專利名稱：無源saw加速度計及加速度測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及SAW器件作為敏感元件的傳感器領域，特別涉及一種可實現(xiàn)無源化檢測的SAW加速度計。
背景技術：
自1965年懷特(R. M. White)和沃爾特默(F. M. Voltmer)用叉指換能器(IDT)在壓電材料表面激發(fā)出聲表面波(SAW)以來，SAW技術在多個領域得到迅猛發(fā)展?；赟AW技術的傳感器實現(xiàn)了多種物理量的檢測，特別是在加速度檢測方面取得了良好的效果。1988年底,法國Thomson-CSF研究中心的Hartemann博士等研制出拉_壓式、非懸臂梁式、雙非懸臂梁式及角形懸臂梁式四種類型的SAW加速度計，其中在分辨率方面，除拉-壓式外，其余均可達到系統(tǒng)應用的要求。在國內，西北工業(yè)大學在懸臂梁式SAW加速度計領域開展了多年的研究，溫度漂移抑制、閉環(huán)控制、信號的快速處理技術是其研究的重點并有所突破。在現(xiàn)有的SAW加速度計中，加速度計工作時需要有相應的供電電源，增加了成本和體積，也不適合在長壽命的場合應用；其次，加速度計工作需要有外部電路，客觀上也增加了成本和體積，不利于器件的微型化；另外，信號處理終端和加速度計之間通過信號線進行信號傳輸，在一些距離較大且加速度計布點較多的場合需要很長的信號線才能滿足使用要求，增加了檢測的復雜性。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單且可實現(xiàn)無源化檢測的SAW加速度計。本發(fā)明的目的之一是提出一種無源SAW加速度；本發(fā)明的目的之二是提出一種利用該無源SAW加速度計來進行加速度測試方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的無源SAW加速度計，包括外殼、設置于外殼內的基片上的力轉換裝置和SAff器件；
所述SAW器件包括換能器和用于反射從換能器發(fā)出的并沿基片表面?zhèn)鞑バ盘柕牡诙瓷鋿牛?br> 所述換能器設置有用于輸入輸出信號的電極；
所述力轉換裝置包括懸臂梁、質量塊和與外殼固定連接的固定塊；
所述固定塊與懸臂梁連接，所述懸臂梁與質量塊連接；
所述第二反射柵及換能器之間的區(qū)域位于懸臂梁上表面。進一步，所述力轉換裝置還包括信號連接線和用于信號收發(fā)的天線，所述換能器的電極通過信號連接線與天線相連。進一步，所述SAW器件還包括第一反射柵，所述第一反射柵與換能器之間的區(qū)域位于固定塊上表面，所述第一反射柵與第二反射柵關于換能器對稱分布。進一步，所述SAW器件為諧振器型結構或延遲型SAW器件，且第一反射柵位于懸臂梁的上表面。進一步，所述懸臂梁、固定塊的厚度相同，且質量塊、懸臂梁通過分立制作后粘接
在一起。進一步，所述SAW器件還包括設置于固定塊的上表面的第三反射柵，所述第三反射柵與第一反射柵位于換能器同側，且在高度方向完全分離無疊加。進一步，所述基片為石英和/或鈮酸鋰材料。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術方案來實現(xiàn)的 本發(fā)明提供的利用所述無源SAW加速度計進行加速度測試方法，包括以下步驟
51:獲取換能器與第二反射柵之間的信號傳播時間t2 ；
52:通過第二反射柵標定時間計算信號傳播時間的改變量Λ t2 ；
53:根據傳播時間改變量Λ t2與加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度的值。進一步，所述解算出輸入加速度的值還包括以下修正步驟
531:獲取換能器與第一反射柵之間的傳播時間h ；
532:通過第一反射柵傳播時間h及其標定時間計算傳播時間改變量Λ ；
533:根據傳播時間的改變量Λ h與溫度的函數(shù)關系以及傳播時間的改變量Λ t2與加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度值
Zl t1=f1 (,Τ),Δ t2=f2 ia, T)；
其中，所述函數(shù)關系和f2通過提前標定得到的函數(shù)表達式。進一步，所述解算出輸入加速度的值還包括以下修正步驟
S34:獲取換能器分別與第一反射柵、第二反射柵、第三反射柵之間的傳輸時間分別為11、12、t3 ；
535:通過第一反射柵傳輸時間、第二反射柵傳輸時間匕、第三反射柵傳輸時間G及其標定時間分別計算傳播時間改變量Zl t2、A t3%
536:獲取無源SAW加速度計到終端的傳輸距離S ；
537:通過傳播時間改變量Zl t2、A G與溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離^之間的加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度值
Λ t1=f1 (J，S)
Δ t2=f2 (J，S)
Δ t3=f3 {a, Tr S)
其中，所述加速度函數(shù)關系f1、f2及f3是通過對溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離^三個參變量進行提前標定得到的函數(shù)表達式。本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明采用力轉換裝置、SAW器件、天線和信號連接線構成無源SAW加速度，通過力轉換裝置的固定塊與外殼固接在一起，當外部環(huán)境條件不變且敏感軸方向有加速度a輸入時，力轉換裝置的質量塊產生慣性力使得其懸臂梁繞固定塊撓性彎曲，懸臂梁表面產生相應的應變，SAW在懸臂梁表面的傳播速度、換能器與第二反射柵之間的傳播距離和傳播時間t2均發(fā)生改變，通過分析傳播時間的改變量Λ t2可解算出輸入加速度的值；而固定塊下表面固接于器件外殼其上表面不產生應變，即換能器與第一反射柵之間的距離不變，SAff在懸臂梁表面的傳播速度、換能器與第一反射柵之間的傳播距離和傳播時間h均不變；若外界溫度T發(fā)生變化且有加速度a輸入時，SAW在換能器與第二反射柵之間的傳播時間t2、在換能器與第一反射柵之間的傳播時間h均發(fā)生改變，且改變量Λ h和Λ t2滿足函數(shù)關系Λ tffi (T), Δ t2=f2 (a, T),通過提前標定可得到函數(shù)和f2,對兩個函數(shù)進行綜合解算即可得出輸入加速度的值a，通過該種方法可對溫度信號的干擾進行有效抑制，提高輸出的穩(wěn)定性和精度。并且信號的收發(fā)均通過天線完成，實現(xiàn)了加速度量的無源化檢測?？朔爽F(xiàn)有技術中的不足之處，具體表現(xiàn)在首先有源加速度計需要電源供電才能工作，縮短了整個器件的使用壽命，不適合長壽命工作的應用場合；其次有源SAW加速度計供電電源及換能器激振電路的存在也增加了器件的體積和成本，不利于器件的進一步微型化及低成本化；另外，有源SAW加速度計的輸出信號經由信號線后到達信號處理終端，在一些距離較大及加速度計布點較多的應用場合，信號線過多增加了檢測過程中布線的復雜性，增加了工程應用的成本。
同時，該無源SAW加速度還具體以下優(yōu)點
其一，加速度計器件內部無供電電源，使用壽命不受電源電量的限制，相對有源加速度計可較大幅度的提聞使用壽命；
其二，加速度計器件內部無需供電電源和換能器激振電路，成本低，體積小，可實現(xiàn)器件的微型化；
其三，加速度計信號的輸出通過無線傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)，省去了冗長的信號線，極大地降低了多點加速度檢測時的布線復雜性。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖1是使用本發(fā)明的實施方案I的無源SAW加速度計示意圖，其中SAW器件為延遲型結構且左端為一個反射柵；
圖2是使用本發(fā)明的實施方案2的無源SAW加速度計示意圖，其中SAW器件為諧振器型結構；
圖3是使用本發(fā)明的實施方案3的無源SAW加速度計示意圖，其中SAW器件為延遲型結構且左端為兩個反射柵；
圖4是使用本發(fā)明的力轉換裝置的一個實施方案示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。實施例1
圖1是使用本發(fā)明的實施方案I的無源SAW加速度計示意圖，其中SAW器件為延遲型結構且左端為一個反射柵，如圖所示本發(fā)明提供的無源SAW加速度計，包括外殼、設置于外殼內的基片上的力轉換裝置和SAW器件；所述SAW器件包括換能器和用于反射從換能器發(fā)出的并沿基片表面?zhèn)鞑バ盘柕牡诙瓷鋿牛?br> 所述換能器設置有用于輸入輸出信號的電極；
所述力轉換裝置包括懸臂梁、質量塊和與外殼固定連接的固定塊；
所述固定塊與懸臂梁連接，所述懸臂梁與質量塊連接；
所述第二反射柵及換能器之間的區(qū)域位于懸臂梁上表面。作為本發(fā)明實施例的另一個優(yōu)選方案，還包括信號連接線和用于信號收發(fā)的天線，所述換能器的電極通過信號連接線與天線相連。作為本發(fā)明實施例的另一個優(yōu)選方案，所述SAW器件還包括第一反射柵，所述第一反射柵與換能器之間的區(qū)域位于固定塊上表面，所述第一反射柵與第二反射柵關于換能 器對稱分布。作為本發(fā)明實施例的另一個優(yōu)選方案，所述SAW器件為諧振器型結構或延遲型SAff器件，且第一反射柵位于懸臂梁的上表面。作為本發(fā)明實施例的另一個優(yōu)選方案，所述懸臂梁、固定塊的厚度相同，且質量塊、懸臂梁通過分立制作后粘接在一起。作為本發(fā)明實施例的另一個優(yōu)選方案，所述SAW器件還包括設置于固定塊的上表面的第三反射柵，所述第三反射柵與第一反射柵位于換能器同側，且在高度方向完全分離無疊加，即兩個反射柵在懸臂梁寬度方向要分開，目的是反射信號不會有干擾。作為本發(fā)明實施例的另一個優(yōu)選方案，所述基片為石英和/或鈮酸鋰材料。本發(fā)明實施例的還提供了一種利用該無源SAW加速度計來進行加速度測試的方法，包括以下步驟
S1:獲取換能器與第二反射柵之間的信號傳播時間t2 ；
52:通過第二反射柵標定時間計算信號傳播時間的改變量Λ t2 ；
53:根據傳播時間改變量Λ t2與加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度的值。所述解算出輸入加速度的值還包括以下修正步驟
531:獲取換能器與第一反射柵之間的傳播時間h ；
532:通過第一反射柵傳播時間h及其標定時間計算傳播時間改變量Λ ；
533:根據傳播時間的改變量Λ h與溫度的函數(shù)關系以及傳播時間的改變量Λ t2與加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度值
Zl t1=f1 (,Τ),Δ t2=f2 ia, T)；
其中，所述函數(shù)關系和f2通過提前標定得到的函數(shù)表達式，采用二維標定法可以得到該函數(shù)表達式。所述解算出輸入加速度的值還包括以下修正步驟
S34:獲取換能器分別與第一反射柵、第二反射柵、第三反射柵之間的傳輸時間分別為
11、12、t3 ；
535:通過第一反射柵傳輸時間、第二反射柵傳輸時間匕、第三反射柵傳輸時間G及其標定時間分別計算傳播時間改變量Zl t2、A t3%
536:獲取無源SAW加速度計到終端的傳輸距離S ；
537:通過傳播時間改變量Zl t2、A G與溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離S之間的加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度值
λ t1=f1 σ，s)
Δ t2=f2 (J，S)
Δ t3=f3 {a, Tr S)
其中，所述加速度函數(shù)關系f1、f2及f3是通過對溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離^三個參變量進行提前標定得到的函數(shù)表達式，采用二維標定法可以得到該函數(shù)表達式。圖4是使用本發(fā)明的力轉換裝置的一個實施方案示意圖，本實施方案的固定塊7 和懸臂梁5厚度相同，可通過在基片表面制作SAW器件后劃片得到，質量塊6和懸臂梁5經粘接的方式固接到一起，本實施方案中力轉換裝置2具有結構簡單且易于加工的優(yōu)點。實施例2
圖2是使用本發(fā)明的實施方案2的無源SAW加速度計示意圖，其中SAW器件為諧振器型結構，本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于在該實施方案中，第一反射柵4a及其與換能器3之間的區(qū)域均位于懸臂梁5的上表面，且與第二反射柵4b關于換能器3左右對稱分布，換能器3與第一反射柵4a、第二反射柵4b構成諧振器型SAW器件1.有加速度a輸入時，懸臂梁5表面產生應變，換能器3的叉指電極的寬度、間距變化，SAW在懸臂梁5表面的傳播速度也產生變化，進而可計算得出輸入加速度a。實施例3
圖3是使用本發(fā)明的實施方案3的無源SAW加速度計示意圖，其中SAW器件為延遲型結構且左端為兩個反射柵；本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于
在該實施方案中，換能器3左端制作第一反射柵4a、第二反射柵4b，右端制作第三反射柵4c，在實際的加速度測量中，SAW在換能器3與第一反射柵4a、換能器3與第二反射柵4b、換能器3與第三反射柵4c之間的傳輸時間不但受到溫度Γ和輸入加速度a的影響，其在無線傳送到終端處理系統(tǒng)過程中也會受到傳輸距離S的影響，設終端獲得的三個傳輸時間分別為h、t2、t3,三者與溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離S的函數(shù)關系可表示為
λ t1=f1 σ，s)
Δ t2=f2 (J，S)
Δ t3=f3 {a, Tr S)
通過對溫度r、輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離S三個參變量進行提前標定可得到函數(shù)/,、厶及/^的確切表達式，采用二維標定法可以得到該函數(shù)表達式，對上述三個函數(shù)進行綜合解算即可得出輸入加速度的值3，相對于圖1中的實施方案，該實施方案不但能對溫度信號的干擾進行有效抑制，還可消除傳輸距離的不同帶來的檢測誤差，檢測精度更高。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.無源SAW加速度計，包括外殼，其特征在于還包括設置于外殼內的基片上的力轉換裝置和SAW器件；所述SAW器件包括換能器和用于反射從換能器發(fā)出的并沿基片表面?zhèn)鞑バ盘柕牡诙瓷鋿牛凰鰮Q能器設置有用于輸入輸出信號的電極；所述力轉換裝置包括懸臂梁、質量塊和與外殼固定連接的固定塊；所述固定塊與懸臂梁連接，所述懸臂梁與質量塊連接；所述第二反射柵及換能器之間的區(qū)域位于懸臂梁上表面。
2.根據權利要求1所述的無源SAW加速度計，其特征在于還包括信號連接線和用于信號收發(fā)的天線，所述換能器的電極通過信號連接線與天線相連。
3.根據權利要求1所述的無源SAW加速度計，其特征在于所述SAW器件還包括第一反射柵，所述第一反射柵與換能器之間的區(qū)域位于固定塊上表面，所述第一反射柵與第二反射柵關于換能器對稱分布。
4.根據權利要求1所述的無源SAW加速度計，其特征在于所述SAW器件為諧振器型結構或延遲型SAW器件，且第一反射柵位于懸臂梁的上表面。
5.根據權利要求1所述的無源SAW加速度計，其特征在于所述懸臂梁、固定塊的厚度相同，且質量塊、懸臂梁通過分立制作后粘接在一起。
6.根據權利要求1所述的無源SAW加速度計，其特征在于所述SAW器件還包括設置于固定塊的上表面的第三反射柵，所述第三反射柵與第一反射柵位于換能器同側，且在高度方向完全分離無疊加。
7.根據權利要求1所述的無源SAW加速度計，其特征在于所述基片為石英和/或鈮酸鋰材料。
8.利用權利要求1所述的無源SAW加速度計進行加速度測試方法，其特征在于包括以下步驟51:獲取換能器與第二反射柵之間的信號傳播時間t2 ；52:通過第二反射柵標定時間計算信號傳播時間的改變量Λ t2 ；53:根據傳播時間改變量Λ t2與加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度的值。
9.根據權利要求8所述的加速度測試方法，其特征在于所述解算出輸入加速度的值還包括以下修正步驟531:獲取換能器與第一反射柵之間的傳播時間h ；532:通過第一反射柵傳播時間h及其標定時間計算傳播時間改變量Λ ；533:根據傳播時間的改變量Λ h與溫度的函數(shù)關系以及傳播時間的改變量Λ t2與加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度值Zl t1=f1 (,Τ),Δ t2=f2 ia, T)；其中，所述函數(shù)關系和f2通過提前標定得到的函數(shù)表達式。
10.根據權利要求8所述的加速度測試方法，其特征在于所述解算出輸入加速度的值還包括以下修正步驟S34:獲取換能器分別與第一反射柵、第二反射柵、第三反射柵之間的傳輸時間分別為·11、12、t3 ；535:通過第一反射柵傳輸時間、第二反射柵傳輸時間匕、第三反射柵傳輸時間G及其標定時間分別計算傳播時間改變量Zl t2、A t3%536:獲取無源SAW加速度計到終端的傳輸距離S ；537:通過傳播時間改變量Zl t2、A G與溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離^之間的加速度函數(shù)關系解算出輸入加速度值Λ t1=f1 (J，S) Δ t2=f2 (J，S)Δ t3=f3 {a, Tr S)其中，所述加速度函數(shù)關系f1、f2及f3是通過對溫度八輸入加速度a、加速度計到終端的傳輸距離^三個參變量進行提前標定得到的函數(shù)表達式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無源SAW加速度計及加速度測試方法，所述的加速度計由力轉換裝置2、SAW器件1、天線8及信號連接線9構成，SAW器件1包括換能器3、第一反射柵4a和第二反射柵4b，換能器的兩個電極通過信號連接線與用于信號收發(fā)的天線相連；力轉換裝置2包括懸臂梁5、質量塊6、固定塊7，有加速度輸入時，質量塊產生慣性力和對固定塊的慣性力矩，該力矩使得懸臂梁繞固定塊撓曲變形和SAW信號在基片表面?zhèn)鬏敃r間的變化，通過解算傳輸時間變化量即可得到輸入加速度的值，信號的收發(fā)及能量的傳遞均通過天線完成，實現(xiàn)了加速度量的無源化檢測。
文檔編號G01P15/03GK103018484SQ20121057410
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權日2012年12月26日
發(fā)明者林丙濤, 卜繼軍, 馬晉毅, 丁毅, 杜波, 趙建華, 翁邦英 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所