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基于声表面波传感器的转子叶片应变无线测量研究.pdf
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1、 仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 1 期基金项目:装发探索项目(7301509);四川省重点研发项目(2022YFG0083)收稿日期:2023-06-04基于声表面波传感器的转子叶片应变无线测量研究杨正兵1,2,肖 潇2,彭 斌3,吴亚锋11.西北工业大学动力能源学院;2.中国航发四川燃气涡轮研究院;3.电子科技大学集成电路科学与工程学院 摘要:声表面波传感器可以实现无线无源工作,该特性使其在高速旋转部件测试中有重要的应用前景。利用硅酸镓镧压电晶体设计并制备了谐振型 SAW 传感器,研究了其应变敏感特性,并成功应用于
2、转子叶片应变的无线测试试验。结果表明,所制备的 SAW 传感器的谐振频率为 217.794 MHz,品质因子达到 5 807,应变灵敏度为-317 Hz/。在 3 00015 000 r/min 转速下,无线测试了转子叶片应变,测试结果与电阻应变计测量结果及有限元仿真计算结果基本一致。研究结果可以为 SAW 传感器在高速旋转设备的无线测试工程应用提供参考。关键词:声表面波;谐振频率;无线测量;转子叶片;应变中图分类号:V21 文献标识码:AResearch on Wireless Measurement of Rotor Blade Strain Based on SAW SensorYANG
3、 Zhengbing1,2,XIAO Xiao2,PENG Bin3,WU Yafeng11.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University;2.Sichuan Gas Turbine Establishment,Aero Engine Corporation of China;3.School of Integrated Circuit Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of ChinaAbstract
4、:SAW sensor can realize wireless passive operation,which makes it an important application prospect in high-speed rotating parts testing.SAW sensor was designed and fabricated with Langasite piezoelectric crystal.The strain sensitivity charac-teristics of the SAW resonator was studied and the SAW re
5、sonator was successfully applied to the wireless test of rotor blade strain.The results show that the resonance frequency of the prepared SAW sensor is 217.794 MHz and the quality factor reaches 5 807.The strain sensitivity of the SAW resonator is about-317 Hz/.The strain of the rotator blade was me
6、asured wirelessly in the range of 3 000 to 15 000 r/min.The measurement results of SAW sensor are basically agree with that of the foil strain gauge and Finite Element Method simulation.The research results can provide references for SAW resonators applications in wireless measurement.Keywords:surfa
7、ce acoustic wave;resonance frequency;wireless measurement;rotor blade;strain0 引言高温、高转速、高推重比、大功率、大负荷,是现代航空发动机的发展趋势,对发动机零部件可承受应力水平提出了高要求。发动机的转子叶片处于流道中,承受着离心载荷、气动载荷以及温度载荷的复合作用,容易出现疲劳裂纹甚至断裂,进而导致发动机故障1-3。为保障发动机的安全运行,其转子叶片的应力水平一直是工程界关注的重点。目前国内对旋转叶片的应变及振动测量主要通过在叶片表面安装电阻应变计,然后通过滑环引电器或遥测装置将应变信号传递至后端数采系统进行分析。
8、该方法受发动机内部结构空间狭小和转速高等因素制约,导致发动机测试结构改装复杂、工作量大、成本高。基于声表面波(surface acoustic wave,SAW)谐振器的应变传感器具有精度高、灵敏度高、功耗低、体积小、重量轻等优点,并且制作工艺简单、工作原理清晰,具有很大的应用潜力。特别是 SAW 传感器可以无线无源工作,在旋转部件的应变测试中具有优势,近年来得到了人们的广泛关注。李红浪等设计了一种基于双谐振器的声表面波应变传感器,提出了宽温度范围内 SAW 应变传感器温度与应变的解耦方法4。邓森洋等利用测试群时延特性的方法搭建了测试系统,使用时域加窗技术,有效降低了环境反射对群时延的影响,提
9、高了无源无线 SAW 传感器实际6 第 1 期杨正兵等:基于声表面波传感器的转子叶片应变无线测量研究 应用中的信噪比5。陈磊等采用基于数字下变频技术测量回波信号频率,有效提取了 SAW 应变测量中的谐振频率6。杨小杨等采用直接式差分结构 SAW应变传感器设计方法,研究出了差分结构对温度和应变的响应特性7。黄毅坚等提出了一种新型的外接负载式无线无源 SAW 应变传感器的设计方法,采用双通道的反射型延迟线结构,消除了应变测量过程中环境温度的干扰8。目前 SAW 应变传感器的研究主要集中在器件结构设计、加工制备工艺、应变特性等方面,关于 SAW应变传感器在转子叶片动应力测量方面的研究成果却少有报道。
10、本文利用耐高温的硅酸镓镧(LGS)压电材料,设计并制备了高 Q 值的 SAW 谐振器,研究了 SAW 谐振器在不同载荷作用下的应变-谐振频率变化特性,将该 SAW 谐振器作为应变传感器,开展了 SAW 应变传感器在转子叶片应变测试中的工程应用研究。1 SAW 谐振器结构和工作原理SAW 传感器一般分为谐振型和延迟线型,本文采用的结构为谐振型。谐振型的 SAW 无线无源传感器通常由 SAW 谐振器和与之相连的射频天线构成,如图 1 所示。通过在压电晶体表面制作叉指换能器(IDT)和若干反射栅即可构成 SAW 谐振器。当 SAW谐振器受到外力而发生形变时,其谐振频率将发生变化。通过与 SAW 谐振
11、器相连的射频天线,可以测试出 SAW 谐振器的谐振频率,进而反映出被测体应变信息9-10。图 1 SAW 无线传感器结构示意图当 SAW 在压电基片内传播时,压电基片受到应力作用产生应变,其谐振频率 f()表示为11-12f()=v()()=v001+k1+=f01+k1+(1)式中:v0、0、f0为基片应变为 0 时 SAW 传播速度、波长和谐振频率;v()、()为基片发生应变时 SAW 传播速度和波长;k 为与基片材料相关的常数。可以看出,SAW 谐振器发生形变时,一方面长度变化导致波长变化,另一方面材料弹性模量变化导致声速发生变化,这体现在参数 k 上,最终导致谐振频率发生变化。一般情况
12、下应变 远小于 1,则式(1)可简化为f()f01+(k-1)(2)由式(2)可见,SAW 传感器的谐振频率 f()与应变 呈线性关系。通过测量 SAW 传感器谐振频率的变化,可以得出应变大小。SAW 谐振器往往对沿着声波传播方向的应变更敏感13,因此,在作为应变传感器使用时,SAW 谐振器的声波传播方向需要和应变方向平行。2 SAW 谐振器制备与应变特性测试本文采用切向为(0,138.5,27)的硅酸镓镧压电基片设计并制备了单端口 SAW 谐振器。压电基片厚度为 0.5 mm。叉指电极对数为 101 对,宽度为3 m,电极之间的间隔也为 3 m,器件的周期(波长)为 12 m。SAW 谐振器
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