[发明专利]温度、振动自补偿的无源无线声表面波扭矩传感器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种温度、振动自补偿的无源无线扭矩传感器，此扭矩传感器采用声表面波技术。扭矩传感传感器作为微机电系统主要产品之一，在民用工业和国防军工领域有着广阔的应用前景。

二、背景技术

转矩是旋转动力机械的重要工作参数，转矩信号是动力机械运行状态监测、安全与优化控制、故障预报、寿命评估的主要信息来源。准确的转矩测量，能够为传动装置的设计提供科学的数据，能够对动力机械的功率输出是否达到设计值进行必要的检验，对动力机械的运行状况进行必要的监视和故障报警，为设备构件的破坏原因分析、寿命评估和强度储备提供基本数据。

目前转矩测量采用最多、最成熟的是基于应变片电测法。基于电阻应变片的转矩测量方法在测量电路供电和应变信息可靠传输等方面遇到很大难题。除应变片电测方法外，还有磁弹性式、磁电式、光电编码式、电容式、光纤式等多种转矩测量方法，但是针对传动装置在线测量它们都有自己的不足。

在这样的背景下，基于声表面波传感器的转矩测量技术显示出其独特的优势。声表面波传感器无需电池供电，传感的能量来自外界的电磁波，信号的输入和输出均采用非接触的无线方式，无需电线连接，真正实现了无源、无线的传感测量。此外，声表面波传感器具有如体积小、精度高、灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、易与数字化测试系统连接和易于检测到微小变化量等优点。特别适用于狭小空间，旋转部件转矩测量。

声表面波扭矩传感器在使用时，与其它传感器一样会受到温度及振动问题干扰。当仅采用单个声表面波谐振器作为扭矩传感器使用时，使声表面波波速变化的不仅是力学变化量，温度也会对声表面波波速变化产生影响。同样，声表面波器件粘贴的轴振动，振动干扰会引起SAW器件变形，从而影响最终测量结果。为此本发明提出一种方案很好解决了声表面波扭矩传感器温度及振动干扰问题。

三、发明内容

本发明的目的是提供在线测量扭矩的具备温度、振动自补偿功能的无源无线传感器，解决无线测量扭矩问题以及扭矩测量中温度、振动干扰问题。提供一种以声表面波谐振器为传感元的扭矩感器，实现了扭矩无源无线精确测量。

声表面波谐振器工作原理是：叉指换能器通过天线接收来自查询单元的电磁波，电信号通过换能器被转换成声表面波，声表面波向两边传播，再被反射栅反射。反射回的表表面波又被换能器转换回电信号，天线将电信号以电磁波形式传到远程发射询问信号的系统，由此实现无线测量。

如上所述，被天线传回的响应信号的信息内容包含了其中被测物理量的信息。所需检测的扭矩作用在压电衬底上，衬底沿长度方向发生形变，则声表面波在衬底上传播的速度发生变化，进而谐振器的谐振频率发生变化，检测频率的变化可以用于反映扭矩的变化。

本发明的目的是这样实现的：

采四个中心频率不同的单端声表面波谐振器，中心频率分别为429MHz、431MHz、433MHz、434MHz，工作于ISM频带。所述声表面波谐振器以ST切石英为衬底材料，以铝为IDT电极和反射栅材料。

将弹性轴铣削加工，在两面各加工出一个平台，用于粘贴谐振器。将四个谐振器呈“八”字形，两两粘贴于谐振器两侧，使谐振器与天线保持良好连接。传感器天线与查询电路天线均采用环形天线，弹性轴穿过环形天线中央，保持天线平行，从而天线辐射场在弹性轴旋转时保持相对静止。

查询电路分时激发四个谐振器，返回的信号按一定规则做差分或求和，从而消除温度、振动影响。

本发明的优点在于，本发明的转矩传感器自身可以实现温度、振动补偿，而且采用的无线无源测量方式可为特殊场合的转矩测量提供非常灵活的测量方案。声表面波传感器体积小，其压电特性使其无需外接电源，工作在射频段，实现无线收发，因而在扭矩测量领域具有非常大的应用潜力。

四、附图说明

图1本发明采用的声表面波单端谐振器

图2本发明温度、振动补偿的转矩测量布置方案

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图1所示，为本发明采用的传感器单元。声表面波单端谐振器，主要由石英压电衬底、叉指换能器(IDT)、反射栅构成。

四个谐振器两两粘贴于弹性轴的两个平台上，如图2。谐振器1与谐振器2位于轴一面，谐振器3与谐振器4在另一面平台。与轴45°方向粘贴于平台表面，用以响应弹性轴表面应变。

(1)温度补偿方案

仅在轴上布置一个声表面波谐振器，传感器在被测力F及环境温度T的作用下，输出的频率可近似表示为：