声表面波扭矩传感器结构设计.docx

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1、声表面波扭矩传感器结构设计1引言扭矩是反映回转动力传输系统工作状况的重要参数之一，是实现各种机械产品开发、质验、工况监测及优化控制等必不可少的参数。扭矩测试在汽车、船舶、飞机等领域中拥有广泛应用。随着现代科学技术的不断发展，非接触、无源化、小型化、适应复杂测试环境等已成为扭矩测量的发展趋势。论文首先从声表面波谐振器的工作机理入手，介绍了扭矩传感器测试系统的组成，并分析了用于扭矩测试的SAWR的特性。本文采用谐振型声表面波传感器测量转轴扭矩变化，与一般应变型扭矩传感器一样，通过测量与轴线成45°和135°方向上的应变来实现对扭矩的测量。单端口谐振型声表面波

2、传感器接收中心频率为器件固有频率的激励信号之后，将作用后的回波信号通过天线返回接收端，测得回波信号频率即可获得此时的扭矩值。因此，性能良好的SAWR对于提高测试系统的测量精度非常重要。轴的扭矩测量一直是个较难解决的问题。SAW传感器由于其无源和无线测量的特点，恰好避免了一般有源传感器在轴的扭矩测量中能量和信号难以传输的缺点。本文中，我们将阐述SAW扭矩传感器的设计、结构及相应的无线测量系统。2声表面波扭矩传感器测量原理及系统组成声表面波扭矩传感器是应变型传感器的一种，通过声表面波谐振器感应弹性轴体表面的剪切应变，从而引起作用于声表面波器件回波信号的频率偏

3、移，进而获得扭矩的被测值。2.1SAW传感器工作原理目前常用的SAW传感器的核心器件是SAW振荡器，SAW传感器的工作原理就是利用SAW振荡器对各种物理、化学及生物被测量的敏感作用而引起的频率化来实现对被测量的精确检测。SAW振荡器通常分为延迟型（SAWD）和谐振型（SAWR）两种。延迟线型振荡器由两个叉指换能器（IDT）的中心距决定相位反馈并由IDT的选频功能产生固定的振荡频率。谐振型则由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面波在左右反射栅之间反射、叠加形成驻波。SAWD及SAWR的结构如图1、2所示。图1延迟线型振荡器图2谐振型振荡器2.2SAWD传感

4、器在延迟线型（SAWD）声表面波传感器中，采用IDT及距离不等的单端反射栅作为声电转换器件和反射栅阵列。激励信号使用单个脉冲信号，信号具有高功率、宽频带等特点，这种类型的传感器适用于编码，在近距离识别和传感中被广泛应用。SAWD传感器结构如图3所示，天线端接收由查询端发射的高频电磁波，经过叉指换能器（IDT）将电信号转变为声表面波（SAW），SAW沿基片表面传播，到达特定位置后由反射栅将SAW反射到IDT，此时SAW通过IDT进行声电转换，回波信号由天线传回接收端。由回波信号的延迟时间序列即可得到反射栅的位置，即决定了编码值。SAWD的振荡频率为：f=v

5、l(n-ΦE2π)式中，v为SAW的传播速度；l为IDT与参考反射栅之间的距离；n为取决于电极形状和的正整数；ΦE反馈回路的相移。图3SAWD传感器结构图2.3SAWR传感器谐振型（SAWR）声表面波传感器通过测量回波信号频率的变化来获得被测量。SAWR结构如图4所示。连续的周期高频正弦信号通过天线加载到IDT上，IDT将电磁信号转换为SAW，左右两个反射栅构成谐振腔，声表面波在两个反射栅之间反射、增强，从而形成谐振驻波回到IDT，IDT将SAW转化为电磁波，通过天线将回波信号返回给接收端。当激励频率f与固有频率f0相等时，传感器发生谐振。其固有频率满足

6、式上式。对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的SAWR，SAW波长和IDT周期lp长度满足公式：SAWR的振荡频率为：SAWR器件高Q值、插损低的特性使得谐振器可以获得更高的灵敏度和分辨率。由上式可见SAW传播速度v、IDT间距l以及IDT周期长度的变化均可引起SAW振荡器谐振频率的变化。通过建立这种变化与频率之间的关系，即可准确测出被测量。图4SAWR传感器结构图3扭矩传感器核心SAWR设计SAWR的设计应该满足对扭矩引起的应变有足够的灵敏度，同时能够通过合理的设计有效抵消外界干扰的影响。对于单端口SAWR来说，传感器的核心部分为IDT、左右反射栅和石

7、英晶体基底。叉指换能器(IDT)是在石英晶体基片上激发、接收声表面波((SAW)的关键。IDT能够使电磁信号在石英晶体上实现声电的高效转换。当高频交变信号加载到IDT的两端时，在叉指换能器的电极所覆盖的石英晶体表面及表面以下空间就会产生一个交变电场，该电场经逆压电效应后将会在压电材料表面产生弹性应变，从而激发声表面波。叉指换能器是声电转换的核心器件，反射栅则能够在很大程度上反应谐振器的性能。反射栅通常由短路的金属指条或质量负载绝缘指条构成。对于传播方向相反的声表面波来说，其质点的水平和垂直位移始终相差π/2，因此不能同时满足两路沿相反方向传播波的边界条件

8、，因而不能采用通常用于体波反射的分离的高效反射镜。在此类SAWR的设计中，通常采