[发明专利]一种无线无源声表面波振动传感器

说明书

技术领域

本发明属于声学技术测量振动的技术领域，具体涉及一种无线无源声表面波振动传感器。

背景技术

机械振动是各种机器内部结构以及外围保护的诊断与监控的信息来源。基于振动的检测可以评判机械的技术条件、设计与制作质量以及可靠性等。机械设备在运行中会有振动现象，超过正常范围的振动会增加机械疲劳，影响零部件的寿命，甚至发生零部件断裂和设备损坏。因此对关键机械部件的振动进行检测，可以有效监控设备不良状态，及时维护，起到预先发现问题和处理问题的作用，这对于安全生产、延长设备使用寿命、节省成本具有重要意义。

目前，传统的机械振动监测系统普遍采用有线测量的方式，存在布线复杂，电缆易于磨损，缺少灵活性，成本高，可维护性差等缺点，对于大量旋转和移动的部件或设备，有线测量方式难以有效完成监测任务。往复式空气压缩机是广泛应用于石油化工行业的一类动力机械，它以其价格低、热效率高、制造技术成熟、变工况以及多台压缩机联网适应性好等优点而被广泛使用。但是，因为具有工况变化大、运动形式复杂以及运行环境多变等特点而呈现出故障发生率较高的一面。曲轴拉杆每秒钟进行3～5次往复运动，对运动状态目标的监测不能采取无线的方式；日常维护不方便，传感器带有电池。

其中，无线无源声表面波传感技术原理是由具有射频收发功能的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，再经由天线被雷达接收。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和幅度。通过解调接收信号，即可获得相应传感信息。本发明设计一种梁式结构双声表面波(SAW)器件模式的新型无线无源声表面波振动传感器，通过设计两个声表面波器件同时测量振动，从而提高传感器的灵敏度与分辨力。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的声表面振动监测装置存在上述缺陷，以及基于对运动状态目标的监测需要采取无线的方式；考虑到日常维护方便，传感器不能带有电池。因此，本发明提供了一种具有增益性的无线无源声表面波振动传感器。本发明采用无线无源传感技术，该无线无源传感技术在某些极端环境如高温高压等条件下的实际应用也极具潜力。

为实现上述目的，通过开展对梁式结构的优化设计研究，设计一种无线无源声表面波振动传感器。因此，本发明提供一种无线无源声表面波振动传感器，不同于传统的声表面波振动传感器，所述无线无源声表面波振动传感器包括：天线、匹配电路、电路PCB板、封装管帽、封装管座、悬臂梁固定基座、压电悬臂梁、第一声表面波器件、第二声表面波器件、质量振子。所述电路PCB板上依次顺序固定安装所述天线、所述匹配电路、所述封装管座，所述封装管座上加盖安装所述封装管帽，二者构成一个封闭式中空的矩形空间；在所述矩形空间内，所述封装管座上固定安装所述悬臂梁固定基座；所述压电悬臂梁的一端位于所述悬臂梁固定基座上，作为固定端，并在该固定端的正、反两面且对应安装所述第一声表面波器件和所述第二声表面波器件；所述压电悬臂梁的另一端为自由端，并在该自由端上固定安装所述质量振子。

所述电路PCB板为电路印制电路板。

在所述封装管座上安装下方缓冲固体，在所述封装管帽的内壁上安装上方缓冲固体。

所述上方缓冲固体和所述下方缓冲固体分别设置在所述压电悬臂梁的自由端的上、下最大位移处，用于保护所述压电悬臂梁，防止因振动幅度过大而受到损坏。

所述下方缓冲固体和所述上方缓冲固体均采用软性材料制成，并且其热膨胀系数小，如橡胶，硅胶，TPU，TPE，TPR等。所述下方缓冲固体与所述压电悬臂梁之间的距离，等于所述上方缓冲固体与所述质量振子之间的距离；并且所述上方缓冲固体与所述质量振子之间的距离大于所述压电悬臂梁的自由端的末端的最大振动位移。

优选地，所述下方缓冲固体与所述压电悬臂梁之间的距离设置为1mm～3mm。

所述第一声表面波器件和所述第二声表面波器件为两个相同的声表面波器件，且均采用半导体工艺沉淀于所述压电悬臂梁的正、反两面上，均包括：叉指换能器、第一反射器、第二反射器；其中，所述第一声表面波器件和所述第二声表面波器件构成反射型延迟线结构或谐振型结构。