本發(fā)明涉及一種軸系扭矩測(cè)試技術(shù)，特別涉及一種基于瑞利波模式的聲表面波雙諧振器一體化扭矩傳感器。

背景技術(shù)：

軸系扭矩測(cè)試是各種機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢驗(yàn)、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測(cè)和故障診斷等必不可少的內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量需要解決傳感器、能量供給和信號(hào)傳輸三方面的問題?；诼暠砻娌?SAW)技術(shù)的無(wú)線無(wú)源傳感技術(shù)，用于轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)量恰好避免了一般有源傳感器面臨的能量和信號(hào)傳輸難題，從而大大提高測(cè)試的簡(jiǎn)便性和可靠性。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)“無(wú)線無(wú)源聲表面波扭矩傳感器的研究”(程衛(wèi)東,董永貴-《壓電與聲光》–2004)報(bào)道了基于延遲線原理的無(wú)線無(wú)源聲表面波扭矩傳感器，但基本屬于原理性介紹，且采用延遲線結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)完全不同。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，“聲表面波扭矩傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及信號(hào)提取方法研究”、“應(yīng)用于船舶傳動(dòng)軸扭矩檢測(cè)的聲表面波傳感器設(shè)計(jì)”、“一種聲表面波轉(zhuǎn)矩傳感器快速解調(diào)方法設(shè)計(jì)”等學(xué)術(shù)論文，都是側(cè)重傳感系統(tǒng)總體方案及其回波信號(hào)提取分析，并無(wú)公開具體敏感單元的結(jié)構(gòu)和具體技術(shù)參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)聲表面波扭矩傳感器設(shè)計(jì)運(yùn)用的問題，提出了一種基于瑞利波模式的聲表面波雙諧振器一體化扭矩傳感器，在選擇聲表面波瑞利波模式的基礎(chǔ)上，利用壓電晶體各向異性特點(diǎn)，通過理論建模和數(shù)值計(jì)算，提供了可以用于扭矩敏感諧振器制作的基片切型范圍，同時(shí)提出了易于實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量的一體化雙諧振器結(jié)構(gòu)，從而提高扭矩的測(cè)量便利性和精度，為扭矩傳感器設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)量提供新的技術(shù)手段。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于瑞利波模式的聲表面波雙諧振器一體化扭矩傳感器，包括轉(zhuǎn)軸彈性體和閱讀器，轉(zhuǎn)軸彈性體表面上固定有長(zhǎng)方形石英基片，石英基片上通過IC工藝一次制作有兩個(gè)正交放置的聲表面波諧振器，聲表面波諧振器諧振的方向分別與石英晶軸X對(duì)稱成±45°，兩個(gè)聲表面波諧振器的IDT的兩個(gè)上下電極分別通過匯流金屬排連接，構(gòu)成并聯(lián)差分結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸彈性體粘貼測(cè)量時(shí)通過工藝保障石英基片長(zhǎng)邊與轉(zhuǎn)軸軸線平行，兩個(gè)聲表面波諧振器通過天線接收激勵(lì)信號(hào)和發(fā)射諧振器的響應(yīng)信號(hào)，被測(cè)轉(zhuǎn)軸附近的閱讀器發(fā)射激勵(lì)信號(hào)和接收諧振器的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的實(shí)時(shí)測(cè)量。

所述匯流金屬排通過硅鋁絲與天線相連以接收激勵(lì)信號(hào)和發(fā)射諧振器的響應(yīng)信號(hào)。

所述聲表面波諧振器采用單端對(duì)的諧振器結(jié)構(gòu)。

所述兩個(gè)聲表面波諧振器的中心頻率分別為433MHz和438MHz。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于瑞利波模式的聲表面波雙諧振器一體化扭矩傳感器，對(duì)現(xiàn)有一般有源扭矩測(cè)量方法的改進(jìn)，從而解決扭矩測(cè)量過程中的能量與信號(hào)傳輸問題，實(shí)現(xiàn)扭矩精確測(cè)量的效果。與現(xiàn)有裝置相比，在測(cè)量方法上采用聲表面波傳感器技術(shù)，具有無(wú)線無(wú)源的特點(diǎn)，同時(shí)在聲表面波諧振器的切型選擇上，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果和最優(yōu)原則，選出具有較大扭矩靈敏度系數(shù)、較小溫度系數(shù)和較大機(jī)電耦合系數(shù)的石英基片切型；最后利用石英晶體的對(duì)稱特性在同一塊基片上一次制作兩個(gè)性能更加接近的諧振器直接構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)以提高扭矩敏感度并進(jìn)一步減少溫度等共模干擾的影響。雙諧振器一體化模式既有助于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振器特性的高度一致，也避免了連線的復(fù)雜工藝及其帶來(lái)的穩(wěn)定性和可靠性問題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于瑞利波模式的聲表面波雙諧振器一體化扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的雙聲表面波諧振器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明433MHz和438MHz的雙聲表面波諧振器的IDT輸入導(dǎo)納頻率圖；

圖4為本發(fā)明雙聲表面波扭矩傳感器的扭矩載荷與頻率偏移關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明利用了聲表面波(SAW)中的瑞利波模式諧振器，通過優(yōu)化選擇基片切型和雙諧振器一體化結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確扭矩測(cè)量的器件。

如圖1所示基于瑞利波模式的聲表面波雙諧振器一體化扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，包括轉(zhuǎn)軸彈性體6和閱讀器9，轉(zhuǎn)軸彈性體6表面上固定有長(zhǎng)方形石英基片2，焊盤3通過絕緣層過渡粘貼在轉(zhuǎn)軸彈性體6上，用于現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)天線8的連接。石英基片2上通過IC工藝一次制作有兩個(gè)正交放置的聲表面波諧振器1和5，諧振的方向分別與石英晶軸X對(duì)稱成±45°，聲表面波諧振器1的IDT(叉指換能器)的兩個(gè)上下電極分別與聲表面波諧振器5的IDT的兩個(gè)上下電極通過匯流金屬排連接，從而構(gòu)成并聯(lián)差分結(jié)構(gòu)。石英基片2粘貼在轉(zhuǎn)軸彈性體6上，扭矩載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)通過轉(zhuǎn)軸與石英基片2之間的膠層傳遞到聲表面波諧振器1和5上，從而引起基片材料的特性參數(shù)發(fā)生變化，最終引起聲表面波諧振器1和5的諧振頻率發(fā)生偏移，通過測(cè)量聲表面波諧振器1和5的頻率偏移量就可得到扭矩載荷大小。由于扭矩載荷在與軸向成±45°的方向上產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等、符號(hào)相反，轉(zhuǎn)軸彈性體6粘貼測(cè)量時(shí)通過工藝保障石英基片長(zhǎng)邊與轉(zhuǎn)軸軸線平行，這樣使得石英基片上的兩個(gè)正交的放置的聲表面波諧振器各自敏感轉(zhuǎn)軸表面與軸向成±45°的方向上的應(yīng)變，達(dá)到抑制溫度等共模干擾同時(shí)提高扭矩靈敏度的目的。兩個(gè)諧振器的中心頻率分別為433MHz和438MHz，兩個(gè)聲表面波諧振器制作時(shí)通過金屬指條直接構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少了連線，然后通過硅鋁絲7與天線8相連以接收激勵(lì)信號(hào)和發(fā)射諧振器的響應(yīng)信號(hào)。被測(cè)轉(zhuǎn)軸附近的SAW閱讀器9上連有天線10用于發(fā)射激勵(lì)信號(hào)和接收SAW諧振器的回波信號(hào)。通過閱讀器查詢差分結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)諧振器的頻率偏移量并根據(jù)SAW頻率偏移量與扭矩載荷之間的關(guān)系就可得到扭矩載荷的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的實(shí)時(shí)測(cè)量。

以具有溫度穩(wěn)定性好、存在零溫度系數(shù)切型、加工制作工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)的石英晶體作為諧振器基片材料，根據(jù)壓電晶體各向異性的特點(diǎn)，通過彈性力學(xué)的有限變形理論和壓電晶體的本構(gòu)方程及波動(dòng)方程，結(jié)合力學(xué)、電學(xué)邊界條件，利用攝動(dòng)理論建立了SAW扭矩敏感機(jī)理的理論模型和SAW頻率偏移與扭矩載荷之間的關(guān)系模型，通過數(shù)值計(jì)算分析了不同切型下的SAW扭矩靈敏度、機(jī)電耦合系數(shù)、溫度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，綜合選擇具有較小頻率溫度系數(shù)(TCF),較大機(jī)電耦合系數(shù)和較高扭矩敏感特性的切向作為制作SAW諧振器的基片的切割和波傳播方向。本實(shí)施例以適合扭矩載荷在(100Nm－1000Nm)范圍的SAW扭矩傳感器為目的，對(duì)石英晶體在扭矩載荷產(chǎn)生的單位應(yīng)變偏載條件下進(jìn)行的SAW各性能指標(biāo)分析計(jì)算，得到一個(gè)適合扭矩傳感器應(yīng)用的基片優(yōu)化切向范圍(用歐拉角表示，由章動(dòng)角θ、進(jìn)動(dòng)角和自轉(zhuǎn)角ψ組成)：

θ＝122°～129°，ψ＝44-51°；

θ＝51°～58°，ψ＝44-51°；

θ＝123°～127°，ψ＝44-55°；

該范圍內(nèi)的幾個(gè)典型切向的性能指標(biāo)如上。綜合考慮，本實(shí)施例選擇(0°，126°，45°)作為基片切割和傳播方向。

為了提高SAW器件的Q值和降低插損，本實(shí)施例采用了單端對(duì)的諧振器結(jié)構(gòu)，如附圖2所示，圖中w表示金屬指條寬度，p表示反射柵周期，L_g表示IDT(叉指換能器)與第一條反射柵之間的距離，W表示叉指換能器的數(shù)值孔徑。金屬指條采用鋁材料用蒸鍍、刻蝕方法制作，諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。制作的諧振器特性如附圖3所示，橫軸表示諧振頻率，縱軸表示諧振峰值，圖中BW為帶寬，cent表示中心頻率，low表示下邊帶頻率，High表示上邊帶頻率，Q表示品質(zhì)因數(shù)，loss表示損耗。

表1

如圖4所示，圖中橫軸M表示施加的扭矩載荷，縱軸Δf表示諧振器中心頻率的偏移量。通過連續(xù)三次扭矩加載實(shí)驗(yàn)，得到的線性度和重復(fù)性分別為：0.21％和0.23％，均優(yōu)于千分之五。