或者是FST-切石英。所述ST切石英或FST-切石英的ST或FST方向与声表面波谐振器所产生的声表面波的传播方向重合，均在Y方向。当然，并不局限于此，压电基片也可以采用其他的压电晶体。

本实用新型所具有的积极效果是：由于采用了上述的传感器结构后，将三个声表面波谐振器设置在压电组件上，且布置成层状结构，安装在壳体内由壳盖密封；因此，本实用新型不仅结构简单、紧凑，而且生产成本低，且是可同时测量温度和振动的声表面波（SAW）传感器，且温度和振动的测量都是通过差分的方式实现的，通过将感测振动的谐振器的谐振频率减去因温度漂移而引起的谐振频率的变化，可以得到一个温度补偿的振动的测量值；这样，本实用新型能够监测加速度、具有温度补偿功能，且测量精度高。

附图说明

图1是本实用新型第一种具体实施方式的结构示意图；

图2是图1不包括壳体的A-A剖视图；

图3是本实用新型第二种具体实施方式的结构示意图；

图4是本实用新型不包括壳体和壳盖的第三种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本实用新型作进一步的说明，但并不局限于此。

如图1、2、3、4所示，一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，包括壳体1和壳盖2，所述壳体1和壳盖2密封连接，而其：

a、还包括基座8、压电组件5和三个声表面波谐振器4，所述基座8固定在壳体1内的底部；

b、所述压电组件5是由压电薄膜6和压电基片3构成，所述压电薄膜设在压电基片3的上表面，压电基片3的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜6的一端和压电基片3的固定端均固定在基座8上，且高于壳体1内的底面，

至少有一个声表面波谐振器4设在压电薄膜6的上表面，剩余的声表面谐振器4设在压电薄膜6和压电基片3之间；

c、所述三个声表面波谐振器4并联连接，且谐振频率各不相同；

d、所述三个声表面波谐振器4所产生的声表面波均在Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片3的固定端向压电基片3的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。

如图1所示，其中一个声表面波谐振器4是用于感测振动的，且该声表面波谐振器4设在压电薄膜6和压电基片3之间且靠近基座8；当然，也可以设在压电薄膜6一端的上表面且靠近基座8；其中一个声表面波谐振器4用于感测温度的，且该声表面波谐振器4设在压电基片3的另一端且位于压电薄膜6和压电基片3之间，剩余一个声表面波谐振器4是用于感知参考温度的，且该声表面波谐振器4设在压电薄膜6另一端的上表面。

如图1、2、3、4所示，还包括压块9；所述压块9设在压电基片3的悬伸端且压块9位于压电薄膜6的另一端的上表面上，所述压块9与压电基片3是固定连接的（如图1所示），或者所述压块9与压电基片3是是互为一体的，且压块9设在压电基片3悬伸端的下表面上（如图3所示）。用于感测温度和感知参考温度的两个声表面谐振器4均位于压块9的内侧。用于感测温度和感知参考温度的两个声表面谐振器4在竖直方向的投影相互重合。

如图3所示，所述压块9与压电基片3固定连接时，所述压块9是金压块，或者是银压块，或者是铂压块，或者其它材料的质量块。压块9是用来获得所希望的压电悬梁（压电基片3与压电薄膜6）的本征谐振频率。

本实用新型所述壳体1和壳盖2分别是金属壳体和金属壳盖。或者所述壳体1和壳盖2分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

本实用新型所述压电薄膜6是氧化锌或者是氮化铝。

本实用新型所述压电基片3可以是ST切石英、或者是FST-切石英。所述ST切石英或FST-切石英的ST或FST方向与声表面波谐振器所产生的声表面波的传播方向重合，均在Y方向。当然，并不局限于此，压电基片也可以采用其他的压电晶体。

如图3所示，本实用新型用于感测温度和感知参考温度的两个声表面谐振器4在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内, 具体数值由两方向声表面波时延温度系数（TCD）之差的最大值而定，这样可以确保这两个声表面波谐振器4的温度差分测量的灵敏度为最佳。

如图1、2所示，本实用新型感测到的振动的方向是压电基片3作上下运动的z-轴方向，而三个声表面波（SAW）谐振器分别具有的叉指换能器（IDT）所产生的声表面波在y方向传播。在图1、2所示结构中压电基片3（ST切石英、或者是FST-切石英等）晶体的切向为传感器结构的y轴方向；在这种情况下感测温度的声表面波谐振器4与提供温度基准信号的声表面波谐振器4之间的温度系数差（亦即传感器的温度测量灵敏度）由压电薄膜6的材料参数，压电薄膜6的薄膜厚度以及该两个声表面波谐振器7的谐振频率差决定。

如图4所示，用于感测温度和感知参考温度的两个声表面谐振器4在竖直方向的投影部分重迭，即感测温度的声表面波谐振器4与感测参考温度的声表面波谐振器4在竖直方向的投影相交，在角度上是非平行的。在这种情况下感测温度的声表面波谐振器4与提供温度基准信号的声表面波谐振器4之间的温度系数差（亦即传感器的温度测量灵敏度）由压电薄膜6的材料参数，压电薄膜6的厚度，感测温度和感知参考温度的声表面波谐振器4之间的夹角以及两谐振器的谐振频率差决定。

本实用新型声表面波谐振器的声表面波传播方向设在y方向石英晶体的ST或FST方向，故其在x方向的尺寸较小；这样一来声表面波谐振器感知的物理量更具有局部性（局限在x方向一个较小区间），更能精确反映所测点的物理量变化。

本实用新型通过感测温度的声表面波谐振器4和感测参考温度的声表面波谐振器4之间的频率差偏移可以测量出外部环境的温度，再从感测振动的第一声表面波谐振器4和感测参考温度的第三声表面波谐振器7之间的频率差中减去因温度变化引起的频率漂移，从而准确计算出仅由振动引起的频率变化，进而达到测量振动的目的。

Claims (7)

1.一种基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，包括壳体（1）和壳盖（2），所述壳体（1）和壳盖（2）密封连接，其特征在于：

a、还包括基座（8）、压电组件（5）和三个声表面波谐振器（4），所述基座（8）固定在壳体（1）内的底部；

b、所述压电组件（5）是由压电薄膜（6）和压电基片（3）构成，所述压电薄膜设在压电基片（3）的上表面，压电基片（3）的一端为固定端，另一端为悬伸端，压电薄膜（6）的一端和压电基片（3）的固定端均固定在基座（8）上，且高于壳体（1）内的底面，

至少有一个声表面波谐振器（4）设在压电薄膜（6）的上表面，剩余的声表面谐振器（4）设在压电薄膜（6）和压电基片（3）之间；

c、所述三个声表面波谐振器（4）并联连接，且谐振频率各不相同；

d、所述三个声表面波谐振器（4）所产生的声表面波均在Y方向传播，而所述Y方向是指与沿着压电基片（3）的固定端向压电基片（3）的悬伸端的伸出方向相垂直的方向。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，其特征在于：还包括压块（9）；所述压块（9）设在压电基片（3）的悬伸端，且所述压块（9）与压电基片（3）是固定连接的或者是互为一体的。

3.根据权利要求2所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，其特征在于：所述压块（9）与压电基片（3）固定连接时，所述压块（9）是金压块，或者是银压块，或者是铂压块。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是金属壳体和金属壳盖。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

6.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，其特征在于：所述压电薄膜（6）是氧化锌或者是氮化铝。

7.根据权利要求1所述的基于声表面波的具有温度补偿的感测振动传感器，其特征在于：所述压电基片（3）可以是ST切石英、或者是FST-切石英。