《计测技术》推荐文章|黄明镜amp;陈智军:基于声表面波谐振器的扭矩检测研究:声测

基于声表面波谐振器的扭矩检测研究

作者:黄明镜1,陈智军2,孙聪2,钟明1,宿丕强1

作者单位:1. 中国航发四川燃气涡轮研究院;2. 南京航空航天大学 自动化学院

摘 要:针对当前声表面波扭矩检测技术在理论分析、算法设计、实验测试方面的现状和存在的问题,研究基于声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)谐振器的扭矩检测技术声测。根据扭矩在转轴和谐振器之间以应变形式传递的特点,建立拉格朗日坐标系下的应变偏载理论模型。定义频率扭矩系数作为切型优化的指标,基于频分多址原理设计制作4个声表面波谐振器。根据声表面波谐振器的回波特性,总结谐振频率的测量方法及特点。分别搭建静态、动态扭矩无线检测系统,静态检测系统采用扫频测强度方法,通过“大步长粗扫”结合“小步长细扫”的扫频方案增强实时性,并提高频率测量精度;动态检测系统采用载波频率测量方法,通过“频域三次样条插值”解决频谱分辨力不足、扭矩测量精度过低的问题。实验结果显示:当无线检测距离大于20 cm、扭矩测量范围为-80 ~ 80 N·m时,静态检测系统最大测量误差不超过1 N·m;当无线检测距离大于20 cm、扭矩测量范围为0 ~ 80 N·m、转速不高于600 r / min时,动态检测系统最大测量误差不超过3 N·m,验证了基于声表面波谐振器的扭矩检测系统的有效性,为高精度扭矩检测提供了新思路。

关键词:声表面波谐振器;扭矩检测;频率扭矩系数;谐振频率;功率检波;三次样条插值

文章主要内容

SAW传感器是一种新型传感器,具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、结构工艺性好等特点,其最显著的优点是无线无源,即在阅读器和天线的配合下可实现无线传感,且传感器端完全不需要电源声测。SAW传感器可用于高速旋转等特殊状态和易燃易爆等极端环境下的检测。扭矩是使物体发生转动的力矩,是力对物体产生旋转效果的度量。扭矩检测在机械制造、汽车工业、航空航天等领域必不可少。测量扭矩时,由于转轴处于旋转状态,无法直接使用导线进行测量,通常需要基于导电滑环、电磁耦合、无线遥测等方法实现测量并传输信号,但上述方法均存在不足。采用声表面波技术进行扭矩测量可从原理上避免现有方法存在的不足。声表面波器件可分为声表面波谐振器(Surface Acoustic Wave Resonator, SAWR)和声表面波延迟线(Surface Acoustic Wave Delay⁃line, SAWD)两种类型,相较而言,SAWR小型化的上限更高,同等条件下检测灵敏度更高,因此针对SAWR的研究也更为广泛。

针对当前声表面波扭矩检测技术在理论分析、算法设计、实验测试方面的研究现状和存在的问题,开展基于声表面波谐振器的扭矩检测技术研究,分析扭矩导致的压电基底弹性常数、压电常数、介电常数的变化,建立拉格朗日坐标系下应变偏载的理论模型,定义体现压电材料自身扭矩敏感特性的频率扭矩系数作为切型优化的指标;设计4个采用频分多址方式的SAWR,并制作相应的传感器线路板;分析声表面波谐振器的回波特性,总结扫频测强度方法、载波频率测量方法、基带频率测量方法的优缺点,在此基础上,分别搭建静态、动态扭矩无线检测系统,并开展实验对检测效果进行验证声测

为了避免转轴弯矩对测量结果产生影响,同时保持转轴的动平衡状态,在转轴的周向相对位置对称布置两组差分结构(共计4个SAWR)声测。实际制作时,在转轴沿轴向的中间位置铣出矩形平面,以方便SAWR的粘贴。2个SAWR并联连接天线。

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图5 SAWR在转轴上的布置方案

Fig.5 Layout scheme of SAWRs on the rotating shaft

采用Ledit软件绘制SAWR的掩膜版图声测。在石英晶圆上镀膜,再通过掩膜版曝光、光刻,经过显影、清洗、剥离等工艺流程之后,制作出SAWR实物。

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图6 SAWR的掩膜版图

Fig.6 Mask layout of SAWR

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图7 石英晶圆上的SAWR实物

Fig.7 SAWRs on a quartz wafer

制作传感器线路板声测。线路板上有两个呈±45º方向的矩形孔,用于将两个差分结构的SAWR直接粘贴到转轴上,线路板通过螺钉固定到转轴上。SAWR的引线焊接到引线焊盘上,采用金属管壳封装SAWR。

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图8 传感器线路板和粘贴声测了SAWR的转轴实物图

Fig.8 Physicalimage of sensor circuit board and the shaft with SAWRs attached

SAWR的谐振频率会随扭矩的变化而变化,因此可以通过测量谐振频率获得扭矩信息声测。当SAWR处于谐振状态时,回波是频率为激励信号的频率并按指数形式衰减的信号;当SAWR失谐时,回波是高频载波经差频基带信号调制后的信号。无论SAWR谐振频率与激励信号频率是否相等,回波信号的载波频率均为随扭矩变化的SAWR谐振频率。激励信号频率越接近SAWR谐振频率,回波信号的能量越大;当两者频率不相等时,基带调制信号的频率为两者的频率之差。

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图9 SAWR谐振、失谐时的回波信号

Fig.9 Echo signal when SAWR is resonant or detuned

测量SAWR谐振频率的方法包括:

1)扫频测强度方法

在一定频率范围内,按一定的步进频率轮询发射激励信号声测。测得不同频率的激励信号对应的回波信号强度,回波强度最大时的激励信号频率即为SAWR谐振频率。由于需要轮询发射激励信号,该方法测量速度较慢,不适用于待测对象动态变化尤其是快速变化的场景。

2)载波频率测量方法

通过测量回波信号的载波频率获得SAWR谐振频率声测。由于载波频率较高,实际应用时对回波信号进行混频,下变频到低频进行测量。

3)基带频率测量方法

通过测量回波信号的基带调制频率获得激励信号频率与SAW谐振频率之差,并进一步获得谐振频率声测。通常情况下无法预知上述两个频率的大小关系,而且两个频率接近时,基带频率极小,难以准确测量,所以实际应用场景有限。

搭建有线测试系统,通过台虎钳固定并夹紧转轴的底部,使用扭矩扳手在转轴的顶部施加扭矩,采用IPX转SMA接口连接线接入矢量网络分析仪,测量施加扭矩时SAWR谐振频率的变化情况声测。采用两组4个SAWR的差分结构,通过测量每组的差频变化,增加了扭矩灵敏度,体现了差分测量的优势。

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图10 有线测试实物图

Fig.10 Diagram of wired test

搭建基于SAWR的静态扭矩无线检测系统,仍使用扭矩扳手施加扭矩,采用小型棒状天线作为传感器天线,阅读器天线使用分段环状天线声测。阅读器对SAWR的回波信号进行功率检波,回波信号由高频载波变换为相应的功率包络,无需进行混频处理,直接采用微控制器自带的2.4 MHz采样频率的模数转换器即可得到回波强度。

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图12 静态扭矩无线检测系统实物图

Fig.12 Diagram of static torque wireless measurement system

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图13 功率检波前、后的回波信号

Fig.13 Echo signals before and after power detection

在对回波信号功率检波的基础上,采用扫频测强度方法测量随扭矩变化的SAWR的谐振频率声测。扫频时步进频率越小,测量精度越高,但存在耗时太长的问题,故采用“大步长粗扫”结合“小步长细扫”的方法:先在扭矩测量范围对应的SAWR频率变化范围内粗扫,得到大致的谐振频率;再以该频率为中心,设置扫频范围为进行细扫,最终得到准确的谐振频率。

搭建基于SAWR的动态扭矩无线检测系统,使用发电机发电及拖动试验台控制转速和扭矩,以HBM标准扭矩仪测得的扭矩值作为施加扭矩,将转轴通过联轴器接入试验台,传感器天线采用小型螺旋天线,阅读器天线使用平板天线声测

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图14 动态扭矩无线检测系统实物图

Fig.14 Diagram of dynamic torque wireless measurement system

采用频域插值的方法来提高频谱分辨力声测。采用三次样条插值方法,在回波信号频谱的2个极大值附近分别进行插值,以提高SAWR谐振频率的测量精度。实际插值时,采用极大谱线及其左右各两条谱线进行三次样条插值,通过构建三弯矩方程,结合自然边界条件,从而唯一确定每段拟合的三阶多项式,拟合区间内纵坐标最大值的横坐标小数部分即为归一化频率偏差的值。

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图15 频域插值原理

Fig.15 Frequency domain interpolation principle

结论与展望

基于拉格朗日坐标系下应变偏载的理论模型,仿真分析了谐振频率随转轴扭矩变化而变化的过程声测。基于频分多址原理设计制作了包括两组差分结构的4个声表面波谐振器,设计了便于谐振器粘贴和应变传递的传感器线路板。研究了声表面波谐振器的回波特性,分析了扫频测强度方法、载波频率测量方法、基带频率测量方法的特点。通过矢量网络分析仪对声表面波谐振器进行了有线测试,其灵敏度与理论仿真值相比偏低,且不同谐振器之间的灵敏度存在一定差距,这是因为在应变从转轴传递到压电基底的过程中,胶水的存在和粘贴方式的不同影响了灵敏度,且谐振器的粘贴位置也存在误差。虽然上述因素对实测灵敏度有一定影响,但利用实际搭建的静态、动态扭矩无线检测平台进行实验,仍获得了较好的测量结果,验证了基于声表面波谐振器的扭矩检测系统的有效性。未来可通过传感器粘贴方式改进、频率估计算法优化等方式,进一步提升声表面波谐振器的扭矩测量精度,并且在理论模型中考虑粘胶对转轴和声表面波谐振器之间应变传递过程的影响,提升理论模型准确性。

作者简介

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黄明镜(1965—),男,研究员,专项总师,主要研究方向为航空发动机试验测试技术声测

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陈智军(1976—),男,副教授,博士,主要研究方向为传感器技术声测

课题组介绍

团队负责人:陈智军(副教授)

主要成员:孙聪(硕士生)、程颖(硕士生)、周鹏(硕士生)、刘清睿(硕士生)

研究方向:声表面波、兰姆波、乐甫波等声学传感器;微声电与嵌入式系统;计算机测控声测

全文链接

引用格式:黄明镜声测,陈智军,孙聪,等. 基于声表面波谐振器的扭矩检测研究[J]. 计测技术, 2024, 44(5):57-66.

Citation:HUANG M J声测, CHEN Z J, SUN C, et al. Research on torque measurement based on surface acoustic wave resonators[J]. Metrology & Measurement Technology, 2024, 44(5):57-66.

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供稿:陈智军

编辑:刘圣晨、刘宇轩

排版:马鹤伟

审核:韩冰

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