[发明专利]一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器

说明书

本发明涉及差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器，包括：天线、匹配电路、封装管座、柔性封装底片和SAW传感器件。其中，天线设置在匹配电路上，匹配电路通过信号引线与SAW传感器件连接。SAW传感器件由所述封装管座和柔性封装底片进行封装。SAW传感器件包括参考器件和感知器件，参考器件用于温度补偿，感知器件用于应变检测。传感器的原理是通过使用应变感知器件直接感受应变作用，从而导致相应谐振频率发生变化，然后经过解耦传感信息即可实现对待测物应变的感知。本发明通过采用两个单端对谐振型SAW器件参考器件和感知器件以差分的方法解决由环境温度对应变测量干扰的问题。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明主要针对一种无线无源声表面波应变传感器开展设计。为了解决由环境温度引起的对应变检测干扰的问题，本发明设计使用差分式双谐振器结构的无线无源声表面波应变传感器。

为实现上述目的，本发明提供一种无线无源声表面波应变传感器，该无线无源声表面波应变传感器包括：天线、匹配电路、封装管座、柔性封装底片和SAW传感器件。其中，天线设置在匹配电路上，匹配电路通过信号引线与SAW传感器件连接。SAW传感器件由封装管座和柔性封装底片进行封装。SAW传感器件包括参考器件和感知器件，参考器件用于温度补偿；感知器件用于应变检测，用于消除外界环境温度变化对应变检测的干扰。

参考器件和感知器件为两个基于相同压电基底材料的单端对SAW谐振器。参考器件包括：第一叉指换能器、第一反射器、第二反射器和第一压电晶体。其中，第一叉指换能器采用半导体光刻工艺制作于第一压电晶体之上。第一反射器和第二反射器分布于第一叉指换能器两边。感知器件包括：第二叉指换能器、第三反射器、第四反射器和第二压电晶体。其中，第二叉指换能器采用半导体光刻工艺制作于所述第二压电晶体之上。第三反射器和第四反射器分布于第二叉指换能器两边。

第一叉指换能器、第一反射器、第二反射器、第二叉指换能器、第三反射器和第四反射器采用余弦函数切指加权的形式。

参考器件纵向放置于柔性封装底片上，感知器件横向放置于柔性封装底片上。

优选的，参考器件的工作频率设置为442MHz，感知器件的工作频率设置为441MHz。