王 俊,李媛媛*,盧文科

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院,上海 201620;2.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

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基于SAW器件的微間隙壓力監(jiān)測傳感器*

王 俊1,李媛媛1*,盧文科2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院,上海 201620;2.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件能進行無源無線通信,為微間隙等特殊環(huán)境下物理量的測量提供了新的解決思路。研究設(shè)計了一種基于聲表面波延遲線的接觸應(yīng)力傳感器。圍繞微間隙環(huán)境,研究了聲表面波器件的結(jié)構(gòu)類型,并確定壓力監(jiān)測的技術(shù)方案;根據(jù)設(shè)計原理,設(shè)計一種新型聲表面波傳感器,并利用有限元分析法對壓電基片進行應(yīng)力仿真;將設(shè)計出的傳感器進行實驗測試并提出溫度補償。通過對聲表面波傳感器設(shè)計的探究,驗證了利用聲表面波傳感器實現(xiàn)微間隙壓力監(jiān)測的可行性。

聲表面波;無源無線;微間隙;有限元分析;應(yīng)力仿真

接觸壓力的理論和試驗研究一直是工程和力學(xué)的熱門課題,對于處在兩個金屬或者非金屬物體及若干局部彈性介質(zhì)的微間隙(厚度在1 mm～5 mm)的物體來說,實時監(jiān)測其表面壓力是極其重要的。目前,應(yīng)用于接觸壓力測量的傳感器大致可分為壓阻式、電容式、電感式、光學(xué)式等[1],然而它們需要電源供電且基于有線方式工作[2]。對于微間隙中接觸壓力監(jiān)測來說,有源有線的工作方式顯得并不方便,而以無源無線[3]方式工作的聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave,)技術(shù)[4-6],給微間隙等極端環(huán)境中物理量的測量提供了新的思路。

聲表面波最初是在研究地震波時被發(fā)現(xiàn)的,但是直到20世紀(jì)80年代,隨著對聲表面波性質(zhì)認(rèn)識和外界因素對其影響特性研究的深入,聲表面波才被用來制作各種各樣的傳感器。由于聲表面波傳感技術(shù)符合信號系統(tǒng)數(shù)字化、高精度等要求,因此其發(fā)展得到了很大的重視。尤其是在歐美、日本等發(fā)達國家,聲表面波技術(shù)已經(jīng)較為成熟,制作出的SAW器件尺寸小、靈敏度高、重復(fù)性好[7-8]。2010年,Muntwyler S提出基于三維的聲表面波器件的設(shè)計,Kim Y C研究了雙軸微力傳感器,Singh K J[9]等人研究了提高器件敏感性的方法。2013年,張國偉[10]提出了能夠提高測量精度的基于LGS的SAW諧振型微壓力傳感器。2014年,李媛媛[11]提出在聲表面波式微力傳感器的設(shè)計,在提升傳感器靈敏度等方面做了大量的工作。通過前期的研究對比發(fā)現(xiàn),SAW器件能夠通過微加工工藝[12-13],制作方便,并能夠滿足要求,本文設(shè)計一種新型結(jié)構(gòu)的傳感器,為實現(xiàn)無源無線通信,所以選擇SAW傳感[14]技術(shù)方案來監(jiān)測微間隙接觸壓力。

1 微間隙接觸壓力監(jiān)測的SAW傳感技術(shù)方案

微間隙中接觸壓力存在于物體A和物體B是兩個金屬或非金屬物體形成一個間距d(1 mm～5 mm)的曲面間隙,如圖1所示。

圖1 微間隙接觸壓力示意圖

為實現(xiàn)微間隙接觸壓力的測量,本文設(shè)計微間隙壓力監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)包括傳感器端和查詢端,如圖2所示。傳感器端負責(zé)接收查詢端的激勵信號并發(fā)射經(jīng)過被測接觸壓力調(diào)制的信號。查詢端的主要作用是產(chǎn)生傳感器端的激勵信號和接收并處理傳感器端傳回的信號。

圖2 微間隙壓力監(jiān)測系統(tǒng)

2 SAW微力傳感器的設(shè)計

2.1 SAW基片設(shè)計

SAW器件常使用的基片材料有石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等[15]。由表1,可以看出鈮酸鋰具有較好的機電耦合系數(shù),壓電系數(shù)大,聲衰較小,化學(xué)穩(wěn)定性好,機械品質(zhì)因數(shù)高等特性,是制備SAW壓電基片的首選材料。

圖3是SAW基片尺寸圖。其中L為本設(shè)計基片長度,分別有21 mm、25 mm和29 mm,寬0.5 mm,厚0.1 mm,L1和L2是叉指換能器IDT(Interdigital Transducers,)與基片的距離。

圖3 SAW基片尺寸圖

材料切向V/(m/s)K2/%溫度系數(shù)/(10-6/C)傳播損耗/(dB/cm(MHz))石英Y-X42.75°Y-X315931570.220.16-2400.82(100)0.95鈮酸鋰Y-Z131°Y-X41.5°Y-X128°Y-X348540040039604.35.55.55.5-85-75-72-740.31(1000)0.26(1000)1.05(1000)鉭酸鋰Y-ZX-112°Y63.6°Y-X166.5°Y-X32303295360033700.740.647.81.54-37-180500.35(10000)

本文設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)的SAW微力傳感器,如圖4所示。其特征在于,包括兩塊壓電材料基片、兩塊壓電材料墊片和兩組叉指換能器,該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)雙面壓力的監(jiān)測。

圖4 SAW傳感器

2.2 IDT的設(shè)計

叉指換能器的脈沖響應(yīng)的包絡(luò)與叉指換能器指條重疊的包絡(luò)是完全相同的[16],并且知道指條相等重疊、均勻周期的叉指換能器的脈沖響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[17]為:

h(t)=Aej2πf0t

式中:f0是IDT的中心頻率。

若IDT指條相等重疊,所以式中的A為常數(shù),如指條不相等重疊,A為一個隨時間變化的函數(shù),即A(t)。給定A(t)=e-t2/2,本文設(shè)計的小波式IDT脈沖響應(yīng)數(shù)學(xué)模型[18]為:

h(t)=e-t2/2ej2πf0t

式中:e-t2/2ej2πf0t是Morlet小波。

本次設(shè)計了Moret小波式發(fā)射IDT及均勻接收IDT,如圖5,IDT的參數(shù)a=b=20 μm。

圖5 小波式發(fā)射IDT和接收IDT的示意圖

圖6 20 gn載荷下21 mm基片的位移云圖

3 有限元仿真

為提升傳感器靈敏度、線性度等方面的性能,我們需要對IDT在基片上的位置進行仿真分析與優(yōu)化。本文利用ANSYS軟件,對鈮酸鋰壓電基片進行仿真,最終確定IDT在壓電基片上的最佳位置。

具體仿真過程如下:①打開ANSYS14.0軟件,選擇固體仿真,并在材料中構(gòu)建鈮酸鋰的彈性剛度矩陣。②創(chuàng)建模型。③模型分割成穩(wěn)定的六面體。④Mesh劃分網(wǎng)格單元。⑤添加自由約束、施加載荷。⑥模型求解,輸出仿真結(jié)果,圖6～圖8以0.2 N受力為例。

圖7 20 gn載荷下25 mm基片的應(yīng)力云圖

圖8 20 gn載荷下29 mm基片的應(yīng)變云圖

經(jīng)仿真后得出,對于同一規(guī)格的基片,從0 g到20 g之間施加壓力且每1 g遞增,通過位移、應(yīng)力、應(yīng)變云圖,得出基片的最穩(wěn)定區(qū)域,并最終確定雙端IDT距離的參數(shù)。

表2 基片長度與雙端IDT位置 單位:mm

4 傳感器測試

在前期研究與設(shè)計的基礎(chǔ)上,制作不同尺寸的傳感器,并將其與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接,進行測試,見圖9和圖10。硬件設(shè)備的測試環(huán)境并不復(fù)雜,在實驗室的實驗臺上即可操作。實驗步驟簡單且可重復(fù)進行,需要使用人員細心操作實驗。

圖9 25 mm基片內(nèi)部構(gòu)造

圖10 網(wǎng)絡(luò)分析儀連接

在實驗室中,不同長度的傳感器分別使用 0～20 g的砝碼,在基片面上根據(jù)不同的微力使用不同的砝碼值進行測量,并記錄數(shù)據(jù)。

圖11 21 mm基片的測試結(jié)果

圖12 25 mm基片的測試結(jié)果

圖13 29 mm基片的測試結(jié)果

由于頻率在測量過程中波動較大,需要穩(wěn)定一段時間后讀取數(shù)據(jù),測得的數(shù)據(jù)越多,通過計算得到的頻率壓力轉(zhuǎn)換公式就會越精確。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061A,在不同微力作用下測得頻率信號,重復(fù)多次測試,選擇比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

根據(jù)測量數(shù)據(jù),利用最小二乘法和MATLAB求解,繪制聲表面波壓力傳感器頻率與壓力的多項式擬合曲線,結(jié)果如圖14,紅色小圓圈表示的是頻率實驗值與壓力實驗值之間的關(guān)系,而藍色線段表示的是頻率實驗值與壓力擬合值之間的關(guān)系。從所有實驗數(shù)據(jù)選擇最好一組數(shù)據(jù)進行曲線擬合,小圓圈分布在線段的周圍,即多項式得到了較好的擬合曲線。

表3 頻率與壓力的實驗數(shù)據(jù)表

圖14 SAW 微力傳感器的頻率與壓力的關(guān)系圖

5 溫度補償

由于本文所述新型聲表面波壓力傳感器壓電基片采用了鈮酸鋰材料,為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,需對其進行溫度補償。傳感器溫度補償釆用了制作一塊完全相同的參考器件和原測量器件并列安置,釆用了輸出差頻的方式來消除溫度、濕度和噪音等環(huán)境干擾,如圖15所示。

圖15 SAW微力傳感器溫度補償示意圖

設(shè)傳感器的SAW感應(yīng)器件輸出頻率為F1,則

F1=F01+ΔF+β1(T2-T1)=F01+ΔF+β1ΔT

式中:T1是初始溫度;T2是變化后溫度;ΔT是環(huán)境溫度的變化量;β1是SAW感應(yīng)器件的溫度系數(shù);β1ΔT是SAW感應(yīng)器件的頻率漂移;F01是感應(yīng)器件在溫度T1下不加載微壓力時輸出的初始頻率。

傳感器聲表面波參考器件的輸出頻率F2為

F2=F02+β2ΔT

式中:F02是參考器件在溫度T2下不加載壓力時輸出的初始頻率;β2是參考器件的溫度系數(shù)。

當(dāng)SAW感應(yīng)器件和參考器件的輸出頻率F1和F2經(jīng)混頻器后,通過低通濾波器輸出差頻ΔT,即

ΔT=F1-F2=F01-F02+ΔF+(β1+β2)ΔT

當(dāng)傳感器感應(yīng)器件和參考器件的溫度系數(shù)β1和β2相等時,傳感器的輸出差頻只與外界溫度變化ΔT相關(guān),那么參考器件可以完全補償溫度對感應(yīng)器件帶來的影響。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型傳感器,用于微間隙接觸壓力監(jiān)測,闡述了聲表面波微力傳感器的設(shè)計流程,確定了其測量范圍為0～20 g微壓力。為了抑制其輸入輸出頻率曲線的旁瓣,設(shè)計中對輸入叉指換能器進行了Morlet小波函數(shù)的加權(quán),最后對其溫度漂移進行了補償。

該傳感器的優(yōu)勢:一方面,中空部分兩面呈開放式,工藝加工導(dǎo)線引出線可以保證精確,進而提升測量精度。另一方面,兩側(cè)基片均設(shè)置傳感器電路,可實現(xiàn)兩面壓力的測量。經(jīng)過實驗證明,該設(shè)計的理論值與實驗結(jié)果具有較好的一致性。這對于實現(xiàn)微間隙接觸壓力的監(jiān)測具有非常重要的意義,其不僅可以指導(dǎo)外界的相關(guān)操作,同時也可以對一些相關(guān)理論研究模型做出結(jié)論。

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SAW Sensors for Monitoring Pressure in Micro-GaTP*

WANG Jun1,LI Yuanyuan1*,LU Wenke2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.Electronics and Information Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Surface acoustic wave(SAW)device can be used for passive wireless communication,which provides a new solution for measurement of physical quantity under special environment such as micro-gaTP. A contact stress sensor based on surface acoustic wave delay line is designed. The structure of SAW device is studied,and the sensing scheme of measuring pressure is discussed. According to the design principle,we design a new type of SAW sensors,and stress simulations of piezoelectric substrate are presented by using finite element analysis method. Then the sensors are tested and temperature compensation of SAW sensors is proposed. By exploring the design of SAW sensors,results show that feasibility of measuring pressure in micro-gaTP based on SAW is verified.

SAW;passive wireless;micro-gaTP;finite element analysis;stress simulations

王 俊(1993-),女,碩士研究生,主要研究方向為智能傳感器,wangjuncarol@163.com;

李媛媛(1979-),女,副教授,博士,主要從事智能控制、聲表面波式傳感器的設(shè)計及檢測、小波變換及其應(yīng)用等方向研究,liyuanyuanedu@163.com;

盧文科(1962-),男,教授,博士,主要從事聲表面波、靜磁波、小波變換、傳感器理論及技術(shù)的研究,luwenke3@163.com。

項目來源:上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目(E3-0903-16-01182);16KY0212柔性陣列式聲表面波微力傳感器的研究項目;國家自然科學(xué)基金項目(61274078);多尺度聲表面波式指條面積加權(quán)的小波變換處理器及小波反變換處理器的研究項目;中國紡織工業(yè)聯(lián)合會的“紡織之光”應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(J201608);用聲表面波器件實現(xiàn)紗線張力傳感器的研究項目

2016-10-26 修改日期:2017-01-05

TP 212.6

A

1004-1699(2017)05-0660-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.005