本發(fā)明涉及聲學(xué)技術(shù)中的一種聲表面波傳感器，尤其是涉及一種應(yīng)用于測量振動的聲表面波傳感器。

背景技術(shù)：

機械振動是各種機器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外圍保護的診斷與監(jiān)控的信息來源?；谡駝拥臋z測可以評判機械的技術(shù)條件、設(shè)計與制作質(zhì)量以及可靠性等。機械設(shè)備在運行中會有振動現(xiàn)象，超過正常范圍的振動會增加機械疲勞，影響零部件的壽命，甚至發(fā)生零部件斷裂和設(shè)備損壞。因此對關(guān)鍵機械部件的振動進行檢測，可以有效監(jiān)控設(shè)備不良狀態(tài)，及時維護，起到預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題和處理問題的作用，這對于安全生產(chǎn)、延長設(shè)備使用壽命、節(jié)省成本具有重要意義。

傳統(tǒng)的機械振動監(jiān)測系統(tǒng)普遍采用有線測量的方式，存在布線復(fù)雜，電纜易于磨損，缺少靈活性，成本高，可維護性差等缺點，對于大量旋轉(zhuǎn)和移動的部件或設(shè)備，有線測量方式難以有效完成監(jiān)測任務(wù)。往復(fù)式空氣壓縮機是廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的一類動力機械，它以其價格低、熱效率高、制造技術(shù)成熟、變工況以及多臺壓縮機聯(lián)網(wǎng)適應(yīng)性好等優(yōu)點而被廣泛使用。但與此同時，因為具有工況變化大、運動形式復(fù)雜以及運行環(huán)境多變等特點而呈現(xiàn)出故障發(fā)生率較高的一面。曲軸拉桿每秒鐘進行3~5次往復(fù)運動，對運動狀態(tài)目標的監(jiān)測需要采取無線的方式；考慮到日常維護方便，傳感器不能帶有電池，因此最好的解決方案是采用無線無源傳感技術(shù)。此外，無線無源傳感技術(shù)在某些極端環(huán)境如高溫高壓等條件下的實際應(yīng)用也極具潛力。

聲表面波傳感器以其獨特優(yōu)點如高精度，高靈敏度，體積小，重量輕，功耗低，具有良好的穩(wěn)定性，能夠快速響應(yīng)，制作成本低，而且可實現(xiàn)無線無源測量方式，特別適合于高溫高壓及無人值守等極端應(yīng)用環(huán)境，極具應(yīng)用前景。無線無源聲表面波傳感技術(shù)原理是由射頻收發(fā)模塊（雷達）發(fā)射與聲表面波傳感器件同頻的電磁波信號，通過天線由聲表面波傳感器件的叉指換能器接收并轉(zhuǎn)換成沿壓電晶體表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，聲表面波在傳播過程中被反射器反射并被叉指換能器重新轉(zhuǎn)換成電磁波信號，再經(jīng)由天線被收發(fā)模塊接收。在聲表面波傳播過程中如受到力、磁、溫度等影響，即會直接影響聲傳播速度及幅度。通過解調(diào)接收信號即可獲得相應(yīng)傳感信息。本發(fā)明即是設(shè)計一種梁式結(jié)構(gòu)saw反射型延遲線模式的新型無線無源聲表面波振動傳感器，以差分傳感結(jié)構(gòu)提升傳感器溫度穩(wěn)定性，通過設(shè)置壓電懸臂梁材料與其幾何結(jié)構(gòu)以及振子質(zhì)量提高傳感器的靈敏度。根據(jù)在振動過程中saw的延時以及相位的變化，借助于雷達信號收發(fā)模塊，由此實現(xiàn)無線無源的振動檢測方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計一種無線無源聲表面波（saw）振動傳感器。不同于傳統(tǒng)的振動傳感器，采用saw技術(shù)設(shè)計振動傳感器件，可實現(xiàn)傳感器的無源檢測，并結(jié)合雷達原理實現(xiàn)無線信號傳輸。而且，本發(fā)明所設(shè)計的振動傳感器提供一種差分溫度補償方法；另外，為了更好的滿足分辨率、靈敏度等具體指標要求，對這種梁式saw振動傳感器開展性能優(yōu)化研究。即通過分析傳感器的敏感機理，設(shè)定懸臂梁的材料與幾何尺寸。為此，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

所述無線無源聲表面波（saw）振動傳感器包括：天線，匹配電路，壓電懸臂梁，由半導(dǎo)體工藝沉淀于壓電懸臂梁上的反射型延遲線結(jié)構(gòu)的聲表面波（saw）器件，以及位于懸臂梁自由端末端的質(zhì)量振子和承載壓電懸臂梁的固定基座；質(zhì)量振子上下對應(yīng)封裝管座和封裝管帽處均設(shè)置有緩沖材料。壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)由與電路pcb板連接的封裝管座承載。

所述的聲表面波（saw）器件，采用反射型延遲線結(jié)構(gòu)，由叉指換能器、第一反射器和第二反射器構(gòu)成。其中，第一反射器用于溫度測量與差分溫度補償，第二反射器用于振動檢測。第一反射器和第二反射器只是本發(fā)明的其中一個實施例，反射器的具體數(shù)目可根據(jù)實際需要設(shè)計。在設(shè)定反射器數(shù)目的時候，要求至少有一個反射器用于溫度測量與差分溫度補償，以及至少有一個反射器用于振動測量。

所述叉指換能器、第一反射器和第二反射器，其電極數(shù)目按照以下規(guī)則設(shè)置：隨著反射器與叉指換能器的距離增加而相應(yīng)增加。為消除外圍環(huán)境噪聲干擾，第一反射器與叉指換能器時域間隔要求設(shè)置為1.1~1.3μs。用于溫度測量與差分溫度補償?shù)姆瓷淦饕蠓胖糜趹冶哿旱姆橇γ魠^(qū)域上，所以所述用于溫度測量與差分溫度補償?shù)谝环瓷淦髟O(shè)置于壓電懸臂梁的固定端范圍內(nèi)。而用于振動檢測的第二反射器要求放置于壓電懸臂梁的力敏區(qū)域范圍內(nèi)；進一步地，為了使第二反射器能獲得最大響應(yīng)效果，要求第二反射器放置于懸臂梁固定端與自由端交聯(lián)區(qū)域范圍內(nèi)。

所述壓電懸臂梁由固定基座固定，壓電懸臂梁自由端末端上固定一個質(zhì)量振子。

當無線無源聲表面波（saw）振動傳感器受到振動時，梁自由端的質(zhì)量振子則由于受到振動加速度引起壓電懸臂梁沿施力方向產(chǎn)生一個位移，也就是使得懸臂梁發(fā)生彎曲變形并引起其表面應(yīng)變分布變化，從而導(dǎo)致反射型延遲線聲表面波（saw）器件中saw傳播速度的變化，由此導(dǎo)致saw的延時和相位發(fā)生相應(yīng)的改變，通過解耦即可提取傳感信息。

由于無線無源聲表面波（saw）振動傳感器的靈敏度特性主要取決于懸臂梁的材料與幾何尺寸，所以可通過利用有限元軟件comsol對懸臂梁結(jié)構(gòu)進行建模，計算壓電基片的應(yīng)力分布。綜合考慮到壓電梁厚度受工藝條件限制以及石英梁本身的最大允許應(yīng)力限制，并通過分析無線無源聲表面波（saw）振動傳感器的敏感機理，確定壓電懸臂梁的材料與幾何尺寸。一般的，所述的壓電懸臂梁的厚度為0.2~0.45mm，寬度由制作于其表面的反射型延遲線聲表面波（saw）器件的聲孔徑?jīng)Q定，長度則由加速度動態(tài)范圍決定。

另外為保護壓電懸臂梁，在壓電懸臂梁自由端末端質(zhì)量振子對應(yīng)封裝管座和封裝管帽處設(shè)置緩沖材料與，上下距離大于自由端末端最大振動位移。所選取的材料要求為軟性材料，并且熱膨脹系數(shù)小，如橡膠，硅膠，tpu，tpe，tpr等。

所述的匹配電路，要求保證聲表面波（saw）器件與天線之間的阻抗匹配，使天線獲取最大的輸入功率。

優(yōu)選的，所述無線無源聲表面波（saw）振動傳感器可采用433m，915m，2.4g等ism頻段或其他頻段。

進一步優(yōu)選的，采用890m作為無線無源聲表面波（saw）振動傳感器的中心頻率。

優(yōu)選的，所述反射型延遲線聲表面波（saw）器件采用40m帶寬。

優(yōu)選的，所述的壓電懸臂梁材料可選用鈮酸鋰，鉭酸鋰、鎵酸鋰、及鍺酸鋰等高壓電系數(shù)材料。

進一步優(yōu)選的，考慮到溫度因素對振動測量造成的影響，要求選取壓電系數(shù)高，溫度系數(shù)線性度好，能易于實現(xiàn)溫度補償，所以所述的壓電懸臂梁晶體材料選用41yxlinbo3，128°yxlinbo3，yzlinbo3,36°yxlitao3壓電晶體做懸臂梁。

優(yōu)選的，所述叉指電極材料可選擇鋁、鉑、銅。

進一步優(yōu)選的，采用鋁。

優(yōu)選的，所述的器件封裝管帽可以使用金屬封裝或陶瓷封裝形式。

進一步優(yōu)選的，所述器件采用陶瓷封裝。

優(yōu)選的，所述封裝管座可以使用金屬直插式基座或陶瓷貼片式基座。

進一步優(yōu)選的，所述封裝管座采用金屬直插式基座。

優(yōu)選的，所述天線可以選取微帶天線，縫隙天線，環(huán)形天線或者直立天線。

進一步優(yōu)選的，所述天線采用微帶天線。

由于聲波傳播衰減作用，延遲線結(jié)構(gòu)的設(shè)計會影響傳感器整體性能。通常延遲線較長的傳播路徑會導(dǎo)致源自各個反射器的反射峰均一性差，并且離源換能器越遠，反射器能量損耗越大，反射信號信噪比越低，這將直接影響到時域有效信號的提取。因此，基于上述說明，可對反射型延遲線聲表面波（saw）器件作進一步優(yōu)化。（此處說明是在對上述說明的一個補充擴展，依然是本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。以下描述可當做是本發(fā)明為解決上述問題的改進實施例。）

為補償聲波衰減的影響，獲得均一損耗與信噪比的時域反射峰，基于反射型延遲線聲表面波（saw）器件的設(shè)計要求，可對反射型延遲線聲表面波（saw）器件的結(jié)構(gòu)作進一步優(yōu)化。如圖5的（a）與（b）所示，優(yōu)化方案的設(shè)計首先要求叉指換能器與用于溫度補償?shù)牡谝环瓷淦鞣胖迷趬弘姂冶哿旱墓潭ǘ朔秶鷥?nèi)，檢測第二反射器放置在壓電懸臂梁的固定端與自由端交聯(lián)區(qū)域范圍內(nèi)。如圖5（a）所示，第一反射器與檢測第二反射器，在嚴格遵守與叉指換能器的時域間隔的前提下，可分為上下兩個通道。若不分為上下兩通道，也可以如圖5（b）所示，第一反射器可設(shè)置在與檢測第二反射器相反的一側(cè)。

附圖說明

為了更清晰地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖做簡單地介紹。

圖1是無線無源聲表面波（saw）振動傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是由半導(dǎo)體工藝沉積于壓電懸臂梁（8）上的反射型延遲線聲表面波（saw）器件（9）以及置于自由端（16）末端的質(zhì)量振子（11）。

圖3是說明壓電懸臂梁（8）的固定端（15）與自由端（16）。固定于基座（6）上的壓電懸臂梁（8）部分為固定端（15）（即非力敏區(qū)域），余下部分為自由端（16）（即力敏區(qū)域）。

圖4是匹配電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5（a）和（b）是對本發(fā)明提供的用于無線無源聲表面波（saw）振動傳感器的反射型延遲線聲表面波（saw）器件（9）的改進示意圖。

圖面說明如下：

(1)天線(2)匹配電路(3)電路pcb板

(4)封裝管帽(5)封裝管座(6)固定基座

(7)下方緩沖材料(8)壓電懸臂梁(9)反射型延遲線聲表面波（saw）器件

(10)自由端的質(zhì)量振子(11)上方緩沖材料(12)叉指換能器

(13)用于溫度檢測與補償?shù)牡谝环瓷淦?14)用于振動檢測的第二反射器

（15）固定端（梁的非力敏區(qū)域）（16）自由端（梁的力敏區(qū)域）

（17）匹配電容（18）匹配電感。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明的說明書附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而非全部。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范疇。本發(fā)明實施方式提供了一種無線無源聲表面波（saw）振動傳感器，該無線無源聲表面波（saw）振動傳感器采用聲表面波反射型延遲線結(jié)構(gòu)，具體的技術(shù)方案如下：

如圖1所示，本實施例提供的一種無線無源聲表面波（saw）振動傳感器包括：天線（1），匹配電路（2），壓電懸臂梁（8），由半導(dǎo)體工藝沉淀于壓電懸臂梁（8）上的反射型延遲線結(jié)構(gòu)的聲表面波（saw）器件（9），以及位于懸臂梁（8）自由端（16）末端的質(zhì)量振子（10）和懸臂梁固定基座（6）；為了保護懸臂梁（8），壓電懸臂梁（8）自由端（16）末端的質(zhì)量振子（10）上下對應(yīng)封裝管座（5）和封裝管帽（4）處各設(shè)置有緩沖材料（7）與（11）。

所述壓電懸臂梁（8）由固定基座（6）固定，壓電懸臂梁（8）的自由端（16）末端固定質(zhì)量振子（10）。作為實施例，壓電懸臂梁（8）選用yz-linbo3，綜合考慮到壓電梁厚度受工藝條件限制以及石英梁本身的最大允許應(yīng)力限制，并通過分析計算，壓電懸臂梁（8）的長度為12毫米，寬度為2毫米，厚度為0.45毫米，自由端（16）末端的質(zhì)量振子（10）為0.6g。用于應(yīng)變檢測的第二反射器（14）置于壓電懸臂梁（8）的固定端（15）與自由端（16）交聯(lián)處的最大應(yīng)變敏感區(qū)，此時無線無源聲表面波（saw）振動傳感器可獲得較大的檢測靈敏度。叉指換能器（12）與用于溫度檢測與補償?shù)牡谝环瓷淦鳎?3）則放置于懸臂梁（8）上的固定端（15）處。為了防止懸臂梁因振動幅度過大而受到損壞，在壓電懸臂梁（8）自由端（16）末端的質(zhì)量振子（10）上下對應(yīng)的封裝管座（5）和封裝管帽（4）處設(shè)置軟性緩沖材料（11）和（7）。上方軟性材料（11）與質(zhì)量振子（11）的距離，等于壓電懸臂梁（8）到下方軟性材料（7）距離，距離設(shè)為1毫米。固定基座（6）高為1.5mm。

如圖2所示，采用半導(dǎo)體光刻技術(shù)，所述的反射型延遲線聲表面波（saw）器件（9）包括一個叉指換能器（12）和兩個反射器（13~14）。反射型延遲線聲表面波（saw）器件（9）頻率設(shè)為890m，叉指電極數(shù)目為20對。反射器（13~14）采用短路反射柵型，其電極數(shù)目從左到右依次是7對、8.5對。叉指換能器（12）與第一個第一反射器（13）（即用于溫度檢測與補償?shù)姆瓷淦鳎┑木嚯x是854λ（λ為對應(yīng)聲波長），第一個第一反射器（13）與第二個第二反射器（14）（即用于應(yīng)變檢測的反射器）的距離是66.75λ。叉指換能器（12）指條寬度為1.101微米，電極膜厚為300納米，各個指條間距均為1.101微米，聲孔徑為1586.160微米。所述的兩個反射器（13~14）指條寬度為1.101微米，電極膜厚為300納米，各個指條間距均為1.101微米，指條長度均為440.600微米。最后叉指換能器（12）與外電路（即匹配電路（2））相連。

如圖4所示，所述的匹配電路（2），由于本方案中具體參數(shù)設(shè)置的要求，此處并不需要放置匹配電容，因此僅串聯(lián)一個9.1nh大小的匹配電感（18）即可。并且輸入端阻抗輸出匹配至50歐姆。

進一步說明，所述無線無源聲表面波（saw）振動傳感器的工作原理描述如下：

根據(jù)壓電效應(yīng)，叉指換能器（12）把由天線（1）接收到的電磁波信號轉(zhuǎn)換為聲表面波信號，激發(fā)的聲表面波沿著壓電懸臂梁（8）傳播，當經(jīng)過反射器（13~14）時聲表面波被反射回去。若無線無源聲表面波（saw）振動傳感器受到振動時，自由端的質(zhì)量振子（10）則由于加速度力，引起懸臂梁（8）沿施力方向產(chǎn)生一個位移，也就是使得懸臂梁發(fā)生彎曲變形，從而引起反射型延遲線聲表面波（saw）器件（9）內(nèi)saw傳播速度發(fā)生變化，由此導(dǎo)致反射型延遲線聲表面波（saw）器件（9）的延時和相位發(fā)生相應(yīng)的變化。發(fā)生變化的反射聲表面波經(jīng)過叉指換能器（12）時，由于逆壓電效應(yīng)，最終叉指換能器（12）把聲波信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號輸出，再由雷達收發(fā)模塊接收并信號解調(diào)處理獲得傳感信息。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。