一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法技术

本发明专利技术为一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，通过在声表面波高温应变传感器产生瑞利波模式两个谐振频率，此两谐振频率处于同一个传感器，采用同一个粘结，所以受到相同的应变传递比例，又因为是同样的瑞利波的SAW结构，所以两个谐振频率的温度系数和应变传底系数一样，但是两谐振频率对应变的敏感程度却有明显差异；利用此传感器的两谐振频率的应变灵敏度差值能够有效将应变传递比例、温漂等温度效应与被测应变的效应分离开来，大幅提升高温应变测试的精度和可重复性。升高温应变测试的精度和可重复性。升高温应变测试的精度和可重复性。

【技术实现步骤摘要】
一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法


[0001]本专利技术涉及声表面波应变传感器的应用领域，特别是涉及一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法。

技术介绍

[0002]采用合适压电衬底制备的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件，能够稳定在各种极端环境下稳定工作，如高温、高压、大应变环境。另一方面，声表面波器件能够对温度、适度、应变等多种参数进行响应，且具备较高灵敏度和线性度，能对多种参数高精度监测。SAW器件可以用于无线无源产，具备尺寸小、品质因数高、远距离监测的优点。因此，声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器在实际生产中是一种理想的传感技术。
[0003]高温应变传感器是一种重要传感器，能够有效监测燃烧室、透平机、高温轧辊、高温锅炉等高温场所的应变状态，从而提升生产的精度。高温应变应用环境，多是高温运动等复杂环境，需要采用无线无源的方式实现原位在线连续的监测。声表面波传感器因为其高Q值优势，所以相对于一般的金属传感器是更合适的做无线无源传感器。然而，声表面波传感器在测量应变时候受到温度影响很大，主要是因为：(1)声表面波传感器温度系数大，比如LGS的温度系数比应变灵敏度大十倍以上，温度会显著影响应变的测量精度。(2)高温应变SAW传感器实际应用中必须与被测物体粘结，而高温会破坏SAW传感器与被测物体的粘结强度，从而导致应变无法真实有效的传递至传感器。这两种温度效应会大大降低SAW传感器的精度和可重复性。在测量应变时候，测量SAW的谐振频率漂移Δf1，通过应变灵敏度S
m1
(T,ξ)计算出实际应变，应变灵敏度通过标准件校准获得，但是S
m1
(T,ξ)受温度T和应变胶软化导致应变传递系数ξ波动的影响很大，导致测量不准确。因此需要一种能够降低温度影响的高温声表面波应变传感器的高精度测试方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决现有技术的不足，提供一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：应变传感器使用应变胶贴合设置于被测物体表面；其中应变传感器为声表面波传感器，应变传感器存在瑞利波模式下的两个谐振频率；
[0008]步骤2：被测物体发生应变时，获取应变传感器在瑞利波模式下的两个谐振频率各自的漂移量，漂移量与应变存在对应关系；其中漂移量表示谐振频率的变化差值；
[0009]步骤3：根据两个谐振频率漂移量差值与应变灵敏度的差值之比，获得被测物体的外加应变量。
[0010]进一步的，所述步骤1中的声表面波传感器包括压电衬底层、叉指电极和反射栅；压电衬底层为耐高温的压电晶体材料，包括硅酸镓镧和氮化铝材料；叉指电极和反射栅均
设置于压电衬底层上，反射栅对称设置于叉指电极两侧。
[0011]进一步的，所述叉指电极和反射栅均为包含过渡层和导电层的金属复合结构；过渡层位于导电层与压电衬底层之间，用于增加高温结合力。
[0012]进一步的，所述过渡层金属薄膜的厚度为10
‑
100nm，采用钛或铬材料；导电层的厚度范围为10
‑
1000nm，采用铂、金、铑材料，或者铂、金、铑中任意两者及以上组合形成的合金材料。
[0013]进一步的，所述瑞利波的波长范围为1
‑
10um；叉指电极和反射栅的电极厚度与瑞利波波长之比大于2％。
[0014]进一步的，所述应变传感器的两个谐振频率根据金属电极对瑞利波的色散获得，两个谐振频率随温度变化具有相同的变化趋势，但是应变灵敏度不一样，同一个应变传感器的两个谐振频率的应变胶应变传递系数也一样。
[0015]进一步的，所述步骤3中根据两个谐振频率的漂移量，获得外加应变ε
applied
的过程表示为：
[0016][0017]其中ε
applied
表示外加应变；Δf1与Δf2分别表示施加外加应变后测量获得的两个谐振频率的的漂移量；S
m1
(T,ξ)与S
m2
(T,ξ)分别表示应变传感器的两个谐振频率的应变灵敏度；获得Sm1(T,ξ)
‑
Sm2(T,ξ)值与应变胶应变传递系数ξ和温度T无关，从而避免了温度波动的影响。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]传统的应变测量方法是测量SAW某个谐振峰，应变前后的谐振峰漂移量Δf1，然后用事先标定的应变灵敏度，算出施加的应变，公式是Δf1＝S
m1
(T,ξ)ε
applied
。该方法用到的事先标定的应变灵敏度，是一些离散应变点的校准标定值，实际测量的应变点的应变灵敏度需要用最近两个点的数据做线性的插值计算获得。但是应变灵敏度高温下受温度影响很大，线性插值计算会带来很大误差，如果能够改变计算方法，使用不受温度影响的量计算，会显著提高测量精度。本专利技术的声表面波高温应变传感器能够产生瑞利波模式两个谐振频率，如图2，此两谐振频率处于同一个传感器，采用同一个粘结，所以受到相同的应变传递系数，又因为是同样的瑞利波的SAW结构，所以两个谐振频率的温度系数一样，如图3，但是两谐振频率对应变的敏感程度却有明显差异如图4；利用此传感器的两谐振频率的应变灵敏度差值能够有效将应变传递系数、温漂等温度效应扣除，从而大幅提升高温应变测试的精度和可重复性，如图5；
[0020]本专利技术的测试方法相对于直接利用应变灵敏度与谐振频率变化测量外加应变，剥离了应变灵敏度S
m1
(T,ξ)与S
m2
(T,ξ)中耦合的温度效应。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例一的高温应变声表面波应变传感器的实例结构示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例一的回波损耗特性(S
11
参数)及两谐振频率测试结果；
[0023]图3为本专利技术实施例一的不同温度下的谐振频率测试结果；
[0024]图4为本专利技术实施例一的高温应变测试的应变灵敏度结果；
[0025]图5为本专利技术实施例一的重复测试结果及与传统方法的重复性对比；
[0026]附图标识说明：压电衬底层1、导电层、叉指电极21、反射栅22。
具体实施方式
[0027]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：应变传感器使用应变胶贴合设置于被测物体表面；其中应变传感器为声表面波传感器，应变传感器存在瑞利波模式下的两个谐振频率；步骤2：被测物体发生应变时，获取应变传感器在瑞利波模式下的两个谐振频率各自的漂移量，漂移量与应变存在对应关系；步骤3：根据两个谐振频率漂移量的差值与应变灵敏度的差值之比，获得被测物体的外加应变量。2.根据权利要求1所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述步骤1中的声表面波传感器包括压电衬底层、叉指电极和反射栅；压电衬底层为耐高温的压电晶体材料，包括硅酸镓镧和氮化铝材料；叉指电极和反射栅均设置于压电衬底层上，反射栅对称设置于叉指电极两侧。3.根据权利要求2所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述叉指电极和反射栅均为包含过渡层和导电层的金属复合结构；过渡层位于导电层与压电衬底层之间，用于增加高温结合力。4.根据权利要求3所述的一种高温声表面波应变传感器的高精度测试方法，其特征在于，所述过渡层金属薄膜的厚度为10
‑
100nm，采用钛或铬材料；导电层的厚度范围为10
‑
1000nm，采用铂、金、铑材...

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