一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構的製作方法

2023-07-20 09:54:01 2

一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，包括殼體和殼蓋，所述殼體和殼蓋密封連接，還包括基座、壓電基片和三個聲表面波諧振器，所述基座固定在殼體內的底部；所述壓電基片的一端為固定端，另一端為懸伸端，所述壓電基片的固定端固定在基座上，且高於殼體內的底面，三個聲表面波諧振器均設在壓電基片的上表面；所述三個聲表面波諧振器並聯連接，且諧振頻率各不相同；所述三個聲表面波諧振器所產生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片的固定端向壓電基片的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。本實用新型具有結構簡單、緊湊，生產成本低，能夠監測振動和溫度，且測量精度高的優點。
【專利說明】一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構

【技術領域】
[0001]本實用新型具體涉及一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構。

【背景技術】
[0002]現有實時結構健康監測(Structural Health Monitoring, SHM)是許多工業過程控制的關鍵。在許多工業應用中，監測運動狀態下機械部件的健康狀況，如對高速列車車輪的負荷軸承的振動狀態的實時監控，是非常重要的。用基於狀態的維修(Condit1n BasedMaintenance, CBM)來替代目前的按計劃檢修(Schedule Based Maintenance, SBM)是降低維護及運營成本的一種有效方法。在所有這些情況下，採用多種類型的傳感器進行實時健康監測是最大限度地保持連續運行時間的關鍵。結構緊湊、無線和無源的傳感器特別適用於在危險的環境中，如在室外惡劣天氣環境下、高溫、高電磁輻射等環境下連續實時地進行實時結構健康監測。這些小型的無線無源傳感器可以不斷實時地監視設備的健康狀態，並在關鍵物理量超過了特定的範圍時向中央控制室提供報警信號。
[0003]基於聲表面波(SAW)的傳感器，外形尺寸小、無線、無源，很適合於這類結構健康監測應用。基於SAW的傳感器是完全無源(無電池)的，有很高的可靠性。與無線讀寫器配合，這些無源傳感器的讀出距離可達到5米以上。
[0004]由於壓電特性對外部環境變化的高靈敏度，SAW器件，如延遲線、反射延時線和諧振器，非常適合用於測量應力、應變、溫度、壓力、加速度、振動，和其他物理量。在通常情況下，SAW器件是在壓電基底上製作的，它包括一個或多個可將施加的電信號轉換成聲表面波，再將聲表面波轉換為電信號的叉指式換能器(IDT)結構。
[0005]所有外部的物理量和/或化學成分都可導致可被基於SAW的傳感器所監測到的壓電基底材料特性的變化。取決於SAW傳感器的設計結構，這樣的外部物理量和/或化學成分的變化可以被識別出來，它們或者與SAW諧振器的諧振頻率偏移相關聯，或者與SAW延遲線的延遲時間或電信號的相位偏移相關聯，或者與SAW延遲線結構的反射功率譜密度(PSD)的變化相關聯。
[0006]在現有技術中，一個有線的SAW振動傳感器是通過在一個壓電懸臂基板上的不同表面上分別實現兩個相同的SAW諧振器來做到的。這種設計在製造工藝中實現起來是非常困難的，不僅結構複雜，而且生產成本也高，因此，在現實中它很難提供任何有意義的批量生產。也有些方案是使用SAW濾波器的結構，將其安裝在懸臂固定端的附近以做振動監測。但這種只通過監測濾波器的中心頻率變化的裝置，由於沒有任何參考基準，難以有效區分振動和溫度所帶來的頻率變化，因而難以獲得準確的測量，使得測量精度低。還有另一種設計，它使用一個單一的SAW諧振器，安裝在懸臂的固定端附近，監測因玻璃破碎所產生的特定頻率的聲波振動(應用於入侵監測)。雖然它可用於該應用場合，但這種設計只能用於監測某一特定頻率的振動發生與否，而不能用來監測在寬頻率範圍內的振動，以及不具有溫度補償功能。實用新型內容
[0007]本實用新型的目的是:提供一種不僅結構簡單、緊湊，生產成本低，而且能夠監測振動，以及測量精度高的基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，以克服現有技術的不足。
[0008]為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是:一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，包括殼體和殼蓋，所述殼體和殼蓋密封連接，其創新點在於:
[0009]a、還包括基座、壓電基片和三個聲表面波諧振器，所述基座固定在殼體內的底部;
[0010]b、所述壓電基片的一端為固定端,另一端為懸伸端,所述壓電基片的固定端固定在基座上，且高於殼體內的底面，
[0011 ] 三個聲表面波諧振器均設在壓電基片的上表面；
[0012]C、所述三個聲表面波諧振器並聯連接，且諧振頻率各不相同；
[0013]d、所述三個聲表面波諧振器所產生的聲表面波均在Y方向傳播,而所述Y方向是指與沿著壓電基片的固定端向壓電基片的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。
[0014]在上述技術方案中，還包括壓塊；所述壓塊設在壓電基片的懸伸端，且所述壓塊與壓電基片是固定連接的或者是互為一體的。
[0015]在上述技術方案中，所述壓塊與壓電基片固定連接時，所述壓塊是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。當然，並不局限於此，壓塊也可以採用其他材料的質量塊。
[0016]在上述技術方案中,所述殼體和殼蓋分別是金屬殼體和金屬殼蓋。
[0017]在上述技術方案中,所述殼體和殼蓋分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
[0018]在上述技術方案中，所述壓電基片可以是ST切石英、或者是FST-切石英。所述ST切石英或FST-切石英的ST或FST方向與聲表面波諧振器所產生的聲表面波的傳播方向重合，均在Y方向。當然，並不局限於此，壓電基片也可以採用其他的壓電晶體。
[0019]本實用新型所具有的積極效果是:由於採用了上述的傳感器結構後，將三個聲表面波諧振器設置在壓電基片上，安裝在殼體內由殼蓋密封；因此，本實用新型結構簡單、緊湊，而且生產成本低，且是可同時測量溫度和振動的聲表面波(SAW)傳感器，且溫度和振動的測量都是通過差分的方式實現的，通過將感測振動的諧振器的諧振頻率減去因溫度漂移而引起的諧振頻率的變化，可以得到一個溫度補償的振動的測量值；這樣，本實用新型能夠監測加速度、具有溫度補償功能，且測量精度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型第一種【具體實施方式】的結構示意圖；
[0021]圖2是圖1不包括殼體的A-A剖視圖；
[0022]圖3是本實用新型不包括殼體和殼蓋的第二種【具體實施方式】的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖以及給出的實施例，對本實用新型作進一步的說明，但並不局限於此。
[0024]如圖1、2、3所示，一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，包括殼體I和殼蓋2，所述殼體I和殼蓋2密封連接，而其:
[0025]a、還包括基座8、壓電基片3和三個聲表面波諧振器4，所述基座8固定在殼體I內的底部；
[0026]b、所述壓電基片3的一端為固定端,另一端為懸伸端,所述壓電基片3的固定端固定在基座8上，且高於殼體I內的底面，
[0027]三個聲表面波諧振器4均設在壓電基片3的上表面；
[0028]C、所述三個聲表面波諧振器4並聯連接，且諧振頻率各不相同；
[0029]d、所述三個聲表面波諧振器4所產生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片3的固定端向壓電基片3的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。
[0030]如圖1所示，所述三個聲表面波諧振器4分開布置在壓電基片3的上表面，其中一個聲表面波諧振器4是用於感測振動的；其中一個聲表面波諧振器4用於感測溫度的；剩餘一個聲表面波諧振器4是用於感知參考溫度的，且該聲表面波諧振器4靠近基座8。
[0031]如圖1、2、3所示，還包括壓塊9 ;所述壓塊9設在壓電基片3的懸伸端，且所述壓塊9與壓電基片3是固定連接的或者是互為一體的。
[0032]本實用新型所述壓塊9與壓電基片3固定連接時，所述壓塊9是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊，或者其它材料的質量塊。壓塊9是用來獲得所希望的壓電懸梁的本徵諧振頻率。
[0033]本實用新型所述殼體I和殼蓋2分別是金屬殼體和金屬殼蓋。所述殼體I和殼蓋2分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
[0034]本實用新型所述壓電基片3可以是ST切石英、或者是FST-切石英。晶片的切向與傳感器的Y方向重合。
[0035]如圖3所示，用於感測溫度和感知參考溫度的兩個聲表面諧振器4在角度上是非平行的。在這種情況下感測溫度的聲表面波諧振器4與提供溫度基準信號的聲表面波諧振器4之間的溫度係數差(亦即傳感器的溫度測量靈敏度)由壓電基片3的材料參數，壓電基片3的厚度，感測溫度和感知參考溫度的聲表面波諧振器4之間的夾角以及兩諧振器的諧振頻率差決定。
[0036]圖3中聲表面波諧振器的聲表面波傳播方向在y方向,其在X方向的尺寸較小；這樣一來聲表面波諧振器感知的物理量更具有局部性(局限在X方向一個較小區間)，更能精確反映所測點的物理量變化。
[0037]本實用新型通過感測溫度的聲表面波諧振器4和感測參考溫度的聲表面波諧振器4之間的頻率差偏移可以測量出外部環境的溫度，再從感測振動的第一聲表面波諧振器4和感測參考溫度的第三聲表面波諧振器4之間的頻率差中減去因溫度變化引起的頻率漂移，從而準確計算出僅由振動引起的頻率變化，進而達到測量振動的目的。
【權利要求】
1.一種基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，包括殼體(I)和殼蓋(2),所述殼體(I)和殼蓋(2 )密封連接，其特徵在於: a、還包括基座(8)、壓電基片(3)和三個聲表面波諧振器(4)，所述基座(8)固定在殼體(O內的底部； b、所述壓電基片(3)的一端為固定端,另一端為懸伸端,所述壓電基片(3)的固定端固定在基座(8)上，且高於殼體(I)內的底面， 三個聲表面波諧振器(4)均設在壓電基片(3)的上表面； C、所述三個聲表面波諧振器(4)並聯連接，且諧振頻率各不相同； d、所述三個聲表面波諧振器(4)所產生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片(3)的固定端向壓電基片(3)的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。
2.根據權利要求1所述的基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，其特徵在於:還包括壓塊(9);所述壓塊(9)設在壓電基片(3)的懸伸端，且所述壓塊(9)與壓電基片(3)是固定連接的或者是互為一體的。
3.根據權利要求2所述的基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，其特徵在於:所述壓塊(9)與壓電基片(3)固定連接時，所述壓塊(9)是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。
4.根據權利要求1所述的基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，其特徵在於:所述殼體(I)和殼蓋(2)分別是金屬殼體和金屬殼蓋。
5.根據權利要求1所述的基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，其特徵在於:所述殼體(I)和殼蓋(2)分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
6.根據權利要求1所述的基於聲表面波的具有溫度補償的感測振動傳感結構，其特徵在於:所述壓電基片(3)可以是ST切石英、或者是FST-切石英。
【文檔編號】G01H11/08GK203949722SQ201420308488
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】高翔, 劉 文 申請人:常州智梭傳感科技有限公司