[實用新型]一種無線無源聲表面波振動傳感器

有效

• 申請號: 201720660948.9
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN207280585U
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 王文;李勇;王毅堅;薛蓄峰;胡建學;夏前亮;貝偉斌;崔坤
• 申請（專利權）人: 中電科技德清華瑩電子有限公司
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司33214
• 代理人: 王曉峰

技術領域

本實用新型涉及聲學技術中的一種聲表面波傳感器，尤其是涉及一種應用于測量振動的聲表面波傳感器。

背景技術

機械振動是各種機器內部結構以及外圍保護的診斷與監控的信息來源。基于振動的檢測可以評判機械的技術條件、設計與制作質量以及可靠性等。機械設備在運行中會有振動現象，超過正常范圍的振動會增加機械疲勞，影響零部件的壽命，甚至發生零部件斷裂和設備損壞。因此對關鍵機械部件的振動進行檢測，可以有效監控設備不良狀態，及時維護，起到預先發現問題和處理問題的作用，這對于安全生產、延長設備使用壽命、節省成本具有重要意義。

傳統的機械振動監測系統普遍采用有線測量的方式，存在布線復雜，電纜易于磨損，缺少靈活性，成本高，可維護性差等缺點，對于大量旋轉和移動的部件或設備，有線測量方式難以有效完成監測任務。往復式空氣壓縮機是廣泛應用于石油化工行業的一類動力機械，它以其價格低、熱效率高、制造技術成熟、變工況以及多臺壓縮機聯網適應性好等優點而被廣泛使用。但與此同時，因為具有工況變化大、運動形式復雜以及運行環境多變等特點而呈現出故障發生率較高的一面。曲軸拉桿每秒鐘進行3~5次往復運動，對運動狀態目標的監測需要采取無線的方式；考慮到日常維護方便，傳感器不能帶有電池，因此最好的解決方案是采用無線無源傳感技術。此外，無線無源傳感技術在某些極端環境如高溫高壓等條件下的實際應用也極具潛力。

聲表面波傳感器以其獨特優點如高精度，高靈敏度，體積小，重量輕，功耗低，具有良好的穩定性，能夠快速響應，制作成本低，而且可實現無線無源測量方式，特別適合于高溫高壓及無人值守等極端應用環境，極具應用前景。無線無源聲表面波傳感技術原理是由射頻收發模塊（雷達）發射與聲表面波傳感器件同頻的電磁波信號，通過天線由聲表面波傳感器件的叉指換能器接收并轉換成沿壓電晶體表面傳播的聲表面波，聲表面波在傳播過程中被反射器反射并被叉指換能器重新轉換成電磁波信號，再經由天線被收發模塊接收。在聲表面波傳播過程中如受到力、磁、溫度等影響，即會直接影響聲傳播速度及幅度。通過解調接收信號即可獲得相應傳感信息。本實用新型即是設計一種梁式結構SAW反射型延遲線模式的新型無線無源聲表面波振動傳感器，以差分傳感結構提升傳感器溫度穩定性，通過設置壓電懸臂梁材料與其幾何結構以及振子質量提高傳感器的靈敏度。根據在振動過程中SAW的延時以及相位的變化，借助于雷達信號收發模塊，由此實現無線無源的振動檢測方式。

發明內容

本實用新型設計一種無線無源聲表面波（SAW）振動傳感器。不同于傳統的振動傳感器，采用SAW技術設計振動傳感器件，可實現傳感器的無源檢測，并結合雷達原理實現無線信號傳輸。而且，本實用新型所設計的振動傳感器提供一種差分溫度補償方法；另外，為了更好的滿足分辨率、靈敏度等具體指標要求，對這種梁式SAW振動傳感器開展性能優化研究。即通過分析傳感器的敏感機理，設定懸臂梁的材料與幾何尺寸。為此，本實用新型提供的技術方案如下：

所述無線無源聲表面波（SAW）振動傳感器包括：天線，匹配電路，壓電懸臂梁，由半導體工藝沉淀于壓電懸臂梁上的反射型延遲線結構的聲表面波（SAW）器件，以及位于懸臂梁自由端末端的質量振子和承載壓電懸臂梁的固定基座；質量振子上下對應封裝管座和封裝管帽處均設置有緩沖材料。壓電懸臂梁結構由與電路PCB板連接的封裝管座承載。

所述的聲表面波（SAW）器件，采用反射型延遲線結構，由叉指換能器、第一反射器和第二反射器構成。其中，第一反射器用于溫度測量與差分溫度補償，第二反射器用于振動檢測。第一反射器和第二反射器只是本實用新型的其中一個實施例，反射器的具體數目可根據實際需要設計。在設定反射器數目的時候，要求至少有一個反射器用于溫度測量與差分溫度補償，以及至少有一個反射器用于振動測量。

所述叉指換能器、第一反射器和第二反射器，其電極數目按照以下規則設置：隨著反射器與叉指換能器的距離增加而相應增加。為消除外圍環境噪聲干擾，第一反射器與叉指換能器時域間隔要求設置為1.1~1.3μs。用于溫度測量與差分溫度補償的反射器要求放置于懸臂梁的非力敏區域上，所以所述用于溫度測量與差分溫度補償第一反射器設置于壓電懸臂梁的固定端范圍內。而用于振動檢測的第二反射器要求放置于壓電懸臂梁的力敏區域范圍內；進一步地，為了使第二反射器能獲得最大響應效果，要求第二反射器放置于懸臂梁固定端與自由端交聯區域范圍內。

所述壓電懸臂梁由固定基座固定，壓電懸臂梁自由端末端上固定一個質量振子。