[發(fā)明專利]一種用于測(cè)量軸承應(yīng)力大小的LC應(yīng)變傳感器及測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110028649.4
• 申請(qǐng)日: 2021-01-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112880628B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王立峰;張馳;黃慶安;董蕾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B21/32
• 分類號(hào): G01B21/32
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)量軸承應(yīng)力大小的LC應(yīng)變傳感器及測(cè)量方法，傳感器包括激勵(lì)電感、應(yīng)變敏感電容和傳感器電感。應(yīng)變敏感電容包括襯底層、絕緣介質(zhì)層、結(jié)構(gòu)層懸臂叉指結(jié)構(gòu)、表面電極。應(yīng)變敏感電容與傳感器電感固定連接，構(gòu)成LC諧振回路。激勵(lì)電感與傳感器電感形成電磁場(chǎng)的近場(chǎng)耦合。LC應(yīng)變傳感器固定在軸承上，通過(guò)激勵(lì)電感無(wú)線讀取LC諧振回路，根據(jù)諧振頻率變化計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸承應(yīng)力大小。本發(fā)明將微機(jī)電系統(tǒng)的微型化特征與LC傳感器無(wú)線無(wú)源結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有靈敏度高，電容變化大，線性度好，對(duì)加速度不敏感特點(diǎn)，可用于旋轉(zhuǎn)軸承中的高靈敏度測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種LC應(yīng)變傳感器，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在工程領(lǐng)域中，無(wú)論是對(duì)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究還是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，應(yīng)變是反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，能否準(zhǔn)確可靠地測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程安全至關(guān)重要。目前常用的應(yīng)變測(cè)量方法有：電測(cè)法、壓電法、磁測(cè)法、振弦法、光測(cè)法(包括光彈性法、光纖測(cè)量法、莫爾光柵法和光學(xué)三維測(cè)量法)和聲測(cè)法等。

其中，電測(cè)法是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變測(cè)量方法。最常見(jiàn)的就是電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片由敏感金屬柵及絕緣基底構(gòu)成，常用的有絲式和箱式。但壽命短，且為一次性使用一個(gè)應(yīng)變片需有兩根導(dǎo)線構(gòu)成測(cè)量回路，對(duì)于測(cè)點(diǎn)較多的場(chǎng)合，布線麻煩，并且抗電磁干擾能力差。而采用電容測(cè)量的方式，相對(duì)于壓電、壓阻、熱膨脹和電磁等驅(qū)動(dòng)方式，干擾小、精度高，而且工藝兼容好，可以用體硅和表面微機(jī)械加工，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

軸承是工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵部件之一，是航空航天、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通等重大裝備不可或缺的部件，軸承運(yùn)行的諸多參數(shù)如應(yīng)力等反映了軸承的基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)，而現(xiàn)在的軸承傳感器成本、體積、功耗等不能滿足發(fā)展要求。并且絕大部分應(yīng)變傳感系統(tǒng)都是有線式的，這種有線的電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器在密閉空間、旋轉(zhuǎn)環(huán)境中就不再適用。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種用于測(cè)量軸承應(yīng)力大小的LC應(yīng)變傳感器及測(cè)量方法，能在軸承旋轉(zhuǎn)環(huán)境中測(cè)量應(yīng)力大小。

技術(shù)方案：一種用于測(cè)量軸承應(yīng)力大小的LC應(yīng)變傳感器，包括激勵(lì)電感、應(yīng)變敏感電容和傳感器電感；

所述應(yīng)變敏感電容包括襯底層、絕緣介質(zhì)層、結(jié)構(gòu)層懸臂叉指結(jié)構(gòu)、表面電極、襯底金屬黏合層；所述絕緣介質(zhì)層設(shè)置在所述襯底層表面；所述結(jié)構(gòu)層懸臂叉指結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述絕緣介質(zhì)層表面，所述表面電極設(shè)置在所述結(jié)構(gòu)層懸臂叉指結(jié)構(gòu)的錨區(qū)表面；襯底金屬黏合層設(shè)置在所述襯底層的底面；

所述傳感器電感為圓環(huán)形，并與所述應(yīng)變敏感電容的表面電極固定連接，構(gòu)成LC諧振回路；所述激勵(lì)電感和傳感器電感之間形成電磁場(chǎng)的近場(chǎng)耦合。

進(jìn)一步的，所述結(jié)構(gòu)層懸臂叉指結(jié)構(gòu)包括錨區(qū)、蛇形梁、叉指電極；相對(duì)設(shè)置的一組錨區(qū)的兩端分別通過(guò)蛇形梁連接；所述叉指電極的一端固定連接錨區(qū)，另一端懸空；所述叉指電極的電極兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有三角形凸起，三角形凸起與相鄰叉指電極上的相鄰兩個(gè)三角形凸起分別形成電容結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)電容結(jié)構(gòu)的間距不同。

進(jìn)一步的，所述襯底金屬黏合層是在所述襯底層底部濺射金屬形成。

進(jìn)一步的，間距不同的所述兩個(gè)電容結(jié)構(gòu)中，寬間距是窄間距的兩倍以上。

進(jìn)一步的，所述激勵(lì)電感為圓環(huán)形，且正對(duì)于傳感器電感設(shè)置。

一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸承應(yīng)力大小的方法，采用所述LC應(yīng)變傳感器，利用無(wú)線焊接技術(shù)，通過(guò)一層共晶焊料使所述襯底金屬黏合層與軸承金屬連接，然后通過(guò)激勵(lì)電感無(wú)線讀取傳感器電感與應(yīng)變敏感電容構(gòu)成的LC諧振回路，根據(jù)諧振頻率變化計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸承應(yīng)力大小。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明應(yīng)變傳感器采用無(wú)線方式工作，能在軸承旋轉(zhuǎn)環(huán)境中測(cè)量應(yīng)力大小；