一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器制造技术

本发明专利技术公开一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，该应变传感器包括弹性体支架和设置在拱形弹性体支架上的声表面波器件，两者之间通过高温陶瓷胶粘合；声表面波器件包括压电衬底层、叉指电极和反射栅；应变传感器通过所述弹性体支架贴合在待测物体表面；所述弹性体支架将待测物体的应变传递到所述声表面波器件，使得应变传感器受到均匀应变，并保持声表面波器件的频率变化与被测应变呈线性传递比例。本发明专利技术的应变量程可达到同材料、同厚度声表面波传感器的9～10倍，且不需要额外的复杂工艺；本发明专利技术可以应用在更多微小、复杂、密闭、高温环境。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器
本专利技术涉及声波传感器的应用领域，具体涉及一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器。
技术介绍
机械高精度生产制造过程中，高速运动的部件往往是核心部件，例如轧辊、轴承、叶片、转轴等，需要对运动的部件的应变进行原位在线的传感，这类传感器广泛应用于机械系统结构设计、健康监控、现场实时调控制造精度、智能故障诊断等重要领域。良好的应变传感器可以更好的控制精确制造的过程，从而可以帮助突破制造精度上的瓶颈。无线无源声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)传感器是最理想的传感技术，满足不便布线、高温高压、无法取电等复杂环境的传感。而声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)器件由于高工作频率、高频率品质因数、高灵敏度、高稳定性等特点，在质量传感、温度传感、气体传感、生物化学传感、湿度传感、气压传感等方面均得到广泛运用。同时，利用应变SAW传感器，可以无线无源地对应变进行实时监控，且尺寸微小、易于使用，可以很好的控制整个生产过程。但是，实际工件中产生的应变往往很大，而声表面波器件的材料所能承受的应变有限，例如汽轮机叶片在3500με以上微应变下才会塑性变形，而目前的SAW使用的压电晶体陶瓷，最高只能到1000με，所以SAW仅仅是测量的可以恢复的弹性变形，无法测量更重要的塑性变形。同时，利用声表面波测试应变时，往往需要利用胶将声表面波器件与被测物体粘合。施加过大应变容易造成声表面波器件与工件之间得粘合脱落，甚至造成传感器破碎，使得传感器无法重复使用。此外，实际生产当中，传感器也会被应用在高温环境。然而在高温环境下，高温会降低声表面波器件的性能，使声表面波器件所能承受的应变受到进一步限制。同时粘合声表面波器件与被测物体的高温胶、声表面波器件、以及被测物体，在高温下也会产生热膨胀，使声表面波器件易于破裂。因此高温应用下也会极大得限制声表面波器件所能测量得应变上限。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，该传感器被贴合在被测物体表面测量应变时，传感器的拱桥应变传递结构可以将被测表面较大的应变转化传递为拱桥上表面的较小应变，声表面波谐振器通过测量拱桥上表面的较小应变，实现对被测表面较大应变的测量，从而增大了声表面波器件可以测试的应变量程。本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，该应变传感器包括弹性体支架和设置在弹性体支架上的声表面波器件；所述声表面波器件包括压电衬底层、叉指电极和反射栅，所述压电衬底层的上表面为抛光面，所述叉指电极和反射栅设置在所述抛光面上，且所述反射栅对称布置在所述叉指电极的两侧；所述压电衬底层的下表面溅射一层陶瓷薄膜；所述弹性体支架和所述声表面波器件的下表面通过高温陶瓷胶粘合在一起；所述的应变传感器通过所述弹性体支架贴合在待测物体表面；所述弹性体支架将待测物体的应变传递到所述声表面波器件，使得应变传感器受到均匀应变，并保持声表面波器件的频率变化与被测应变呈线性传递比例。进一步地，所述弹性体支架为拱桥形弹性体支架，为倒U型，包括上平板、位于所述上平板两侧支撑上平板的侧板，所述声表面波器件粘合在所述上平板上，且所述拱桥形弹性体支架的上平板的厚度等于所述声表面波器件的厚度，所述拱桥形弹性体支架的上平板的上表面的面积不小于所述声表面波器件的面积；所述拱桥形弹性体支架的侧板的厚度不小于所述上平板的厚度，且与上平板的厚度正相关。进一步地，所述拱桥形弹性体支架为几字形，所述拱桥形弹性体支架通过底部两侧的弯折贴合在被测物体表面。进一步地，所述拱桥形弹性体支架的材料在0～800℃内满足抗拉强度σb≥400Mpa，条件屈服强度σ0.2≥180Mpa。进一步地，所述弹性体支架的材料为高温弹性合金，主要成为包含镍、铬。进一步地，所述弹性体支架为两条平行支撑杆，设平行支撑杆的宽度为L1，高度为H1，长度为A1，两根平行支撑杆之间的间距为L2，所述声表面波器件的长度为B1，宽度为L3，则需满足如下条件：(1)L2+2L1<L3，A1>B1；(2)平行支撑杆的泊松比大于0.25，杨氏模量小于300Gpa。进一步地，L2＝(0.1～0.8)*L3，A1＝(1～3)*B1。进一步地，所述声表面波器件电极由铂或铂合金制成。进一步地，所述声表面波器件的压电衬底层选自耐高温压电晶体，包括硅酸镓镧及其掺杂晶体、氮化铝及其掺杂晶体，厚度1um-1mm。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的耐高温且宽量程的声表面波应变传感器相对于普通的声表面波传感器而言，具有更大的量程，量程可达到同材料、同厚度声表面波传感器的10倍。且不需要额外的复杂工艺，如刻蚀、减薄等，也不需要稀有材料，制作简单，成本低廉，可以批量生产。本专利技术相对于一般大量程的电阻式应变传感器而言可以无线无源工作，且尺寸小，可以做到几个毫米。采用硅酸镓镧等高温压电材料，可以承受1000℃以上高温。因此，本专利技术可以应用在更多微小、复杂、密闭、高温环境。附图说明图1为本专利技术的高温宽量程的声表面波应变传感器的实施例1的结构示意图；图2为本专利技术的高温宽量程的声表面波应变传感器的实施例2的结构示意图；图3为实施例1的声表面波应变传感器的截面图；图4为本专利技术的声表面波应变传感器粘合在变形钢片上的示意图；图5为采用实施例中的声表面波应变传感器进行应变测试得到的应变曲线图；图6为实施例3的结构示意图；图7为实施例3的声表面波应变传感器的截面图；图8为实施例3的声表面波应变传感器粘合在变形钢片上的示意图；图9为采用实施例3中的声表面波应变传感器进行应变测试得到的应变曲线图；其中，弹性体支架1、高温陶瓷胶2、声表面波器件3、压电衬底层31、叉指电极32、反射栅33、陶瓷薄膜34、上平板11、侧板12、基座13。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，包括弹性体支架1和设置在弹性体支架上的声表面波器件3，两者通过高温陶瓷胶2粘合在一起。本专利技术的耐高温指的是耐受600℃以上的温度。声表面波器件3包括压电衬底层31、叉指电极32和反射栅33，压电衬底层31的上表面为抛光面，叉指电极32和反射栅33设置在抛光面上，且反射栅33对称布置在叉指电极32的两侧；压电衬底层31的下表面溅射一层陶瓷薄膜34。为了使整个应变传感器能够耐高温，声表面波器件3中的叉指电极32和反射栅33选用铂合金，压电衬底层31选用硅酸镓镧或者氮化铝，厚度1um-1mm。为了使得声表面波器件3和拱桥形弹性体支架在高温环境下仍然能够贴合牢固，不容易脱落或者被破坏，在压电衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括弹性体支架和设置在弹性体支架上的声表面波器件；/n所述声表面波器件包括压电衬底层、叉指电极和反射栅，所述压电衬底层的上表面为抛光面，所述叉指电极和反射栅设置在所述抛光面上，且所述反射栅对称布置在所述叉指电极的两侧；所述压电衬底层的下表面溅射一层陶瓷薄膜；所述弹性体支架和所述声表面波器件的下表面通过高温陶瓷胶粘合在一起。/n所述的应变传感器通过所述弹性体支架贴合在待测物体表面；所述弹性体支架将待测物体的应变传递到所述声表面波器件，使得应变传感器受到均匀应变，并保持声表面波器件的频率变化与被测应变呈线性传递比例。/n

【技术特征摘要】
1.一种耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括弹性体支架和设置在弹性体支架上的声表面波器件；
所述声表面波器件包括压电衬底层、叉指电极和反射栅，所述压电衬底层的上表面为抛光面，所述叉指电极和反射栅设置在所述抛光面上，且所述反射栅对称布置在所述叉指电极的两侧；所述压电衬底层的下表面溅射一层陶瓷薄膜；所述弹性体支架和所述声表面波器件的下表面通过高温陶瓷胶粘合在一起。
所述的应变传感器通过所述弹性体支架贴合在待测物体表面；所述弹性体支架将待测物体的应变传递到所述声表面波器件，使得应变传感器受到均匀应变，并保持声表面波器件的频率变化与被测应变呈线性传递比例。


2.根据权利要求1所述的耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，其特征在于，所述弹性体支架为拱桥形弹性体支架，为倒U型，包括上平板、位于所述上平板两侧支撑上平板的侧板，所述声表面波器件粘合在所述上平板上，且所述拱桥形弹性体支架的上平板的厚度等于所述声表面波器件的厚度，所述拱桥形弹性体支架的上平板的上表面的面积不小于所述声表面波器件的面积；所述拱桥形弹性体支架的侧板的厚度不小于所述上平板的厚度，且与上平板的厚度正相关。


3.根据权利要求1所述的耐高温且宽量程的声表面波应变传感器，其特征在于，所述拱桥形弹性体支架为几字形，所述拱桥形弹性体支架通过底部两侧的弯折贴合在被测物体表面。

【专利技术属性】
技术研发人员：董树荣，张季恺，付从艺，轩伟鹏，陈金凯，金浩，骆季奎，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33