[发明专利]基于表面横波技术的转速测量方法

说明书

本发明涉及一种基于表面横波技术的转速测量方法，圆环形转轴弹性体的圆环形外表面上用粘固剂固定一个STW谐振器，第一天线再与STW谐振器相连，表面横波阅读器上连接阅读天线，表面横波阅读器通过阅读天线向转动的圆环形转轴弹性体上STW谐振器发射激励信号，同时接收STW谐振器从第一天线发回的回波能量信号，通过测量回波能量信号的周期解调出圆环形转轴弹性体转轴的转速。在优化选择声表面波传播模式的基础上，在石英基片上制作高性能的表面横波谐振器，通过无线射频激励和回波能量信号频率检测，搜寻STW频率响应的能量脉冲和它平均值线的交叉点，从而实现转速测量。为能同时测量施加扭矩和转轴转速的声表面波技术提供新的技术思路。

技术领域

本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种基于表面横波技术的转速测量方法。

背景技术

为了监测转轴的运行状态，不仅要测量施加的扭矩，还要准确测量转速。无源无线表面声波(SAW)传感器在测量传动轴扭矩方面提供了独特的优势。如何在SAW转轴扭矩测量系统上，建立一个额外的转速测量系统是非常有必要的。经对现有转速测量方法的文献检索发现，诸如磁编码器，图像传感器，光电编码器，涡流传感器，霍尔传感器等方法，在转速测量高精度，测量范围广等方面都具有很大优势。然而，这些传统的速度测量系统复杂，需要一个复杂的编码结构，涉及到高精度的技术要求等问题。此外，还很难将它们集成到设计的SAW扭矩测量方案中。开发一个集成的便携式(非接触)扭矩和旋转速度测量系统是一个很重要的方向，到目前为止，还未看到有关能够同时测量施加扭矩和转轴转速的声表面波(SAW)技术报道。由于SAW器件的快速响应能力，它非常适合于识别移动和旋转的物体，也可以用来测量转速。

表面横波(STW)是声表面波中不同于瑞利波的模式，是沿着周期栅阵下表面传播的波。基于表面横波模式的谐振器(STWR)具有许多潜在的优点：首先，表面横波模式传播损耗相比瑞利波模式要小，比较容易得到更合适更大的Q值，使得到的回波能量信号更大，因此可以提高工作距离以及测量精度。实验表明，在AT切石英基片上制作的1GHz的STW谐振器的有载Q值能达到40000，而瑞利波模式的Q值只有10500；同时石英基片有一个小的温度系数(TCF)，有利于降低环境温度的影响。其次，它可以承受更大的功率而具有更高的功率容量，因此具有很好的噪声抑制性能。最后，表面横波传播的速度比瑞利波大1.6倍左右，因此在尺寸固定的情况下可以工作在更高的频率。目前STW器件用于温度、生物、化学、加速度测量等方面都有研究报道。此外，对于石英晶体的某些切型，STW对外界力的敏感度接近瑞利波模式。STW的这些特性对转轴扭矩测量也是非常有利的，但迄今为止尚未见到有关把STW器件用于转速测量的报道。

发明内容

本发明是针对转轴监测过程中转速测量的方法难以集成到设计的SAW扭矩测量方案中的问题，提出了一种基于表面横波技术的转速测量方法，在优化选择声表面波传播模式的基础上，在石英基片上制作高性能的表面横波谐振器(STWR)，通过无线射频激励和回波能量信号频率检测，搜寻STW频率响应的能量脉冲和它平均值线的交叉点，从而实现转速测量。为能同时测量施加扭矩和转轴转速的声表面波技术提供新的技术思路。

本发明的技术方案为：一种基于表面横波技术的转速测量方法，圆环形转轴弹性体的圆环形外表面上用粘固剂固定一个STW谐振器，第一天线再与STW谐振器相连，表面横波阅读器上连接阅读天线，表面横波阅读器通过阅读天线向转动的圆环形转轴弹性体上的STW谐振器发射激励信号，同时接收STW谐振器从第一天线发回的回波能量信号，通过测量回波能量信号的周期解调出圆环形转轴弹性体转轴的转速。

所述激励信号的频率接近于STW谐振器的中心频率。

所述表面横波阅读器接收到STW谐振器的回波能量信号成脉冲形式，通过测量脉冲的周期即可解调出转轴速度大小。

所述表面横波阅读器接收到STW谐振器的回波能量信号先经过扩展卡尔曼滤波，然后得到回波能量信号的平均值线，最后通过查找经过扩展卡尔曼滤波后的回波能量信号与平均值线的交叉点来得到回波能量信号的周期。