一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统及监测方法。乐甫波传感器采用双谐振腔单端谐振器型，为压电底座与压电膜片键合而成的全石英一体化结构。叉指换能器、反射栅直接沉积在压电膜片表面，且沉积在参考气体密封腔的外部，波导层则溅射在压电膜片和两个谐振腔表面。系统通过空分多址实现对间隔距离较远的不同起落架上轮胎的胎压监测，且通过频分多址实现对位于同一起落架上不同轮胎的胎压监测。与常规的将声表面波器件通过粘胶粘贴在敏感膜片表面且位于密封腔内部的结构相比，不仅不存在粘胶引起的应变传递损失以及蠕变，而且保证了密封腔的绝对密闭性和差压检测的有效性，还可通过优化波导层厚度来进一步提高胎压监测的灵敏度。高胎压监测的灵敏度。高胎压监测的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统及监测方法

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[0001]本专利技术涉及一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统及监测方法，属于无线无源传感领域。

技术介绍
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[0002]飞机胎压检测强调测量过程的实时性，即提高响应速度、实时监测胎压并显示，其原因在于：
[0003](1)飞机起飞和降落时，轮胎工作在高温、高压和高速状态下，需经受高温、抵御跑道异物损伤，并承受高达数百吨的重量以及起飞时超过240公里/小时的极限速度。为保证安全起飞和降落，需要实时监测飞机胎压，确保胎压合适、轮胎安全运行。
[0004](2)飞机在升空后虽然轮胎会收进轮仓，但飞行过程中仍然需要保持对胎压的监测，尤其是飞机着陆之前。通过提前获知胎压状态，机组人员可以提前计划、规避风险。
[0005]飞机胎压检测方案可分为间接式和直接式两种类型。间接式的基本原理是根据胎压与轮胎半径或转速等的关系间接检测胎压，存在精度低、飞机停飞维护以及飞行状态下无法实时监测胎压、无法在两个轮胎同时缺气的情况下检测胎压等问题；传统的直接式检测方案通过压力计、气阀指示盘、手持式等设备检测来自压力传感器的信号从而获得胎压信息，在非维护状态下无法实时监测胎压，并且检测效率低。
[0006]直接式检测方案可结合无线技术实现飞机胎压的实时监测，其能量供给、信号传输通常通过旋转变压器和电池供电两种方式，但存在着相应的问题：
[0007](1)旋转变压器对安装工艺及使用的现场环境条件要求较高。由于需用轴承且变压器芯易碎，轮胎最大转速受到限制。不仅无线检测距离近，而且变压器初级和次级线圈的对准会引入噪声和误差。
[0008](2)电池供电虽然通过无线模块能实现无线传感，但其有源方式存在功耗寿命问题以及高温高压条件下的易燃易爆危险。
[0009]直接式检测方案还可采用声表面波技术实现无线传感。声表面波器件由压电基底、叉指换能器、反射栅构成，根据轮胎的气压变化引起器件的谐振频率变化来测量胎压，其最显著的优点是无线功能和无源本质，即以天线作为传播媒介，利用压电效应，通过阅读器端的射频能量为传感器充能，传感器端完全不需要电池，并且能实现较远的无线检测距离。相比较而言，采用声表面波技术从原理上可以有效解决现有飞机胎压无线监测时存在的可靠供电和信号传输的困难。
[0010]声表面波通常在声波传播方向、水平剪切方向以及与压电基底表面垂直的法线方向上都存在振动位移。鉴于压电材料的对称性特征，在由某些材料的某些切型制成的压电基底上，通过叉指换能器激发的声表面波只在水平剪切方向存在振动位移，这种特殊的声表面波被称为水平剪切声表面波或表面横波。近年来有文献表明，当压电基底为石英材料且切型为欧拉角(0
°
，θ，90
°
)(其中θ为0
°
～180
°
之间的任意角度)时，通过叉指换能器激发的声表面波为表面横波，且当θ为某些角度时，表面横波具有极高的应变、压力敏感特征。
[0011]叉指换能器除了能激发出声表面波之外，还能激发出其它形式的声波。当压电基底的材料及其切型能够满足被激发出表面横波的条件，且压电基底上溅射了一层剪切波速小于压电基底自身的各向同性非压电材料波导层时，通过压电基底表面的叉指换能器激发出的声波被称为乐甫波，乐甫波在波导层内部和压电基底表面传播。
[0012]现有基于声表面波技术的胎压监测具体方案及其存在的问题可总结如下：
[0013](1)通常构造参考气体密封腔并采用差压检测方式，以金属膜片作为直接敏感单元，将胎压的变化转换为膜片应变的变化，声表面波器件则通过粘胶粘贴在金属膜片上以感应膜片的应变，根据压电基底应变的变化引起器件谐振频率的变化来测量胎压。但粘胶存在明显的应变传递损失，从而导致测压灵敏度降低，并且灵敏度严重依赖于器件的粘接工艺。与此同时，粘胶长期受力会产生显著的蠕变，从而影响传感器长期工作的稳定性。
[0014](2)为保护压电基底表面的叉指换能器、反射栅不受污染，避免轮胎内部的极端恶劣环境造成器件失效，通常将声表面波器件粘贴在金属膜片位于密封腔内部的一侧以保护器件。但是，叉指换能器的汇流条需要引出密封腔，极易破坏密封腔的密闭性，从而导致轮胎内部的气体进入参考气体密封腔，无法实现差压检测。
[0015](3)传感器通常安装在轮毂外圈的轮辋上，金属轮辋会影响传感器天线的方向图、极化形式和增益等参数，最终导致无线检测距离减小。与汽车轮胎相比，飞机轮胎的橡胶层密度、强度更高，电磁波经过橡胶层的衰减更大，检测距离的减小将更为明显。
[0016](4)汽车轮胎的数量和位置都具有确定性，但飞机轮胎与之不同。不同类型的飞机具有不同数量的起落架，对于同一架飞机，不同起落架上的轮胎数量也各不相同。针对飞机轮胎的分布特点，在保证胎压检测实时性的同时还需要解决不同轮胎之间尤其是同一起落架上多个轮胎之间的信号碰撞问题。

技术实现思路
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[0017]本专利技术针对目前飞机胎压监测时存在的可靠供电和信号传输的困难以及现有基于声表面波技术的胎压监测方案存在的问题，提出一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统及监测方法，该监测系统不仅可以保证传感器中参考气体密封腔的绝对密闭性，而且可通过优化波导层的厚度来提高胎压检测的灵敏度，系统工作时能够以空分多址方式实现对位于不同起落架上的飞机轮胎的胎压监测，并以频分多址方式实现对位于同一起落架上的不同飞机轮胎的胎压监测。
[0018]本专利技术采用如下技术方案：一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统，由m个乐甫波传感器和1个阅读器构成；其中，所述乐甫波传感器的数量m与飞机上的机轮总数量一致且安装在机轮的轮毂外圈的轮辋上，所述阅读器包括发射模块、收发隔离模块、接收模块、信号处理模块、显示模块、单刀n掷开关以及n个阅读器天线，所述阅读器的发射模块、收发隔离模块、接收模块、信号处理模块、单刀n掷开关集成在一块电路板上，与显示模块一起安装在飞机驾驶舱内；所述阅读器天线的数量n与飞机的起落架数量一致，采用柔性微带贴片天线，安装在起落架的支柱上，经同轴电缆连接到驾驶舱内阅读器的单刀n掷开关的n个端口，以空分多址方式实现对位于不同起落架上的飞机轮胎的胎压监测；
[0019]所述乐甫波传感器采用双谐振腔单端谐振器型结构，每个乐甫波传感器的两个谐振腔具有互不重叠的频率带宽；m个乐甫波传感器共有p种类型，不同类型的乐甫波传感器
的谐振腔具有各不重叠的频率带宽；乐甫波传感器的类型p与飞机上具有最多机轮的起落架上的机轮数量一致；在同一个起落架上的不同机轮中安装不同类型的乐甫波传感器，以频分多址方式实现对位于同一起落架上的不同飞机轮胎的胎压监测；
[0020]所述乐甫波传感器包括压电底座、压电膜片、第一叉指换能器、第二叉指换能器、第一反射栅阵列、第二反射栅阵列、第三反射栅阵列、第四反射栅阵列、波导层、焊盘、匹配电路、柔性印制电路板以及传感器天线；
[0021]所述压电底座和压电膜片采用同一切型的石英材料；压电底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统，由m个乐甫波传感器和1个阅读器构成；其中，所述乐甫波传感器的数量m与飞机上的机轮总数量一致且安装在机轮的轮毂外圈的轮辋上，所述阅读器包括发射模块、收发隔离模块、接收模块、信号处理模块、显示模块、单刀n掷开关以及n个阅读器天线，其特征在于：所述阅读器的发射模块、收发隔离模块、接收模块、信号处理模块、单刀n掷开关集成在一块电路板上，与显示模块一起安装在飞机驾驶舱内；所述阅读器天线的数量n与飞机的起落架数量一致，采用柔性微带贴片天线，安装在起落架的支柱上，经同轴电缆连接到驾驶舱内阅读器的单刀n掷开关的n个端口，以空分多址方式实现对位于不同起落架上的飞机轮胎的胎压监测；所述乐甫波传感器采用双谐振腔单端谐振器型结构，每个乐甫波传感器的两个谐振腔具有互不重叠的频率带宽；m个乐甫波传感器共有p种类型，不同类型的乐甫波传感器的谐振腔具有各不重叠的频率带宽；乐甫波传感器的类型p与飞机上具有最多机轮的起落架上的机轮数量一致；在同一个起落架上的不同机轮中安装不同类型的乐甫波传感器，以频分多址方式实现对位于同一起落架上的不同飞机轮胎的胎压监测；所述乐甫波传感器包括压电底座(1)、压电膜片(2)、第一叉指换能器(3)、第二叉指换能器(4)、第一反射栅阵列(5)、第二反射栅阵列(6)、第三反射栅阵列(7)、第四反射栅阵列(8)、波导层(9)、焊盘(10)、匹配电路(11)、柔性印制电路板(12)以及传感器天线(13)；所述压电底座(1)和压电膜片(2)采用同一切型的石英材料；压电底座(1)为内部开有圆柱形凹槽的长方体结构；压电底座(1)与压电膜片(2)通过键合工艺组成全石英一体化结构，结构内部有一个圆柱形密封腔，并以密封腔内的气体作为参考气体，形成参考气压；所述压电膜片(2)与压电底座(1)的非接触部分为气压敏感区，感受轮胎内部的气压而产生应变；压电膜片(2)与压电底座(1)的键合部分为非气压敏感区；所述第一叉指换能器(3)沉积在压电膜片(2)上表面的气压敏感区中心处，第二叉指换能器(4)沉积在压电膜片(2)上表面的非气压敏感区；第一叉指换能器(3)与第二叉指换能器(4)的方向相同；所述第一反射栅阵列(5)、第二反射栅阵列(6)分别沉积在第一叉指换能器(3)两侧，与第一叉指换能器(3)共同构成第一谐振腔；所述第三反射栅阵列(7)、第四反射栅阵列(8)分别沉积在第二叉指换能器(4)两侧，与第二叉指换能器(4)共同构成第二谐振腔；所述第一叉指换能器(3)、第二叉指换能器(4)、第一反射栅阵列(5)、第二反射栅阵列(6)、第三反射栅阵列(7)、第四反射栅阵列(8)均在圆柱形密封腔外部；所述波导层(9)溅射在压电膜片(2)和第一谐振腔、第二谐振腔表面，宽度小于压电膜片(2)的宽度，以露出第一叉指换能器(3)和第二叉指换能器(4)的部分汇流条；所述焊盘(10)、匹配电路(11)制作在柔性印制电路板(12)的上表面，匹配电路(11)由电容、电感组成；所述压电底座(1)通过粘胶粘贴在柔性印制电路板(12)的上表面；所述第一叉指换能器(3)、第二叉指换能器(4)的汇流条在压电膜片(2)的非气压敏感区并且无波导层的位置并联，在并联点引出金属线与焊盘(10)连接，金属线表面涂敷一层硅胶；所述传感器天线(13)采用平面倒F天线，以柔性印制电路板(12)作为平面倒F天线的接
地面；所述柔性印制电路板(12)的下表面粘贴在机轮的轮毂外圈的轮辋上。2.如权利要求1所述的基于乐甫波传感器的飞机胎压监测系统，其特征在于：所述乐甫波传感器的压电底座(1)和压电膜片(2)的石英材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊志强，陈智军，陈智，韩宇，徐辅庆，代重阳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：