本發(fā)明涉及聲學(xué)技術(shù)中的一種聲表面波傳感器，尤其是涉及一種應(yīng)用于測量應(yīng)變量的無線無源聲表面波傳感器。

背景技術(shù)：

應(yīng)變傳感器作為工業(yè)流程控制的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航天航空、石油石化、電力、機(jī)動(dòng)車以及鐵路等領(lǐng)域中。例如，直升機(jī)機(jī)翼運(yùn)行的健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用。

傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器一般基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。其原理是當(dāng)金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體受到外力作用時(shí)所產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致其電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。該類應(yīng)變傳感器應(yīng)用較為普遍，但存在如下一些亟待解決的問題：電阻式應(yīng)變傳感器力阻靈敏度低，所以必須要采用電橋放大信號(hào)導(dǎo)致線路復(fù)雜；其二，電阻式應(yīng)變傳感器分辨力較低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，電阻值變化受溫度影響較大；其三，該應(yīng)變傳感器采用電池供電的有源檢測方式，難以適應(yīng)于高溫高壓及無人值守等極端環(huán)境。因此，高靈敏度、高可靠性、穩(wěn)定性且無線無源的新型應(yīng)變傳感器是其發(fā)展方向。

聲表面波傳感器以其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)如高精度，高靈敏度，體積小，重量輕，功耗低，具有良好的穩(wěn)定性，能夠快速響應(yīng)，制作成本低，而且可實(shí)現(xiàn)無線無源測量方式，特別適合于高溫高壓及無人值守等極端應(yīng)用環(huán)境，極具應(yīng)用前景。無線無源聲表面波傳感技術(shù)原理是由射頻收發(fā)模塊(雷達(dá))發(fā)射與聲表面波傳感器件同頻的電磁波信號(hào)，通過天線由聲表面波傳感器件的叉指換能器接收并轉(zhuǎn)換成沿壓電晶體表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，聲表面波在傳播過程中被反射器反射并被叉指換能器重新轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)，再經(jīng)由天線被收發(fā)模塊接收。在聲表面波傳播過程中如受到力、磁、溫度等影響，即會(huì)直接影響聲傳播速度及幅度。通過解調(diào)接收信號(hào)即可獲得相應(yīng)傳感信息。本發(fā)明即是設(shè)計(jì)一種外接負(fù)載式的新型無線無源聲表面波應(yīng)變傳感器，以差分傳感結(jié)構(gòu)提升傳感器溫度穩(wěn)定性，以外接應(yīng)變片負(fù)載提取相位信號(hào)方式來改善傳感器分辨率，借助于雷達(dá)信號(hào)收發(fā)模塊，由此實(shí)現(xiàn)無線無源的應(yīng)變檢測方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的傳感器存在的上述技術(shù)問題，提供了一種無線無源聲表面波應(yīng)變傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種無線無源聲表面波應(yīng)變傳感器。該傳感器包括：聲表面波反射型延遲線器件、第一匹配網(wǎng)絡(luò)、第二匹配網(wǎng)絡(luò)、參考應(yīng)變片和感知應(yīng)變片；

其中，聲表面波反射型延遲線器件通過第一匹配網(wǎng)絡(luò)與參考應(yīng)變片連接；聲表面波反射型延遲線器件通過第二匹配網(wǎng)絡(luò)與感知應(yīng)變片連接。

優(yōu)選的，聲表面波反射型延遲線器件包括：第一吸聲膠、第二吸聲膠、壓電晶體、叉指換能器和第一至第六雙通道反射器；其中，第一吸聲膠和第二吸聲膠分別涂覆在壓電晶體兩端；叉指換能器和第一至第六雙通道反射器利用半導(dǎo)體光刻工藝制作于壓電晶體之上；第三雙通道反射器通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接參考應(yīng)變片；第六雙通道反射器通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接感知應(yīng)變片；第一至第六雙通道反射器中的第一至第三雙通道反射器構(gòu)成參考通道；第四至第六雙通道反射器構(gòu)成傳感通道。

優(yōu)選的，第三通道反射器與叉指換能器之間的時(shí)域間隔，小于第四雙通道反射器與叉指換能器之間的時(shí)域間隔；第一雙通道反射器與叉指換能器之間的時(shí)域間隔為1.1～1.3μs。

優(yōu)選的，第一匹配網(wǎng)絡(luò)與第二匹配網(wǎng)絡(luò)分別由匹配電感與匹配電容構(gòu)成的lc電路組成；聲表面波反射型延遲線器件通過lc電路與參考應(yīng)變片連接；聲表面波反射型延遲線器件通過lc電路與感知應(yīng)變片連接。

優(yōu)選的，為降低聲表面波反射型延遲線器件損耗，并獲得良好的差分溫度補(bǔ)償效應(yīng)，所述的壓電晶體選取具有高壓電系數(shù)，線性溫度系數(shù)的材料，壓電晶體的材料選用鈮酸鋰linbo3、鉭酸鋰litao3、鎵酸鋰ligao2和鍺酸鋰geli2o3中的一種；壓電晶體的基底選用41°yx-linbo3、128°yx-linbo3、yz-linbo3和36°yx-litao3中的一種壓電晶體。

優(yōu)選的，第一雙通道反射器、第二雙通道反射器、第四雙通道反射器和第五雙通道反射器為溫度補(bǔ)償參考反射器。

優(yōu)選的，第一至第六雙通道反射器為短路反射柵型；其中，第一至第三雙通道反射器電極數(shù)目隨著第一至第三雙通道反射器與叉指換能器之間的距離的增大而增加；第四至第六雙通道反射器電極數(shù)目隨著第四至第六雙通道反射器與叉指換能器之間的距離的增大而增加。

優(yōu)選的，參考應(yīng)變片和所述感知應(yīng)變片的材料選取前提是保證良好的溫度穩(wěn)定性、較好的壓力敏感度及承壓能力。所以選用聚酰亞胺膜應(yīng)變片；參考應(yīng)變片和所述感知應(yīng)變片的工作溫度范圍為：-70℃～200℃。

優(yōu)選的，參考應(yīng)變片和感知應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)相同，采用電容式應(yīng)變片、電感式應(yīng)變片和電阻式應(yīng)變片中的一種。

優(yōu)選的，叉指換能器的電極材料選用鋁、鉑和銅中的一種。

本申請?zhí)峁┑膽?yīng)用于信號(hào)傳遞的聲表面波反射型延遲線器件，采用雙通道的反射型延遲線結(jié)構(gòu),其中參考通道通過匹配網(wǎng)絡(luò)與作為固定負(fù)載的參考應(yīng)變片相連，傳感通道則與感知應(yīng)變片相連，通過差分的方法消除在應(yīng)變測量過程中的溫度干擾。本申請采用外接應(yīng)變片負(fù)載式感知應(yīng)變量，比直接用聲表面波器件測量應(yīng)變更加的穩(wěn)定可靠。解決了直接作用于聲表面波器件上，難以解決由此產(chǎn)生的力溫耦合問題。而且，如果直接用聲表面波器件測量應(yīng)變，則在測量應(yīng)變的同時(shí)器件本身也會(huì)發(fā)生應(yīng)變，這樣不僅增加器件封裝的難度，而且也會(huì)使器件受到損傷，減少器件的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無線無源聲表面波應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示的一種聲表面波反射型延遲線器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1所示的一種匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記如下：

1和2為吸聲膠；3為壓電晶體；4為叉指換能器；5-10為雙通道反射器；11為第一匹配網(wǎng)絡(luò)；12為第二匹配網(wǎng)絡(luò)；13為參考應(yīng)變片；14為感知應(yīng)變片；15為聲表面波反射型延遲線器件；16為匹配電感；17為匹配電容

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無線無源聲表面波應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該無線無源聲表面波應(yīng)變傳感器包括：聲表面波反射型延遲線器件15、第一匹配網(wǎng)絡(luò)11、第二匹配網(wǎng)絡(luò)12、參考應(yīng)變片13和感知應(yīng)變片14；其中，聲表面波反射型延遲線器件15通過第一匹配網(wǎng)絡(luò)11與參考應(yīng)變片13連接；聲表面波反射型延遲線器件15通過第二匹配網(wǎng)絡(luò)12與感知應(yīng)變片14連接。

上述無線無源應(yīng)變傳感器可采用433m，915m，2.4g等ism頻段或其他頻段。

圖2為圖1所示的一種聲表面波反射型延遲線器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，聲表面波反射型延遲線器件15包括：第一吸聲膠1、第二吸聲膠2、壓電晶體3、叉指換能器4和第一至第六雙通道反射器5-10；

上述聲表面波反射型延遲線器件15可采用40m帶寬。輸入端阻抗輸出匹配至50歐姆。

其中，第一吸聲膠1和第二吸聲膠2分別涂覆在壓電晶體3兩端，用于消除聲表面波的邊緣反射，以降低聲表面波反射型延遲線器件15的邊緣反射引起的時(shí)域噪聲。

考慮到溫度因素對應(yīng)變測量造成的影響，要求選取壓電系數(shù)高，溫度系數(shù)線性度好，能易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)牟牧希瑝弘娋w3材料可選用鈮酸鋰linbo3、鉭酸鋰litao3、鎵酸鋰ligao2和鍺酸鋰geli2o3等高壓電系數(shù)材料中的一種；因此所述壓電晶體3可使用41°yx-linbo3，128°yx-linbo3，yz-linbo3,36°yx-litao3中的一種。

叉指換能器4與雙通道反射器5-10利用半導(dǎo)體光刻工藝制作于壓電晶體3之上，通過光刻技術(shù)制作，叉指換能器4指條寬度為1.101微米，電極膜厚為300納米，各個(gè)指條間距均為1.101微米，聲孔徑為1586.160微米；叉指換能器4的頻率為中心頻率，設(shè)為890m，叉指電極數(shù)目為20對。叉指換能器4的電極材料可選用鋁、鉑和銅中的一種。本實(shí)施例的叉指換能器的電極材料優(yōu)選采用鋁。

雙通道反射器5-10采用短路反射柵型，上述雙通道反射器中每個(gè)通道都有3個(gè)反射器。6個(gè)雙通道反射器5-10指條寬度為1.101微米，電極膜厚為300納米，各個(gè)指條間距均為1.101微米，指條長度均為440.600微米。

為實(shí)現(xiàn)差分式溫度補(bǔ)償，聲表面波反射型延遲線器件15設(shè)置溫度補(bǔ)償參考反射器，即設(shè)置雙通道反射器5、雙通道反射器6和雙通道反射器8、雙通道反射器9為溫度補(bǔ)償參考反射器。

其中，第一至第三雙通道反射器5-7電極數(shù)目隨著第一至第三雙通道反射器5-7與叉指換能器4之間的距離的增大而增加；第四至第六雙通道反射器8-10電極數(shù)目隨著第四至第六雙通道反射器8-10與叉指換能器4之間的距離的增大而增加。

圖2所示的例子，參考通道中的雙通道反射器5-7和傳感通道中的雙通道反射器8-10的電極數(shù)目從左到右依次都是7對、8.5對、10對。

上述第三雙通道反射器7通過匹配網(wǎng)絡(luò)11連接參考應(yīng)變片13，參考應(yīng)變片13僅作為固定負(fù)載，不感知應(yīng)變變化；上述第六雙通道反射器10通過匹配網(wǎng)絡(luò)12連接感知應(yīng)變片14；第一至第六雙通道反射器5-10中的第一至第三雙通道反射器5-7構(gòu)成參考通道，用于消除環(huán)境溫度以及振動(dòng)變化導(dǎo)致的應(yīng)變檢測過程中的干擾效應(yīng)；第四至第六雙通道反射器8-10構(gòu)成傳感通道，用于應(yīng)變檢測。

第一雙通道反射器5與叉指換能器4之間時(shí)域間隔設(shè)置為1.1～1.3μs，用以消除外圍環(huán)境噪聲干擾。另外，為保證兩路反射器的反射時(shí)域信號(hào)不發(fā)生重疊，要求傳感通道的反射器8與叉指換能器4之間的時(shí)域間隔大于參考通道的反射器7到叉指換能器4的時(shí)域間隔。

具體地，參考通道和傳感通道中的第一個(gè)雙通道反射器5和雙通道反射器8與第二個(gè)雙通道反射器6和雙通道反射器9的距離是66.75λ(λ為對應(yīng)聲波長)，第二個(gè)雙通道反射器6和雙通道反射器9與第三個(gè)雙通道反射器7和雙通道反射器10的距離是48.95λ。叉指換能器4與參考通道的第一個(gè)反射器5的距離是854λ，與傳感通道的第一個(gè)反射器8的距離是1014λ，兩通道反射器間隔的距離是89λ。并且，參考通道與傳感通道的第三個(gè)反射器7和10作為輸出端。最后用陶瓷材料進(jìn)行封裝，也可采用金屬材料進(jìn)行封裝。

第三雙通道反射器7與叉指換能器4的距離，大于第四雙通道反射器8與叉指換能器4的距離。

第一匹配網(wǎng)絡(luò)11和第二匹配網(wǎng)絡(luò)12采用近似結(jié)構(gòu)；第一匹配網(wǎng)絡(luò)11和第二匹配網(wǎng)絡(luò)12用于保證應(yīng)變片與反射器之間的阻抗匹配，提高傳感器靈敏度。第一匹配網(wǎng)絡(luò)11和/或第二匹配網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)lc串并聯(lián)的電路組成。當(dāng)緊貼于待測目標(biāo)平面的感知應(yīng)變片14發(fā)生應(yīng)變的時(shí)候，該變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片的阻抗變化，而應(yīng)變片阻抗的變化又會(huì)引起與之相連的反射器反射系數(shù)變化。因此，具有聲電轉(zhuǎn)換作用的反射器反射的聲表面波信號(hào)的相位和幅度上都會(huì)耦合應(yīng)變片阻抗信息的變化。在測量過程中，作為固定負(fù)載的參考應(yīng)變片13固定不發(fā)生形變，僅作為參考，通過信號(hào)處理方法，即可獲得待測應(yīng)變量。

聲表面波反射型延遲線器件15通過電感16與參考應(yīng)變片13連接；聲表面波反射型延遲線器件15通過電感16與感知應(yīng)變片14連接；或者聲表面波反射型延遲線器件15通過lc電路與參考應(yīng)變片13連接；聲表面波反射型延遲線器件15通過lc電路與感知應(yīng)變片14連接。

圖3所示的例子，聲表面波反射型延遲線器件15與參考應(yīng)變片13和感知應(yīng)變片14之間串聯(lián)一個(gè)9.1nh的電感16的電路。由于本方案中具體參數(shù)設(shè)置的要求，此處并不需要放置匹配電容，因此僅串聯(lián)一個(gè)匹配電感即可，第一匹配網(wǎng)絡(luò)11和第二匹配網(wǎng)絡(luò)12分別連接聲表面波反射型延遲線器件15的兩個(gè)輸出端口對應(yīng)的雙通道反射器7和雙通道反射器10。

應(yīng)變片的種類繁多，如電阻應(yīng)變片及電容式應(yīng)變片，具體包括日本共和kyowa應(yīng)變片、nmb應(yīng)變片、阿克蒙德tsk電阻應(yīng)變片、pcb板應(yīng)變片等種。

本實(shí)施例的參考應(yīng)變片13和感知應(yīng)變片14的選取前提是能保證良好的溫度穩(wěn)定性，較高的靈敏度，較大的量程。綜合考慮，選用聚酰亞胺膜應(yīng)變片。該應(yīng)變片的工作溫度范圍-70℃～200℃。

感知應(yīng)變片14粘于待測構(gòu)件表面，參考應(yīng)變片13作為固定負(fù)載。而且兩個(gè)應(yīng)變片都優(yōu)選用聚酰亞胺膜應(yīng)變片，感知應(yīng)變片14和參考應(yīng)變片13的結(jié)構(gòu)相同，也可采用電容式應(yīng)變片、電感式應(yīng)變片和電阻式應(yīng)變片中的一種。

進(jìn)一步地，聲表面波傳感器的工作原理描述如下：

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，叉指換能器4把接收到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)，激發(fā)的聲表面波沿著壓電晶體3傳播，當(dāng)經(jīng)過雙通道反射器5-10時(shí)聲表面波被反射回去。由于雙通道反射器10通過匹配網(wǎng)絡(luò)12連著感知應(yīng)變片14，當(dāng)感知應(yīng)變片14發(fā)生應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生阻抗的變化，導(dǎo)致與之連接的雙通道反射器10的反射系數(shù)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致反射的聲表面波的幅度和相位發(fā)生變化。發(fā)生變化的反射聲表面波經(jīng)過叉指換能器4時(shí)，由于正壓電效應(yīng)，最終叉指換能器4把變化的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)輸出，再由雷達(dá)收發(fā)模塊接收并信號(hào)解調(diào)處理。

具體地，本方案中參考通道中的雙通道反射器7和傳感通道中的雙通道反射器10分別通過匹配網(wǎng)絡(luò)11和12連接著負(fù)載，即參考應(yīng)變片13和感知應(yīng)變片14。其中與傳感通道的雙通道反射器10連接的感知應(yīng)變片14發(fā)生形變，而與參考通道的雙通道反射器7連接的參考應(yīng)變片13則保持固定不變，所以根據(jù)兩路信號(hào)的差分可得到由應(yīng)變而產(chǎn)生的變化，并實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償。

具體地，用p矩陣分別表示叉指換能器和反射器，利用p矩陣的級(jí)聯(lián)關(guān)系，推算出整個(gè)器件的導(dǎo)納矩陣，

然后利用導(dǎo)納矩陣解，整個(gè)反射型延遲線的反射系數(shù)s11可以表示為:

其中yg為源與負(fù)載導(dǎo)。然后基于快速傅立葉變化(fft)，頻率域s11將可以直接轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)。

本發(fā)明提供的應(yīng)用于信號(hào)傳遞的聲表面波反射型延遲線器件(15)，采用雙通道的反射型延遲線結(jié)構(gòu),其中參考通道通過匹配網(wǎng)絡(luò)與作為固定負(fù)載的參考應(yīng)變片相連，傳感通道則與感知應(yīng)變片相連，通過差分的方法消除在應(yīng)變測量過程中的溫度干擾。另外，本發(fā)明采用外接應(yīng)變片負(fù)載式感知應(yīng)變量，比直接用聲表面波器件測量應(yīng)變更加的穩(wěn)定可靠。因?yàn)楫?dāng)直接作用于聲表面波器件上，難以解決由此產(chǎn)生的力溫耦合問題。而且，如果直接用聲表面波器件測量應(yīng)變，則在測量應(yīng)變的同時(shí)器件本身也會(huì)發(fā)生應(yīng)變，這樣不僅增加器件封裝的難度，而且也會(huì)使器件受到損傷，減少器件的使用壽命。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。