聲表面波扭矩傳感器結構設計

1、聲表面波扭矩傳感器結構設計1引言扭矩是反映回轉動力傳輸系統(tǒng)工作狀況的重要參數(shù)之一，是實現(xiàn)各種機械產 品開發(fā)、質驗、工況監(jiān)測及優(yōu)化控制等必不可少的參數(shù)。扭矩測試在汽車、船舶、 飛機等領域中擁有廣泛應用。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，非接觸、無源化、 小型化、適應復雜測試環(huán)境等已成為扭矩測量的發(fā)展趨勢。論文首先從聲表面波諧振器的工作機理入手，介紹了扭矩傳感器測試系統(tǒng)的 組成，并分析了用于扭矩測試的SAWR的特性。本文采用諧振型聲表面波傳感 器測量轉軸扭矩變化，與一般應變型扭矩傳感器一樣，通過測量與軸線成45和 135方向上的應變來實現(xiàn)對扭矩的測量。單端口諧振型聲表面波傳感器接收中心 頻率為器件固有頻

2、率的激勵信號之后，將作用后的回波信號通過天線返回接收端， 測得回波信號頻率即可獲得此時的扭矩值。因此，性能良好的SAWR對于提高 測試系統(tǒng)的測量精度非常重要。軸的扭矩測量一直是個較難解決的問題。SAW傳感器由于其無源和無線測 量的特點，恰好避免了一般有源傳感器在軸的扭矩測量中能量和信號難以傳輸?shù)?缺點。本文中，我們將闡述SAW扭矩傳感器的設計、結構及相應的無線測量系 統(tǒng)。2聲表面波扭矩傳感器測量原理及系統(tǒng)組成聲表面波扭矩傳感器是應變型傳感器的一種，通過聲表面波諧振器感應彈性 軸體表面的剪切應變，從而引起作用于聲表面波器件回波信號的頻率偏移，進而 獲得扭矩的被測值。SAW傳感器工作原理目前常用的

3、SAW傳感器的核心器件是SAW振蕩器，SAW傳感器的工作原 理就是利用SAW振蕩器對各種物理、化學及生物被測量的敏感作用而引起的頻 率化來實現(xiàn)對被測量的精確檢測。SAW振蕩器通常分為延遲型（SAWD）和諧振型（SAWR）兩種。延遲線型 振蕩器由兩個叉指換能器（IDT）的中心距決定相位反饋并由IDT的選頻功能產 生固定的振蕩頻率。諧振型則由左右兩個反射柵陣列構成諧振腔，聲表面波在左 右反射柵之間反射、疊加形成駐波。SAWD及SAWR的結構如圖1、2所示。圖1延遲線型振蕩器圖2諧振型振蕩器SAWD傳感器在延遲線型（SAWD）聲表面波傳感器中，采用IDT及距離不等的單端反射 柵作為聲電轉換器件和反射

4、柵陣列。激勵信號使用單個脈沖信號，信號具有高功 率、寬頻帶等特點，這種類型的傳感器適用于編碼，在近距離識別和傳感中被廣 泛應用。SAWD傳感器結構如圖3所示，天線端接收由查詢端發(fā)射的高頻電磁 波，經(jīng)過叉指換能器（IDT）將電信號轉變?yōu)槁暠砻娌ǎ⊿AW），SAW沿基片表 面?zhèn)鞑ィ竭_特定位置后由反射柵將SAW反射到IDT，此時SAW通過IDT進 行聲電轉換，回波信號由天線傳回接收端。由回波信號的延遲時間序列即可得到 反射柵的位置，即決定了編碼值。SAWD的振蕩頻率為：V 01=了3一芒）l 2n式中，V為SAW的傳播速度；l為IDT與參考反射柵之間的距離；n為取決于電 極形狀和的正整數(shù)；少召反饋

5、回路的相移。圖3 SAWD傳感器結構圖SAWR傳感器諧振型（SAWR）聲表面波傳感器通過測量回波信號頻率的變化來獲得被測量。SAWR結構如圖4所示。連續(xù)的周期高頻正弦信號通過天線加載到IDT上， IDT將電磁信號轉換為SAW，左右兩個反射柵構成諧振腔，聲表面波在兩個反 射柵之間反射、增強，從而形成諧振駐波回到IDT，IDT將SAW轉化為電磁波， 通過天線將回波信號返回給接收端。當激勵頻率f與固有頻率/0相等時，傳感器 發(fā)生諧振。其固有頻率滿足式上式。對于叉指間隔和反射柵指條間隔均勻分布的 SAWR，SAW波長和IDT周期lp長度滿足公式：SAWR的振蕩頻率為:SAWR器件高Q值、插損低的特性使

6、得諧振器可以獲得更高的靈敏度和分辨率。 由上式可見SAW傳播速度v、IDT間距l(xiāng)以及IDT周期長度的變化均可引起SAW 振蕩器諧振頻率的變化。通過建立這種變化與頻率之間的關系，即可準確測出被 測量。反射冊壓電基片圖4 SAWR傳感器結構圖IDT天震3扭矩傳感器核心SAWR設計SAWR的設計應該滿足對扭矩引起的應變有足夠的靈敏度，同時能夠通過合 理的設計有效抵消外界干擾的影響。對于單端口 SAWR來說，傳感器的核心部 分為IDT、左右反射柵和石英晶體基底。叉指換能器(IDT)是在石英晶體基片上激發(fā)、接收聲表面波(SAW)的關鍵。IDT能夠使電磁信號在石英晶體上實現(xiàn)聲電的高效轉換。當高頻交變信號加

7、載到 IDT的兩端時，在叉指換能器的電極所覆蓋的石英晶體表面及表面以下空間就會 產生一個交變電場，該電場經(jīng)逆壓電效應后將會在壓電材料表面產生彈性應變， 從而激發(fā)聲表面波。叉指換能器是聲電轉換的核心器件，反射柵則能夠在很大程度上反應諧振器 的性能。反射柵通常由短路的金屬指條或質量負載絕緣指條構成。對于傳播方向 相反的聲表面波來說，其質點的水平和垂直位移始終相差n/2，因此不能同時滿 足兩路沿相反方向傳播波的邊界條件，因而不能采用通常用于體波反射的分離的 高效反射鏡。在此類SAWR的設計中，通常采用聲表面波反射鏡，這種反射鏡 基于反射元陣列，且指條陣列分布不連續(xù)，可以引起許多不完全反射，這些不完

8、全反射相干疊加，進而形成全反射；另外一種方式就是限制反射的帶寬，抑制產 生與聲表面波有關的頻率。目前，常用的反射柵陣列形式如圖5所示，反射柵條 寬與間隔距離均為波長的四分之一。介質熨子注入或擴散金屆圖5常用反射柵結構聲表面波器件的性能在很大程度上決定于壓電基底材料，基底材料的選擇應 該根據(jù)應用需求而確定。對于SAWD來說，基底材料對聲波的傳輸能力與測得 編碼信號的準確度直接相關，此時選擇材料應注重其傳播損耗；而對于SAWR， 則更加關注基底材料的換能特性，材料應擁有較高的機電禍合系數(shù)。采取歐拉角（ALPH，BLTA，GAMA）來表示基片的切型與SAW的傳播方向。選擇歐拉角為（0, 124, 4

9、5）的切型。通過理論計算可得該切型下的機電禍合 系數(shù)、溫度靈敏度系數(shù)、應變靈敏度系數(shù)分別為0.101，2.037, -1.922。諧振器 的諧振腔沿石英晶體的X軸成45。方向制作。扭矩傳感器系統(tǒng)設計采用兩個不 同中心頻率的SAWR差分安裝來分別測量與軸線成士45方向的拉應變和壓應變， 兩個傳感器參數(shù)如表1所示。表1應變式SAW傳感器參數(shù)頻率（蜘）傳播方向機電耗合獲數(shù)MS AWR 14S70.1011931MSAWR243545。U.1O12.037-1.922在此加入一個聲表面波溫度傳感器TSAWR用來修正溫度補償效果。溫度傳 感器的切型選擇應滿足以下條件：相對于應變傳感器，應具有足夠的溫度靈

10、敏度；應變靈敏度與應變傳感器相近。實驗發(fā)現(xiàn)GAMA在035。范圍之內的溫度靈敏度均可滿足溫度測試需求， 考慮TSAWR應與MSAWR2具有相近的應變靈敏度，GAMA= 35為最優(yōu)切型。但是，綜合考慮加工難易程度，TSAWR最終選擇歐拉角為（0，124，30）的切 型，如表2所示。表2 SAW溫度傳感器參數(shù)頻率我田） 傳播方向 枇電 溫度定敏度 應變靈敏廢TSAWR 433300J48-15.458-0.941通過對比表1和表2參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，TSAWR和MSAWR2的溫度靈敏度差 別較大；應變靈敏度差別較小，且在45和30方向的應變數(shù)值接近。因此經(jīng)過差 分后的兩個諧振器輸出的信號是一個溫度的函數(shù)

11、，應變對輸出信號影響很小這就 實現(xiàn)了對扭矩傳感器工作環(huán)境的溫度測量，進而用于改善溫度補償效果。4諧振型聲表面波扭矩傳感器測量系統(tǒng)根據(jù)彈性力學理論可知，扭矩加載后軸體表面的剪切應力狀態(tài)相當于與軸線 成45和135方向上的拉應力和相等的壓應力所形成的合力狀態(tài)。可以證明扭矩 與該拉應力（或壓應力）成線性關系。SAW扭矩傳感器的設計就是通過對這兩個方 向的應變的檢測來實現(xiàn)對扭矩的精確測量的。聲表面波諧振器頻率工作在30MHz3GHz范圍之內，無需電源供能。兩個 MSAWR沿與軸線成45和135方向貼放，形成差分傳感結構。由于應變在士45 方向相反、數(shù)值相等，因此兩個傳感器差分測量的結果可以使應變靈敏度

12、加倍， 對設計相同的MSAWR而言，差分結構可以有效抵消溫度對兩個諧振器影響， 實現(xiàn)對扭矩的精確測量。在諧振型SAW傳感器端接收查詢端發(fā)射的高頻信號，該信號是受被測量調 制的瞬態(tài)輸出信號。當式中所示SAW傳播速度v、IDT的間距l(xiāng)以及IDT周期 長度lp發(fā)生變化時，SAW諧振器的諧振頻率就會隨之改變。回波信號的頻率即 可反映被測量的信息。當IDT收到頻率為為的激勵信號后發(fā)生聲電轉換，生成 同頻聲表面波（SAW），SAW在基片內傳播，遇到左右反射柵后返回，到達IDT 時發(fā)生電聲轉換，通過天線傳輸即可在接收器端得到調制后的頻率信號。若SAW 在基片內傳播同時，基片受到應力作用發(fā)生應變8頻率為將變?yōu)?/p>

13、：=炬2 =頑+膈）=十T 而-兒（1十c -扁1十壬其中W矽、入何)基片發(fā)生應變是聲表面波的傳播速度和波長；V。、入0為未發(fā)生應 變式SAW傳播速度和波長；k為材料常數(shù)。聲表面器件由于受到加工工藝的限制，兩個MSAWR不能夠通過差分來完全 消除溫度影響，因此，在扭矩傳感器的結構設計中加入了一個聲表面溫度傳感器 TSAWR，在測量工作環(huán)境溫度的同時可以修正MSAWR的溫度補償效果。三個 聲表面波傳感器在彈性體軸上的布局如圖6所示。圖6扭矩和溫度敏感單元分布圖聲表面波傳感器通過直接粘貼的方式固定到測量軸上，同時必須保證石英晶 體的X軸與軸線方向保持嚴格平行。MSAWRI和MSAWR2的工作頻率設

14、計分 別為f1=437MHz，f2=435MHz。根據(jù)表1，2所列參數(shù)可知，經(jīng)過差分后，溫度靈敏度接近于零，而扭矩傳 感器的應變靈敏度為：1.931-(-1.922)=3.853kHz/Micro-strain。TSAWR用于測量扭矩傳感器的工作環(huán)境溫度，同時對應變傳感器進行溫度補償 修正。該測溫的諧振器與石英基片X軸成30方向貼放，即該基片中的聲表面波 沿與X軸成30方向傳播，同時設定其工作頻率為433MHz，且與MSAWR2諧 振器形成差分結構進行溫度測量。為了減少體積和節(jié)省成本，三個SAWR共用一個天線，通過各自的匯流盤引 線與天線相連，天線同時接受和發(fā)射437MHz，435MHz，43

15、3MHz的信號，而 三個射頻信號對每一個諧振器而言，只有一個射頻信號會使諧振器處于諧振狀態(tài)， 剩余兩個非諧振頻率信號迅速衰減。在閱讀器端，根據(jù)接收到的信號中心頻率確 定對應的諧振器反射回的信號，再依次對MSAWRI和MSAWR2的信號進行差 分，根據(jù)應變、溫度的頻率靈敏度計算出扭矩和溫度值，實現(xiàn)扭矩、溫度兩個物 理量同時測量。5無線測量系統(tǒng)工作原理如圖7所示，聲表面波無線測量系統(tǒng)的工作原理描述如下。查詢端產生一個 中心頻率為f0的間歇正弦脈沖信號，由天線發(fā)射作用于傳感器。信號發(fā)射與接收 通過不同的端口進行。接收端收到的信號經(jīng)過傳感器作用而產生了一定頻偏，即 頻率估計的原始對象。在接收端后通過濾波器和低噪聲放大器(LNA)與查詢端發(fā) 射的中心頻率為j0的查詢信號發(fā)生混頻，通過低通濾波器去除高頻成分，從而得 到頻率為頻偏值4f的信號，此時無線收發(fā)平臺的硬件部分主要任務基本完成。為了更好的進行頻率估計，通常還會對差頻信號再次通過放大濾波并進行一 定頻率的采樣離散化。需要指出的是，在本文所設計的聲表面波扭矩傳感器中， 對扭矩信號的檢測是由兩個沿彈性體軸線45和135。貼放的MSAWRI和 MSAWR2信號差分后得到的，這樣