差分式声表面波温度应变复合传感器.pdf
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1、第 43 卷 第 2 期Vol.43,No.22024 年 3 月Journal of Applied AcousticsMarch,2024 研究报告 差分式声表面波温度应变复合传感器郭大鹏1,3王冠夫2史汝川1,3吴润发1,3沈 衍2白洪涛2(1 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240)(2 国网辽宁省电力有限公司辽阳公司辽阳111000)(3 劭行(苏州)智能科技有限公司上海200240)摘要:基于声表面波理论和微扰理论,提出了并研制由3个谐振器组成的差分式声表面波温度应变复合传感器。通过有限元分析软件对AT切和XY切的两种声表面波谐振器进行了仿真,根据其频率-应变响应和频率
2、-温度响应,设计并研制了能够进行温度补偿和应力-应变补偿的温度应变传感器,传感器的应力测量灵敏度为100 Hz/,温度测量灵敏度为80 kHz/C。该传感器成功应用到了隔离开关的状态监测。现场测试表明,该传感器对隔离开关触指温度和应变的检测可实现对隔离开关工作状态的有效判别,在未来的电力系统设备在线检测中具有重要的应用前景。关键词:声表面波;频率偏移;温度;应变;隔离开关中图法分类号:TN98文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)02-0421-06DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.02.021Temperature and stress-s
3、train state monitoring of isolation switch based onsurface acoustic wave sensing technologyGUO Dapeng1,3WANG Guanfu2SHI Ruchuan1,3WU Runfa1,3SHEN Yan2BAI Hongtao2(1 School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)(2 State Grid Liaoning E
4、lectric Power Co.Ltd.Liaoyang Company,Liaoyang 111000,China)(3 Shaoxing Suzhou Intelligent Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:Based on surface acoustic wave(SAW)theory and perturbation theory,this paper proposes anddevelops a differential SAW temperature-strain composite sensor compo
5、sed of three resonators for the first time.Two SAW resonators of AT cut and XY cut were simulated by finite element analysis software.According totheir frequency-strain response and frequency-temperature response,a temperature-strain sensor capable oftemperature compensation and strain compensation
6、was designed and developed.The stress measurementsensitivity is 100 Hz/,and the temperature measurement sensitivity is 80 kHz/C.The sensor has beensuccessfully applied to the state monitoring of the isolating switch.Experimental data at testing ground showthat the sensor can detect the temperature a
7、nd strain of the isolating switchs fingers,which can effectivelydiscriminate the working state of the isolating switch.Keywords:Surface acoustic wave;Frequency shift;Temperature;Strain;Isolation switch2022-08-17收稿;2022-11-01定稿国网辽宁省电力有限公司管理科技项目(2021YF-31)作者简介:郭大鹏(1995),男,云南楚雄人,硕士研究生,研究方向:声表面波传感理论与技术。
8、通信作者 E-mail:4222024 年 3 月0 引言应变传感器是航天航空和电力系统等领域的关键部件。传统应变传感器是基于电阻压电效应研制的,虽然具有体积小、测量范围广和结构简单等优点,但是存在力阻灵敏度低、温度漂移较大和需采用有源检测方式等劣势。而声表面波(Surfaceacoustic wave,SAW)应变传感器作为一种无线无源的新型应变传感器,具有无线无源、功耗低等优势,可实现无线无源在线监测,因此在结构监测中表现出较好的应用前景。为了提高SAW传感器的灵敏度、测量精度以及稳定性,国内外研究学者分别从SAW谐振器的基底材料的切向设计、振动模态、器件结构设计和安装方式等方面做了许多研
9、究。文献12研究了延迟线型SAW应变传感器的LiNbO3基底在41和128两种切型的灵敏度,相比于SH振动模式,瑞利波振动模式具有更高的线性度;文献3研究了高温稳态应变下的硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)SAW谐振器特性,分析计算了温度应变的关系,并提出了温度补偿的方案;文献45设计了全石英封装结构的SAW应变传感器,并研究了粘接层对传感器的影响。文献68提出了使用Y-35X石英作为基底的单谐振式SAW应变传感器,其灵敏度达到598 Hz/,但单谐振器容易受到外界环境的干扰,因此后续的研究中采用正交结构来进行温度补偿;文献910也研究了SAW谐振器的固定胶层对灵敏度和温度漂移的影响;
10、文献1112研究通过差分补偿结构提升传感器的灵敏度;文献1314研究了LGS的SAW 应变传感器的温度应变耦合效应,发现以LGS为基底的SAW应变传感器存在温度漂移效应。本文基于SAW谐振器的频率-应变特性和频率-温度特性,提出了由3个以石英为基底的SAW谐振器构成的SAW温度应变复合传感器,该传感器通过差分结构可同时进行温度补偿和应变补偿,提高了温度和应变测量的精度和可靠性。1 SAW温度应变复合传感器设计SAW传感器是由谐振器组合而成的,不同的组合结构所获得的测量结果也不同。为了实现温度应变复合检测,同时实现对应变测量结果进行温度补偿,本文提出了由3个谐振器构成的差分补偿温度应变复合传感器
11、,其中,在应变方向上的SAW谐振器是对应力-应变敏感的AT切SAW谐振器,与应变相垂直的方向布置了2个谐振器,分别是对温度敏感的XY切SAW谐振器和用来进行应力-应变补偿的AT切SAW谐振器。SAW传感器的核心是谐振器谐振频率随应变和温度的变化关系。SAW谐振器的谐振频率在温度和应变影响下,SAW频率相对变化量的计算式为11ff0=CLMV0ua,M u,LdV2020V0u udV,(1)其中:f 为SAW频率偏移量;f0为无偏载时的平率;u为SAW位移;V0为器件体积;0为无偏载场时的密度;0为SAW的角频率;CLM为外界扰动时,SAW谐振器的基片材料的有效弹性常数,其表达式为CLM=TL
12、M+CLMABEAB+CLKM u,K+CLKM u,K,(2)其中:TLM、EAB和 u,K分别是外界应力或温度偏载产生的基片表面应力分量、应变分量和位移分量;CLKM为二阶弹性常数,CLMAB为三阶弹性常数,均可在相关文献中获得;为狄拉克算符。通过对被测点的受力分析,将其应力偏载场分量和温度引入至谐振器,即可通过有限元分析获得基片上的应力分量、应变分量、位移参数和电学参数。结合上述参数和式(2)可得基片材料的有效材料常数,再代入式(1)即可获得SAW频率的相对变化量。上述计算过程可以通过COMSOL软件实现。通过有限元分析软件计算了两种切型(XY切(欧拉角为:0,90,0)和AT切(欧拉角
13、为:0,126,0)下的SAW 谐振器在不同的应变和温度偏载下的谐振器频率变化量,计算结果如图1所示。从图1(a)中可得,在不同的应变偏载下,AT切SAW谐振器的谐振频率偏移量与应变偏载量成正比关系,可以通过谐振频率的变化量表征应变变化,从而实现对应变的测量。从图1(b)中可得,与AT切SAW谐振器相比,XY切的SAW谐振器表现出温度敏感性,其谐振频率偏移量和温度偏载量成正比,可以通过谐振频率偏移量表征温度的变化,从而实现温度的测量。第43卷 第2期郭大鹏等:差分式声表面波温度应变复合传感器423(a)?-?(b)?-?10020304050T/Cf/MHz607035030025020015
14、0100500S/mequart/0-126-0quart/0-126-0quart/0-90-0quartz/0-126-0quartz/0-90-0quart/0-90-0440.77443.0442.5442.0442.0441.8441.6441.4441.2441.0440.8440.6441.5441.0440.5440.76440.75440.74440.73440.72图1AT切和XY切SAW谐振器应变-频率响应及谐振器温度-频率响应Fig.1 AT-cut and XY-cut SAW resonator strainresponse and temperature resp
15、onse本文提出的温度应变复合传感器的谐振器排列方式和传感器实物如图2所示,其中图2(a)中的两个AT切谐振器,受到的温度偏载量相同,差分后可补偿温度偏载对应力-应变测量的影响,提高应力应变测量的准确度。与应变方向相垂直的AT切和XY切的谐振器,所受的应力-应变偏载量相同,差分后可消除应力-应变偏载量的影响,实现对温度的准确测量。?ATATXYXYATAT?(a)?(b)?图2传感器芯片和封装设计及实物Fig.2 Sensor chip and packaging design and objectsSAW传感器需通过天线接收射频信号,射频信号通过金线连接到谐振器上,谐振器上的插指换能器通过逆
16、压电效应激发SAW,反射回来的SAW信号携带着检测信息并通过插指换能器将SAW信号转化为电信号,再通过天线发射到接收端。传感器通过封装结构来完成接收信号、传递信号和发射信号,封装结构的概念设计如图2(b)所示,其中谐振器和封装结构通过金线绑定,匹配电路和外围的封装材料是1 mm厚的印制电路板(Printed circuitboard,PCB)。通过标准应变片在悬臂梁上的测试,测试结果如图3所示,1 mm的PCB相比与无PCB将导致应变衰减12.5%。S/memkgPCB?PCB图3应变片在PCB和无PCB上的测试结果Fig.3 Test result of strain gage on PCB
17、 and no PCB2标定实验和结果SAW传感器通过谐振器谐振频率的变化表征物体表面的温度和应变,为了使SAW传感器的频率偏移量与温度和应变一一对应,需要对SAW传感器进行标定测试。虽然SAW温度应变复合传感器的谐振器的设计都是相同的,但是研制过程存在各种各样的因素导致传感器之间存在微小的差异,这些差异体现在频率偏移量和温度应变解析过程中的系数上。因此,每一个被应用到实际测量的温度应变复合传感器都需要进行标定测试,确定其解析系数,解析系数和传感器是一一对应的。本文使用的是标准热电偶温度计和悬臂梁来标定SAW传感器,标定方法是将贴有SAW温度应变复合传感器的悬臂梁放到温箱内,通过改变温箱温度和
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