[实用新型]一种无线无源声表面波振动传感器

说明书

技术领域

本实用新型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振动的声表面波传感器。

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。

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。但与此同时，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，因此最好的解决方案是采用无线无源传感技术。此外，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。

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。本实用新型即是设计一种梁式结构SAW反射型延迟线模式的新型无线无源声表面波振动传感器，以差分传感结构提升传感器温度稳定性，通过设置压电悬臂梁材料与其几何结构以及振子质量提高传感器的灵敏度。根据在振动过程中SAW的延时以及相位的变化，借助于雷达信号收发模块，由此实现无线无源的振动检测方式。

发明内容

本实用新型设计一种无线无源声表面波（SAW）振动传感器。不同于传统的振动传感器，采用SAW技术设计振动传感器件，可实现传感器的无源检测，并结合雷达原理实现无线信号传输。而且，本实用新型所设计的振动传感器提供一种差分温度补偿方法；另外，为了更好的满足分辨率、灵敏度等具体指标要求，对这种梁式SAW振动传感器开展性能优化研究。即通过分析传感器的敏感机理，设定悬臂梁的材料与几何尺寸。为此，本实用新型提供的技术方案如下：

所述无线无源声表面波（SAW）振动传感器包括：天线，匹配电路，压电悬臂梁，由半导体工艺沉淀于压电悬臂梁上的反射型延迟线结构的声表面波（SAW）器件，以及位于悬臂梁自由端末端的质量振子和承载压电悬臂梁的固定基座；质量振子上下对应封装管座和封装管帽处均设置有缓冲材料。压电悬臂梁结构由与电路PCB板连接的封装管座承载。

所述的声表面波（SAW）器件，采用反射型延迟线结构，由叉指换能器、第一反射器和第二反射器构成。其中，第一反射器用于温度测量与差分温度补偿，第二反射器用于振动检测。第一反射器和第二反射器只是本实用新型的其中一个实施例，反射器的具体数目可根据实际需要设计。在设定反射器数目的时候，要求至少有一个反射器用于温度测量与差分温度补偿，以及至少有一个反射器用于振动测量。

所述叉指换能器、第一反射器和第二反射器，其电极数目按照以下规则设置：随着反射器与叉指换能器的距离增加而相应增加。为消除外围环境噪声干扰，第一反射器与叉指换能器时域间隔要求设置为1.1~1.3µs。用于温度测量与差分温度补偿的反射器要求放置于悬臂梁的非力敏区域上，所以所述用于温度测量与差分温度补偿第一反射器设置于压电悬臂梁的固定端范围内。而用于振动检测的第二反射器要求放置于压电悬臂梁的力敏区域范围内；进一步地，为了使第二反射器能获得最大响应效果，要求第二反射器放置于悬臂梁固定端与自由端交联区域范围内。

所述压电悬臂梁由固定基座固定，压电悬臂梁自由端末端上固定一个质量振子。