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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，通过测量与轴线成和 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传感器接45135收中心频率为器件固有频率的激
2、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移，进而获得扭矩的被测值。2.1 SAW 传感器工作原理目前常用的
3、 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2.2 SAWD 传感器在延迟线型（SAWD）声表面波传感器中，采用 IDT 及距
4、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：=(2)式中，v 为 SAW 的传播速度；l 为 IDT 与参考反射栅之间的
5、距离；n 为取决于电极形状和的正整数； 反馈回路的相移。图 3 SAWD 传感器结构图2.3 SAWR 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 相等时，0传感器发生谐振。其固有频率满足式上式。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
6、 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 4 SAWR 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
7、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 /2，因此不能同时满足两路沿相反方向传播波的边界条件，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，通常采用声表面波反射
8、镜，这种反射镜基于反射元阵列，且指条阵列分布不连续，可以引起许多不完全反射，这些不完全反射相干叠加，进而形成全反射；另外一种方式就是限制反射的带宽，抑制产生与声表面波有关的频率。目前，常用的反射栅阵列形式如图 5 所示，反射栅条宽与间隔距离均为波长的四分之一。图 5 常用反射栅结构声表面波器件的性能在很大程度上决定于压电基底材料，基底材料的选择应该根据应用需求而确定。对于 SAWD 来说，基底材料对声波的传输能力与测得编码信号的准确度直接相关，此时选择材料应注重其传播损耗；而对于SAWR，则更加关注基底材料的换能特性，材料应拥有较高的机电祸合系数。采取欧拉角(ALPH，BLTA，GAMA)来表
9、示基片的切型与 SAW 的传播方向。选择欧拉角为( )的切型。通过理论计算可得该切型下的机电0， 124， 45祸合系数、温度灵敏度系数、应变灵敏度系数分别为 0.101，2.037，-1.922。谐振器的谐振腔沿石英晶体的 X 轴成 。方向制作。扭矩传感器系统设计采用45两个不同中心频率的 SAWR 差分安装来分别测量与轴线成士 方向的拉应变45和压应变，两个传感器参数如表 1 所示。表 1 应变式 SAW 传感器参数在此加入一个声表面波温度传感器 TSAWR 用来修正温度补偿效果。温度传感器的切型选择应满足以下条件：1.相对于应变传感器，应具有足够的温度灵敏度；2.应变灵敏度与应变传感器相
10、近。实验发现 GAMA 在 035 。范围之内的温度灵敏度均可满足温度测试需求，考虑 TSAWR 应与 MSAWR2 具有相近的应变灵敏度，GAMA= 为最优切型。35但是，综合考虑加工难易程度，TSAWR 最终选择欧拉角为( )的0， 124， 30切型，如表 2 所示。表 2 SAW 温度传感器参数通过对比表 1 和表 2 参数可以发现，TSAWR 和 MSAWR2 的温度灵敏度差别较大；应变灵敏度差别较小，且在 和 方向的应变数值接近。因此经过4530差分后的两个谐振器输出的信号是一个温度的函数，应变对输出信号影响很小这就实现了对扭矩传感器工作环境的温度测量，进而用于改善温度补偿效果。4
11、 谐振型声表面波扭矩传感器测量系统根据弹性力学理论可知，扭矩加载后轴体表面的剪切应力状态相当于与轴线成 和 方向上的拉应力和相等的压应力所形成的合力状态。可以证明扭45135矩与该拉应力(或压应力) 成线性关系。SAW 扭矩传感器的设计就是通过对这两个方向的应变的检测来实现对扭矩的精确测量的。声表面波谐振器频率工作在 30MHz3GHz 范围之内，无需电源供能。两个MSAWR 沿与轴线成 和 方向贴放，形成差分传感结构。由于应变在士45135方向相反、数值相等，因此两个传感器差分测量的结果可以使应变灵敏度加45倍，对设计相同的 MSAWR 而言，差分结构可以有效抵消温度对两个谐振器影响，实现对
12、扭矩的精确测量。在谐振型 SAW 传感器端接收查询端发射的高频信号，该信号是受被测量调制的瞬态输出信号。当式中所示 SAW 传播速度 v、IDT 的间距 l 以及 IDT 周期长度 lp发生变化时，SAW 谐振器的谐振频率就会随之改变。回波信号的频率即可反映被测量的信息。当 IDT 收到频率为 f0的激励信号后发生声电转换，生成同频声表面波(SAW) ，SAW 在基片内传播，遇到左右反射栅后返回，到达 IDT时发生电声转换，通过天线传输即可在接收器端得到调制后的频率信号。若SAW 在基片内传播同时，基片受到应力作用发生应变 频率 f0将变为：其中 v( )、 基片发生应变 是声表面波的传播速度
13、和波长；V 0、 为未发生 () 0应变式 SAW 传播速度和波长；k 为材料常数。声表面器件由于受到加工工艺的限制，两个 MSAWR 不能够通过差分来完全消除温度影响，因此，在扭矩传感器的结构设计中加入了一个声表面温度传感器 TSAWR，在测量工作环境温度的同时可以修正 MSAWR 的温度补偿效果。三个声表面波传感器在弹性体轴上的布局如图 6 所示。图 6 扭矩和温度敏感单元分布图声表面波传感器通过直接粘贴的方式固定到测量轴上，同时必须保证石英晶体的 X 轴与轴线方向保持严格平行。MSAWRI 和 MSAWR2 的工作频率设计分别为 f1=437MHz，f2=435MHz。根据表 1，2 所
14、列参数可知，经过差分后，温度灵敏度接近于零，而扭矩传感器的应变灵敏度为：1.931-(-1.922)=3.853kHz/Micro-strain。TSAWR 用于测量扭矩传感器的工作环境温度，同时对应变传感器进行温度补偿修正。该测温的谐振器与石英基片 X 轴成 方向贴放，即该基片中的声表30面波沿与 X 轴成 方向传播，同时设定其工作频率为 433MHz，且与30MSAWR2 谐振器形成差分结构进行温度测量。为了减少体积和节省成本，三个 SAWR 共用一个天线，通过各自的汇流盘引线与天线相连，天线同时接受和发射 437MHz，435MHz ，433MHz 的信号，而三个射频信号对每一个谐振器而
15、言，只有一个射频信号会使谐振器处于谐振状态，剩余两个非谐振频率信号迅速衰减。在阅读器端，根据接收到的信号中心频率确定对应的谐振器反射回的信号，再依次对 MSAWRI 和 MSAWR2 的信号进行差分，根据应变、温度的频率灵敏度计算出扭矩和温度值，实现扭矩、温度两个物理量同时测量。5 无线测量系统工作原理如图 7 所示，声表面波无线测量系统的工作原理描述如下。查询端产生一个中心频率为 f0的间歇正弦脉冲信号，由天线发射作用于传感器。信号发射与接收通过不同的端口进行。接收端收到的信号经过传感器作用而产生了一定频偏，即频率估计的原始对象。在接收端后通过滤波器和低噪声放大器(LNA)与查询端发射的中心
16、频率为 f0的查询信号发生混频，通过低通滤波器去除高频成分，从而得到频率为频偏值 4f 的信号，此时无线收发平台的硬件部分主要任务基本完成。 为了更好的进行频率估计，通常还会对差频信号再次通过放大滤波并进行一定频率的采样离散化。需要指出的是，在本文所设计的声表面波扭矩传感器中，对扭矩信号的检测是由两个沿弹性体轴线 和 。贴放的45135MSAWRI 和 MSAWR2 信号差分后得到的，这样的设计不仅可以在很大程度上消除由于温度引起的频率偏移误差，而且可以使扭矩应变灵敏度提高一倍。图 7 无线测量系统6 总结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 的特性以及封装形式。本文研究了一种新型声表面波扭矩传感器系统，采用单端口谐振式声表面波传感器作为敏感元件。通过有限元分析的方法对结构弹性体结构进行静力分析。相信，本文所设计的声表面波扭矩传感器将有助于进
