一种无线无源声表面波应变传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种无线无源声表面波应变传感器，包括：声表面波反射型延迟线器件、第一匹配网络、第二匹配网络、参考应变片和感知应变片；其中，声表面波反射型延迟线器件作为无线传感系统的应答器，采用双通道反射器型结构，其中参考通道通过第一匹配网络与参考应变片连接，传感通道通过第二匹配网络与感知应变片连接。本发明专利技术采用外接应变片负载式感知应变量，解决了声表面波器件由于直接应变而产生的力温耦合问题，比直接用声表面波器件测量应变更加的稳定可靠。此外，声表面波反射型延迟线器件采用双通道反射器结构通过差分的方法解决在应变测量过程中的温度干扰问题。

A wireless passive surface acoustic wave strain sensor

The invention relates to a wireless passive surface acoustic wave sensor, including surface acoustic wave reflective delay line device, the first matching network, second matching network, reference strain gauge and strain sensing film; the surface acoustic wave reflective delay line device as a wireless sensor system transponder system, dual channel reflector type structure, wherein the reference channel through the first matching network is connected with the reference strain, sensing channel network connection with the perception of strain gauge by second. The invention uses the variable load sensing type should support variables, solve the problem of temperature stress coupled surface acoustic wave device due to direct strain, than the direct use of surface acoustic wave device for measuring strain is more stable and reliable. In addition, the surface acoustic wave reflection type delay line device adopts double channel reflector structure, and solves the temperature interference problem in the strain measurement process by differential method.

【技术实现步骤摘要】
一种无线无源声表面波应变传感器
本专利技术涉及声学技术中的一种声表面波传感器，尤其是涉及一种应用于测量应变量的无线无源声表面波传感器。
技术介绍
应变传感器作为工业流程控制的关键部件，广泛应用于航天航空、石油石化、电力、机动车以及铁路等领域中。例如，直升机机翼运行的健康状况的实时监测应用。传统的应变传感器一般基于电阻应变效应。其原理是当金属导体或者半导体受到外力作用时所产生的相应应变会导致其电阻值也会发生相应的变化。该类应变传感器应用较为普遍，但存在如下一些亟待解决的问题：电阻式应变传感器力阻灵敏度低，所以必须要采用电桥放大信号导致线路复杂；其二，电阻式应变传感器分辨力较低，动态响应较差，电阻值变化受温度影响较大；其三，该应变传感器采用电池供电的有源检测方式，难以适应于高温高压及无人值守等极端环境。因此，高灵敏度、高可靠性、稳定性且无线无源的新型应变传感器是其发展方向。声表面波传感器以其独特优点如高精度，高灵敏度，体积小，重量轻，功耗低，具有良好的稳定性，能够快速响应，制作成本低，而且可实现无线无源测量方式，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境，极具应用前景。无线无源声表面波传感技术原理是由射频收发模块(雷达)发射与声表面波传感器件同频的电磁波信号，通过天线由声表面波传感器件的叉指换能器接收并转换成沿压电晶体表面传播的声表面波，声表面波在传播过程中被反射器反射并被叉指换能器重新转换成电磁波信号，再经由天线被收发模块接收。在声表面波传播过程中如受到力、磁、温度等影响，即会直接影响声传播速度及幅度。通过解调接收信号即可获得相应传感信息。本专利技术即是设计一种外接负载式的新型无线无源声表面波应变传感器，以差分传感结构提升传感器温度稳定性，以外接应变片负载提取相位信号方式来改善传感器分辨率，借助于雷达信号收发模块，由此实现无线无源的应变检测方式。
技术实现思路
本专利技术的目的，是为了克服现有技术的传感器存在的上述技术问题，提供了一种无线无源声表面波应变传感器。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种无线无源声表面波应变传感器。该传感器包括：声表面波反射型延迟线器件、第一匹配网络、第二匹配网络、参考应变片和感知应变片；其中，声表面波反射型延迟线器件通过第一匹配网络与参考应变片连接；声表面波反射型延迟线器件通过第二匹配网络与感知应变片连接。优选的，声表面波反射型延迟线器件包括：第一吸声胶、第二吸声胶、压电晶体、叉指换能器和第一至第六双通道反射器；其中，第一吸声胶和第二吸声胶分别涂覆在压电晶体两端；叉指换能器和第一至第六双通道反射器利用半导体光刻工艺制作于压电晶体之上；第三双通道反射器通过匹配网络连接参考应变片；第六双通道反射器通过匹配网络连接感知应变片；第一至第六双通道反射器中的第一至第三双通道反射器构成参考通道；第四至第六双通道反射器构成传感通道。优选的，第三通道反射器与叉指换能器之间的时域间隔，小于第四双通道反射器与叉指换能器之间的时域间隔；第一双通道反射器与叉指换能器之间的时域间隔为1.1～1.3μs。优选的，第一匹配网络与第二匹配网络分别由匹配电感与匹配电容构成的LC电路组成；声表面波反射型延迟线器件通过LC电路与参考应变片连接；声表面波反射型延迟线器件通过LC电路与感知应变片连接。优选的，为降低声表面波反射型延迟线器件损耗，并获得良好的差分温度补偿效应，所述的压电晶体选取具有高压电系数，线性温度系数的材料，压电晶体的材料选用铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、镓酸锂LiGaO2和锗酸锂GeLi2O3中的一种；压电晶体的基底选用41°YX-LiNbO3、128°YX-LiNbO3、YZ-LiNbO3和36°YX-LiTaO3中的一种压电晶体。优选的，第一双通道反射器、第二双通道反射器、第四双通道反射器和第五双通道反射器为温度补偿参考反射器。优选的，第一至第六双通道反射器为短路反射栅型；其中，第一至第三双通道反射器电极数目随着第一至第三双通道反射器与叉指换能器之间的距离的增大而增加；第四至第六双通道反射器电极数目随着第四至第六双通道反射器与叉指换能器之间的距离的增大而增加。优选的，参考应变片和所述感知应变片的材料选取前提是保证良好的温度稳定性、较好的压力敏感度及承压能力。所以选用聚酰亚胺膜应变片；参考应变片和所述感知应变片的工作温度范围为：-70℃～200℃。优选的，参考应变片和感知应变片的结构相同，采用电容式应变片、电感式应变片和电阻式应变片中的一种。优选的，叉指换能器的电极材料选用铝、铂和铜中的一种。本申请提供的应用于信号传递的声表面波反射型延迟线器件，采用双通道的反射型延迟线结构,其中参考通道通过匹配网络与作为固定负载的参考应变片相连，传感通道则与感知应变片相连，通过差分的方法消除在应变测量过程中的温度干扰。本申请采用外接应变片负载式感知应变量，比直接用声表面波器件测量应变更加的稳定可靠。解决了直接作用于声表面波器件上，难以解决由此产生的力温耦合问题。而且，如果直接用声表面波器件测量应变，则在测量应变的同时器件本身也会发生应变，这样不仅增加器件封装的难度，而且也会使器件受到损伤，减少器件的使用寿命。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种无线无源声表面波应变传感器结构示意图；图2为图1所示的一种声表面波反射型延迟线器件结构示意图；图3为图1所示的一种匹配网络结构示意图。附图标记如下：1和2为吸声胶；3为压电晶体；4为叉指换能器；5-10为双通道反射器；11为第一匹配网络；12为第二匹配网络；13为参考应变片；14为感知应变片；15为声表面波反射型延迟线器件；16为匹配电感；17为匹配电容具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。图1为本专利技术实施例提供的一种无线无源声表面波应变传感器结构示意图。如图1所示，该无线无源声表面波应变传感器包括：声表面波反射型延迟线器件15、第一匹配网络11、第二匹配网络12、参考应变片13和感知应变片14；其中，声表面波反射型延迟线器件15通过第一匹配网络11与参考应变片13连接；声表面波反射型延迟线器件15通过第二匹配网络12与感知应变片14连接。上述无线无源应变传感器可采用433M，915M，2.4G等ISM频段或其他频段。图2为图1所示的一种声表面波反射型延迟线器件结构示意图，如图2所示，声表面波反射型延迟线器件15包括：第一吸声胶1、第二吸声胶2、压电晶体3、叉指换能器4和第一至第六双通道反射器5-10；上述声表面波反射型延迟线器件15可采用40M带宽。输入端阻抗输出匹配至50欧姆。其中，第一吸声胶1和第二吸声胶2分别涂覆在压电晶体3两端，用于消除声表面波的边缘反射，以降低声表面波反射型延迟线器件15的边缘反射引起的时域噪声。考虑到温度因素对应变测量造成的影响，要求选取压电系数高，温度系数线性度好，能易于实现温度补偿的材料，压电晶体3材料可选用铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、镓酸锂LiGaO2和锗酸锂GeLi2O3等高压电系数材料中的一种；因此所述压电晶体3可使用41°YX-LiNbO3，128°YX-LiNbO3，YZ-LiNbO3,36°YX-LiTaO3中的一种。叉指换能器4与双通道反射器5-10利用半导体光刻工艺制作于压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线无源声表面波应变传感器，其特征在于，包括：声表面波反射型延迟线器件(15)、第一匹配网络(11)、第二匹配网络(12)、参考应变片(13)和感知应变片(14)；其中，所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过第一匹配网络(11)与所述参考应变片(13)连接；所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过第二匹配网络(12)与所述感知应变片(14)连接。

【技术特征摘要】
1.一种无线无源声表面波应变传感器，其特征在于，包括：声表面波反射型延迟线器件(15)、第一匹配网络(11)、第二匹配网络(12)、参考应变片(13)和感知应变片(14)；其中，所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过第一匹配网络(11)与所述参考应变片(13)连接；所述声表面波反射型延迟线器件(15)通过第二匹配网络(12)与所述感知应变片(14)连接。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述声表面波反射型延迟线器件(15)包括：第一吸声胶(1)、第二吸声胶(2)、压电晶体(3)、叉指换能器(4)和第一至第六双通道反射器(5-10)；其中，所述第一吸声胶(1)和所述第二吸声胶(2)分别涂覆在所述压电晶体(3)两端；所述叉指换能器(4)和第一至第六双通道反射器(5-10)利用半导体光刻工艺制作于压电晶体(3)之上；所述第三双通道反射器(7)通过所述匹配网络(11)连接参考应变片(13)；所述第六双通道反射器(10)通过所述匹配网络(12)连接感知应变片(14)；所述第一至第六双通道反射器(5-10)中的第一至第三双通道反射器(5-7)构成参考通道；所述第四至第六双通道反射器(8-10)构成传感通道。3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第三通道反射器(7)与所述叉指换能器(4)之间的时域间隔，小于第四双通道反射器(8)与所述叉指换能器(4)之间的时域间隔；所述第一双通道反射器(5)与所述叉指换能器(4)之间的时域间隔为1.1～1.3μs。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一匹配网络(11)与第二匹配网络(12)分别由匹配...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，王毅坚，薛蓄峰，梁勇，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11