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1、上海工程技术大学毕业设计（毕业论文）开题报告学院专业班级学号学生指导教师电子电气工程学院自动化 0212091 021209135 吴涛涛赵春锋题目声表面波扭矩传感器关键技术的研究任务规定进行日期自 2013 年 2 月 25 日起，至 2013 年 6 月 25 日止一、引言扭矩是旋转动力机械的重要工作参数，在扭矩作用下， 机械构件将产生一定程度的扭转变形，所以扭矩测量具有非常广泛的应用，是各种机械产品的开发研究、测试分析、 质量检验、工况监测、故障诊断和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。目前，
2、国内外扭矩测量所应用的方法绝大多数是传递法。即传递扭矩时弹性元件的物理参数会发生某种程度的变化，利用这种变化与扭矩的对应关系来测量扭矩。按照不同的物理参数，可将传递法进一步划分为磁弹性式、应变式、光电式、磁电式、电容式、光纤式、声表面波（ saw）式等多种扭矩测量方法。国内外研制和开发的扭矩传感器种类很多，按照扭矩传感器弹性元件的变形几何参数、物理参数和静力学关系，扭矩测量主要有应变型、磁弹性型、转角型三种，应变型传感器是日前国内外使用最多的一种扭矩传感器。它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理。此种传感器广泛使用在静态和低速旋转系统的扭矩测量上，测量精
3、度可达0.1 fs ，量程范围可覆盖所有需求，声表面波扭矩传感器属于其中一类 。表面波是在压电基片材料表面上产生并传播、且其振幅随着深入基片材料的深度增加而迅速减少的一种弹性波。在声表面波的传播路径上以某种方式（施加机械应力或电场, 或通过沉积的化学界面吸收膜的吸附等）调制声表面波，产生可以探测的声表面波传播特性的变化,便可构成各种saw传感器。图 1 用电探针观测到的压电晶体表面的声表面波传播1855年，英国物理学家瑞利（railey）根据对地震波的研究，从理论上阐明了在弹性固体内除存在纵波和剪切波外，还可能存在一种波，这种弹性波沿半无限固体表面传播，称为瑞利波或声表面波（saw.surfa
4、ce acoustic wave） 。1965 年，美国的white 等人利用叉指换能器 (interdigital transducers，idt)直接在压电介质上有效地激励出saw，此后， saw 技术迅猛发展。基于saw 对某些物理、化学、生物量的敏感特性，许多各具特色的saw器件被开发出来。声表面波传感器的构造，按照叉指换能器(idt)电极 ( 如图 2 所示）的设计不同，可以产生许多种类。在此，可以基本的分为延迟线型和谐振型声表面波传感器。图中a 为叉指电极宽度，d 为相邻叉指电极间距，w为叉指换能器的孔径宽度。图 2 叉指换能器相对于其他传感器，声表面波传感器具有如下优点：1、由于
5、声表面波器件的压电及可工作在射频频段的特性，使得 saw 传感器非常适用于无线遥测且实现传感器的无源化。2、高精度、高灵敏度、 高分辨率、 重复性好， 通常可以检测常规传感器难以检测到的微小变化量。3、读取范围大且可靠，可达数米。4、微型化，可作成贴片式传感器。5、低成本，平面制作工艺，易于大规模生产，维护简单。6、长寿命，可在高温差( 一 100 300) 、强电磁干扰等恶劣环境下工作数十年。二、国内外研究现状及发展趋势声表面波传感器出现于上个世纪的70 年代，但真正作为一种新型传感器而受到重视则始于 80 年代，在这之后的20 多年的时间美国、欧洲、日本等国家投入了大量的人力、物力进行积极
6、开发，取得了长足的进步，部分产品已经取得了实用化。声表面波有源传感器的研究早在上世纪70 年代就已开展，最近几年已经研究出多种用声表面波元件为载体的传感器。而无源无线声表面波传感器是一项较新的传感器研究领域，国外始于上个世纪八十年代中后期，目前，该传感器原理及应用的研究主要集中在欧美同等发达国家和地区。而国内从上世纪九十年代中后期才开始探索，近几年来，国内外对单个无源无线传感器、 标识器的研究取得了许多的进展，取得许多的研究成果，扩展到许多应用领域。多功能无源无线声表面波传感器，也是目前传感器技术研究发展中较新的研究内容，具有十分引人的工程应用前景。对于谐振型和延迟型两类现有的无源无线声表面波
7、传感器，各有不少应用的实例。如2000 年德国 ilmenau technicaluniversity的 m binhack 研究的谐振型无源无线声表面波传感器，是利用声表面波谐振器的谐振频率随外界参数变化而改变达到测量的目的。而对于延迟编码型则有更多成功的例子，如1997 年 12 月美国 pennsylwnia州立大学的v kvaradan 教授提出一种无源、无线反射式声表面波加速度测试系统，它将电磁波激励声表面波延迟反射器，根据天线反射回波的延迟测量加速度，它能应用于对直升飞机叶片高速转动时尖端的加速度及汽车碰撞时数据的自动测试和应力应变及温度的测量。奥地利的 univoftechnol
8、ogyvierma的 r steindl等采用带反射器的延迟线作为无线查询的传感器，该反射器是可编程的，这样，可实现对目标的程控编码。a，pohl等研究成功的汽车轮胎的压力、温度、摩擦的测量和刹车的监测。此外，目前世界各地还有许多各种无源声表面波查询、识别和传感器系统的研究成果。三、本课题的设计内容和方案1、设计内容及要求本课题通过研究声表面波器件的原理和扭矩传感器的性能指标，分析声表面波扭矩传感器的基本结构形式以及工作原理与基本数学关系，初步建立扭矩测量实验平台，并掌握声表面波器件的设计制作一般方法。通过本课题来掌握声表面波扭矩传感器的设计方法，熟悉声表面波扭矩传感器的重要指标参数，最后写出
9、毕业论文。2、声表面波（ saw）传感器的几种设计方法2.1延迟线型声表面波传感器延迟线型声表面波传感器的基本结构如图3 所示，由 idt和反射栅构成。 一般的延迟线型声表面波传感器以压电材料作为基片，直接在压电基片上镀电极来激发声表面波。可以根据反射栅的不同排布和对反射栅外接阻抗的方式来实现编码，从而对回波信号的相位进行调制，因此延迟线型声表面波传感器主要用在辨识标签领域中。图 3 基本结构延迟线型声表面波传感器2.2谐振型声表面波传感器利用叉指换能器电极的设计，可以设计出谐振型声表面波传感器，它是将发射/ 接收叉指换能器置于全反射的反射极间组成的，如图4 所示。谐振型传感器的基本原理是根据
10、所需敏感的物理量或化学量，适当设计声表面波振荡器，使它对一定的微细干扰敏感，并转换为对频率的测量。将制造好的声表面波振荡器置于一些物理量和化学量的变化中，声表面波的传播速度和振荡频率将发生变化。图 4 谐振型声表面波传感器3、设计方案本课题将设计谐振型声表面波(saw) 传感器来测量扭矩。 由 idt 和反射栅组成saw谐振器，利用其谐振频率随idt叉指间距变化而改变的特性测量扭矩。给叉指换能器（idt ）施加频率为f0 的激励，将发生声电转换，在压电基片上激励的saw向两侧传播在左右反射栅之间发生多次反射，反射波仍由idt接收。当激励信号的频率与传感器自身的谐振频率一致时，传感器内部将形成谐
11、振，将该组回波信号所对应的激发信号频率定为目前扭矩状态下的谐振频率。生成的同频saw到达 idt时发生电声转换，向外辐射同频电磁波。通过示波器等测量仪器对回波信号进行测量，通过对回波进行比较，当回波信号幅值平方和最大时，认为此时回波能量最大，传感器发生谐振。当受外界因素影响，压电材料制基体在沿saw 传播的方向上产生应变，叉指中心距与saw传播速度相应发生变化，可导致saw 谐振器的谐振频率f0 发生变化。通过研究f0 与应变 t之间的数学关系，得出扭矩计算公式，可得出扭矩。图 5 saw 传感器扭矩测量模型课题实验如图5，在转轴平台上贴装saw传感器搭建扭矩加载平台，saw 扭矩传感器通过测
12、量与轴成45方向的应变来完成转轴的扭矩测量。3、进度计划第 1 周第 3 周：收集资料， 熟悉声表面波器件的基本原理，扭矩传感器的性能指标，做好外文翻译、撰写开题报告；第 4 周第 6 周：初步建立扭矩测量实验平台；第 7周第 9周： 分析声表面波扭矩传感器的基本结构形式以及工作原理与基本数学关系；第 10 周第 12 周：掌握声表面波器件的设计制作一般方法；第 13 周第 14 周：撰写毕业论文；第 15 周第 16 周：评阅论文，修改论文；第 17 周第 18 周：答辩准备与答辩。4、主要参考文献1.李平 ; 文玉梅 ; 黄尚廉无源声表面波温度遥感系统响应信号的研究 期刊论文 - 压电与声
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14、meng zong.liu bin 声表面波扭矩无线测量系统的研究 期刊论文 - 仪器仪表学报 2005,26(8) 7.reindl, f. muller, c. ruppel, we. bulst and f. seifert, passive surface wave sensors which can be wirelessly interrogated, international patent appl wo 93/13495 (1992). 8.alfred pohl ,g.ostermayer ,l.reindl ,f.seifert ，monitoring the tire
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