基于諧振型無(wú)源SAW傳感器的制造系統(tǒng)熱監(jiān)測(cè)通信特性實(shí)驗(yàn)研究*

余文利,鄧小雷,王建臣,謝長(zhǎng)雄

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江 衢州 324000;2.衢州學(xué)院浙江省空氣動(dòng)力裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 衢州 324000;3.浙江永力達(dá)數(shù)控科技股份有限公司,浙江 衢州 324000)

將先進(jìn)的傳感系統(tǒng)集成到機(jī)床中可以提高對(duì)工藝條件的了解,有利于加工零件質(zhì)量的優(yōu)化和控制[1]。大量研究表明,精密加工機(jī)械的最大的誤差源是機(jī)床外部環(huán)境和內(nèi)部熱源引起的熱誤差,占總體幾何誤差的40%～70%[2]。主軸是機(jī)床的核心部件,機(jī)床的切削速度和加工精度取決于其性能,是制約數(shù)控機(jī)床精度提高的首要因素,對(duì)其熱態(tài)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要[3]。主軸安裝在完全封閉的金屬保護(hù)殼內(nèi),通常使用傳感器對(duì)其進(jìn)行熱監(jiān)測(cè)。目前,熱監(jiān)測(cè)所采用的技術(shù)手段基本局限于傳統(tǒng)的有線傳感器,其配置需要在主軸外殼加工穿孔,由外殼的配線通道配置電源線和信號(hào)線。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往需要多個(gè)傳感器,因此,在主軸外殼需配置多條線路,但線路往往因復(fù)雜多變的工況(如振動(dòng)等)發(fā)生短路或斷路使傳感器失效,或降低信號(hào)傳輸?shù)目煽慷萚4]。為解決這一問(wèn)題,無(wú)線傳感器作為一種小型化、低成本、靈活易配置的新型技術(shù)手段,在主軸等旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中受到廣泛關(guān)注[5-7]。雖然無(wú)線傳感器解決了主軸單元的熱監(jiān)測(cè)問(wèn)題,但主軸單元的外殼結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的供電提出了挑戰(zhàn)。由于打開(kāi)主軸外殼更換電池非常困難,因此使用電池給傳感器供電不是理想的方法。為了制造使用持久電源的無(wú)線傳感器,許多學(xué)者嘗試?yán)铆h(huán)境來(lái)產(chǎn)生電能[8-11],這些方法仍然難以穩(wěn)定且持續(xù)地產(chǎn)生電能[12]。SAW傳感器因其無(wú)源(即傳感器側(cè)無(wú)需供電)、高精度、抗惡劣環(huán)境和抗干擾性高等特點(diǎn)成為制造系統(tǒng)中機(jī)床熱監(jiān)測(cè)的理想選擇。

SAW器件是近代聲學(xué)中的表面波理論、壓電學(xué)研究成果和微電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。因?qū)囟取⒘?、電?chǎng)、質(zhì)量加載及邊界條件改變均敏感,SAW傳感器迅速成為繼陶瓷、半導(dǎo)體和光纖等傳感器之后的物理、化學(xué)和生物傳感平臺(tái)技術(shù)[13]。作為一類重要的SAW器件,雖然SAW傳感器已經(jīng)在諸如汽車胎壓檢測(cè)[14]、冶金容器耐火襯里的溫度監(jiān)測(cè)[15]、厚壁管道檢測(cè)[16]、混凝土結(jié)構(gòu)中位移和裂縫監(jiān)測(cè)[17]、藥品成分的超聲霧化檢測(cè)[18]以及刀具磨損監(jiān)測(cè)[19]等方面得到成功應(yīng)用,但是在制造系統(tǒng)機(jī)床熱監(jiān)測(cè)中仍然存在許多障礙。在機(jī)床中,由于存在大量固定和移動(dòng)的金屬結(jié)構(gòu),使得射頻(RF)信號(hào)的傳播極其困難。在金屬環(huán)境和旋轉(zhuǎn)條件下,多徑傳播、延遲擴(kuò)展、多徑衰落和多普勒效應(yīng)是導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤的主要因素[20]。此外,頻率牽引也會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)量出現(xiàn)誤差[21]。

近年來(lái),SAW傳感器的研究重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通信算法的改進(jìn)上,很少有研究涉及金屬環(huán)境和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的通信特性評(píng)估。本文首先介紹了諧振型無(wú)源SAW傳感器的溫度測(cè)量和無(wú)線信號(hào)在金屬環(huán)境中的傳播原理;其次,通過(guò)CST NWS仿真軟件,構(gòu)建了三種評(píng)估金屬板對(duì)SAW傳感器通信性能影響的仿真模型,得到了仿真結(jié)果,并通過(guò)真實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果;最后,在模擬主軸上進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)條件下的傳輸特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在制造系統(tǒng)中,天線角度、方向、主軸轉(zhuǎn)速、金屬板位置、質(zhì)詢器天線-SAW傳感器天線間隔距離等因素都會(huì)影響SAW傳感器的傳輸性能,在部署SAW傳感器位置時(shí),必須綜合考慮上述所有因素,才能獲得良好的傳輸性能。

圖1 單端口諧振型無(wú)源SAW傳感器結(jié)構(gòu)

1 諧振型無(wú)源SAW傳感器溫度測(cè)量原理

SAW器件可以按工作方式和供能方式進(jìn)行分類,其中,按工作方式可分為諧振型和延遲線型;按照供能方式可分為無(wú)源型和有源型。近年來(lái),諧振型SAW傳感器因插損小、尺寸小、易于陣列化等特點(diǎn),在溫度、壓力、扭矩等傳感器中普遍采用[22-23]。如圖1所示,單端口無(wú)源諧振型SAW傳感器通過(guò)叉指換能器IDT(Interdigital Transducer)上的天線接收信號(hào)激勵(lì)出的聲表面波,聲表面波經(jīng)反射柵反射后返回IDT,并被轉(zhuǎn)換成電磁波并通過(guò)傳感器天線發(fā)射出去。IDT叉指間距和聲表面波傳播速度決定了諧振器頻率,如式(1)所示

f0=v/L

(1)

式中:f0為諧振器在常溫下的諧振頻率,v為聲表面波的速度,L為叉指電極間距。

當(dāng)SAW諧振器的壓電基片的溫度發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起聲表面波傳播速度和反射柵的間距的變化,從而導(dǎo)致諧振器諧振頻率f發(fā)生變化,即

(2)

由于溫度變化引起壓電基片的尺寸變化較小,因此

(3)

式中:Δv為聲表面波的傳播速度,Δθ為溫度的變化值,Ctf為頻率溫度系數(shù),該溫度系數(shù)會(huì)隨晶體切向的變化而變化。

2 無(wú)線信號(hào)在金屬環(huán)境中的傳播特性

根據(jù)天線理論,機(jī)床中復(fù)雜的金屬環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)的傳輸性能影響較大。金屬環(huán)境引起天線阻抗的頻率牽引效應(yīng),以及機(jī)床中導(dǎo)電材料引起的金屬腔品質(zhì)因素,是導(dǎo)致SAW傳感器測(cè)量失敗的主要原因。在本節(jié),使用金屬板來(lái)模擬金屬環(huán)境,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)研究金屬板對(duì)SAW傳感器通信性能的影響。無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度是射頻(RF)信號(hào)的基本特征,本文用功率指標(biāo)來(lái)表示信號(hào)強(qiáng)度,以接收功率的對(duì)數(shù)表示。電場(chǎng)強(qiáng)度與自由空間中的頻率無(wú)關(guān),只與發(fā)送器的距離有關(guān)。此外,當(dāng)以對(duì)數(shù)形式表示時(shí),無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的增加而線性減小[24]。以下根據(jù)式(4)～式(8)從電場(chǎng)強(qiáng)度推導(dǎo)出接收信號(hào)功率

(4)

10lgPu=20lgE-90-10lg(120π)

(5)

(6)

(7)

10lgPr=10lgPu+10lg[λ2/(4π)]+10lgGr

(8)

式中:E、Pu和Pr分別為傳感器天線位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度、功率密度和接收功率,Pt為質(zhì)詢器天線的發(fā)射功率,Gr為傳感器(接收器)天線增益,λ為射頻信號(hào)的波長(zhǎng)。

2.1 基于CST NWS的仿真

首先使用金屬板來(lái)模擬機(jī)床中的金屬環(huán)境,在CST NWS仿真軟件中進(jìn)行金屬板對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸性能影響的仿真實(shí)驗(yàn)。CST NWS仿真軟件采用有限積分技術(shù) FIT(Finite Integration Technique),描述了網(wǎng)格空間上的麥克斯韋方程,提供了完備的時(shí)域和頻域算法[25]。本文選擇麥克斯韋方程組的時(shí)域求解器、時(shí)域解以及邊界條件,如式(9)～式(12)所示:

(9)

(10)

n×(E1-E2)=0

(11)

n×(H1-H2)=0

(12)

式中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,E為電場(chǎng)強(qiáng)度,εr為相對(duì)介電常數(shù),μr為相對(duì)滲透率。

在CST NWS仿真軟件中,創(chuàng)建頻率為433 MHz的螺旋天線,用100 mm×100 mm×1 mm尺寸的鋁板作為金屬部件,用探頭代替SAW傳感器來(lái)測(cè)量不同位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度,構(gòu)建了如圖2所示的三種模型來(lái)模擬金屬環(huán)境:(a)金屬板放置在天線底部;(b)金屬板放置在天線與探頭之間,簡(jiǎn)稱為I-M-S模型;(c)金屬板放置在探頭右側(cè),簡(jiǎn)稱為I-S-M模型。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 仿真模型

參數(shù)設(shè)置值天線類型螺旋型中心頻率433 MHz增益3 dBiS參數(shù)-49 dB輸入端口信號(hào)脈沖激勵(lì)功率0.5 W(RMS)金屬板鋁100 mm×100 mm×1 mm掃描距離范圍0～150 cm步長(zhǎng)5 cm目標(biāo)電場(chǎng)dBV/m

仿真結(jié)果如圖3所示,從圖3可以看出,金屬板對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度有較大影響。當(dāng)金屬板在天線底部時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度增大,并且變化曲線不再是線性的,隨著金屬板與天線距離的增加效果更明顯。另外,I-M-S或I-S-M模型的仿真結(jié)果表明,金屬板附近的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇下降,而在I-S-M模型的35 cm～145 cm處和I-M-S模型40 cm～150 cm處電場(chǎng)強(qiáng)度都得到了增強(qiáng)。

圖3 不同距離電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果

上述仿真結(jié)果的解釋如下:①電場(chǎng)的增強(qiáng)緣于金屬板的金屬反射效應(yīng)。當(dāng)電磁波遇到金屬表面時(shí),會(huì)被反射回來(lái),當(dāng)入射波和反射波產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉時(shí),電磁場(chǎng)得到強(qiáng)化。②金屬表面附近的電場(chǎng)減小緣于電磁感應(yīng)效應(yīng)。當(dāng)射頻(RF)信號(hào)到達(dá)金屬表面時(shí),由于電磁感應(yīng),在金屬內(nèi)部產(chǎn)生電渦流,與此同時(shí)一些電場(chǎng)能量被吸收。此外,電渦流本身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),其磁力線與金屬表面垂直,但與入射波的場(chǎng)強(qiáng)方向相反,導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度在金屬板附近減小。另外,當(dāng)金屬板放置在質(zhì)詢器天線和傳感器天線之間時(shí),金屬屏蔽效應(yīng)的影響也不能忽略。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以下基于上述仿真模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證金屬板對(duì)SAW傳感器無(wú)線信號(hào)傳輸性能的影響,實(shí)驗(yàn)中使用的SAW傳感器是由聲立傳感技術(shù)公司生產(chǎn)的單端口無(wú)源SAW諧振器,系統(tǒng)的工作頻率范圍為432 MHz～444 MHz,中心頻率為433 MHz。SAW傳感系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。考慮到最大讀取距離,測(cè)量是在近場(chǎng)條件下(約2倍波長(zhǎng)的距離)進(jìn)行的。

表2 SAW傳感系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

仿真模型(的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖4所示,質(zhì)詢器天線固定,SAW傳感器沿給定方向以10 cm的步長(zhǎng)移動(dòng),使用平均功率和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 驗(yàn)證仿真模型(a)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,從圖5可以看出,無(wú)論金屬板是否位于質(zhì)詢器天線下方,功率指標(biāo)和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差都隨距離的變化而變化。這表明當(dāng)金屬板放置在質(zhì)詢器天線下方時(shí),相比于沒(méi)有金屬板時(shí),電場(chǎng)得到了增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表明,金屬板充當(dāng)非理想地平面,產(chǎn)生虛擬鏡面電荷,使單極天線成為虛擬偶極天線。另外,從圖5還可以看出,由于房間內(nèi)物體的反射,導(dǎo)致功率指標(biāo)在某些位置(例如65、105和135 cm)發(fā)生突變。溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化曲線表明溫度測(cè)量的穩(wěn)定性與傳輸距離(即功率強(qiáng)度)有關(guān),在距離較遠(yuǎn)時(shí)溫度測(cè)量出現(xiàn)較大的波動(dòng)。根據(jù)圖5中的溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出,當(dāng)金屬板放置在質(zhì)詢器天線底部時(shí),SAW傳感器的通信性能得到了改善。

圖5 質(zhì)詢器天線下方有金屬板和無(wú)金屬板的實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖6 驗(yàn)證I-M-S和I-S-M仿真模型的實(shí)驗(yàn)裝置圖

如圖6所示,將金屬板垂直放置,質(zhì)詢器天線和SAW傳感器分別固定在縱坐標(biāo)原點(diǎn)和50 cm處,而鋁板從-50 cm移動(dòng)到100 cm處。

如圖7所示,金屬板對(duì)功率指標(biāo)的影響范圍為-30 cm～80 cm,直線是沒(méi)有金屬板時(shí)的功率強(qiáng)度。在I-M-S模型中,金屬板放置在質(zhì)詢器天線和傳感器天線之間,從10 cm～40 cm范圍內(nèi)的所有測(cè)試點(diǎn)功率強(qiáng)度均在降低,在該范圍內(nèi),金屬屏蔽效應(yīng)起主導(dǎo)作用。在I-S-M模型中,金屬板放置在兩個(gè)天線的外側(cè),從圖7可以看出,除了-2 cm和52 cm處,其他測(cè)試點(diǎn)的功率指標(biāo)均在增大,說(shuō)明在-2 cm和52 cm處金屬的電磁感應(yīng)效應(yīng)起主導(dǎo)作用,其他測(cè)試點(diǎn)金屬反射效應(yīng)起主導(dǎo)作用。

圖7 金屬板在不同位置時(shí)的功率指標(biāo)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CST NWS仿真結(jié)果均表明金屬環(huán)境確實(shí)對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸性能有較大影響。幸運(yùn)的是,仍然有許多有益的影響可以利用來(lái)提高SAW傳感系統(tǒng)的傳輸性能。考慮到機(jī)床復(fù)雜的金屬環(huán)境,天線放置的最佳位置是需要考慮的關(guān)鍵因素。

3 旋轉(zhuǎn)條件下傳輸特性實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是制造系統(tǒng)中最常見(jiàn)的場(chǎng)景,當(dāng)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),安裝在主軸上的SAW傳感器天線方向會(huì)隨主軸旋轉(zhuǎn)而變化。本節(jié)研究了旋轉(zhuǎn)軸和模擬機(jī)床主軸上SAW傳感器不同天線角度、距離和轉(zhuǎn)速下的無(wú)線信號(hào)傳輸特性,使用接收信號(hào)強(qiáng)度和溫度測(cè)量值作為評(píng)估指標(biāo)。

圖8 天線角度實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.1 天線角度

根據(jù)文獻(xiàn)[26]的研究結(jié)果,天線方向?qū)o(wú)線信號(hào)強(qiáng)度有顯著影響。為了使SAW傳感系統(tǒng)具有良好的傳輸性能,需要尋求質(zhì)詢器天線與SAW傳感器天線之間的最佳角度。天線角度實(shí)驗(yàn)的裝置如圖8所示,在實(shí)驗(yàn)中,SAW傳感器由步進(jìn)電機(jī)以30°增量以逆時(shí)針?lè)较虿竭M(jìn)式旋轉(zhuǎn)通過(guò)12個(gè)角度。通過(guò)此設(shè)置,可以觀察到傳輸性能隨天線角度變化的影響。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,平均功率和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線如圖9所示,從圖9可以看出,天線角度對(duì)功率強(qiáng)度有較大影響,當(dāng)角度從0°增加到90°時(shí),功率強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。從圖9的溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線可以看出,角度越大,金屬板對(duì)溫度測(cè)量影響越大。角度越小,溫度測(cè)量性能越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,天線角度是安裝質(zhì)詢器天線或傳感器天線時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素之一。

圖9 不同天線角度的功率指標(biāo)和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差

3.2 旋轉(zhuǎn)軸上天線位置

實(shí)驗(yàn)裝置由旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)板(聚乳酸材質(zhì))組成,如圖10所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為19.3 ℃,傳感器天線與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離(ds)保持在5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和25 mm,SAW傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)板上,圍繞旋轉(zhuǎn)軸以90°步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn),測(cè)得與質(zhì)詢器天線相隔30 cm距離處的功率指標(biāo)和溫度值。

圖10 旋轉(zhuǎn)軸上傳感器位置影響的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11為不同距離的功率指標(biāo)和測(cè)量溫度隨角度變化圖。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到90°時(shí)接收信號(hào)功率最大,270°時(shí)接收信號(hào)功率最小。原因在于90°時(shí)質(zhì)詢器天線和SAW傳感器之間的距離最小,視距(LOS)最好,而在270°時(shí)LOS被完全遮擋,導(dǎo)致接收信號(hào)功率的強(qiáng)度最低,有時(shí)甚至無(wú)法收到射頻(RF)信號(hào)。從圖10(b)可以看出,溫度測(cè)量值與傳感器天線-旋轉(zhuǎn)軸的間距ds有關(guān)。當(dāng)ds<10 mm時(shí),溫度測(cè)量值會(huì)低于室溫;當(dāng)ds>15 mm時(shí),測(cè)量溫度幾乎等于室溫;當(dāng)ds=10 mm時(shí),在270°處無(wú)法得到溫度測(cè)量值,原因在于在質(zhì)詢器接收到的信號(hào)功率強(qiáng)度太弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SAW傳感器的安裝位置對(duì)其測(cè)量性能也有較大的影響。

圖11 天線與旋轉(zhuǎn)軸不同距離的影響

圖12 不同位置和角度的頻率牽引

圖12顯示了不同角度和不同距離的頻率牽引變化曲線。設(shè)定與室溫對(duì)應(yīng)的頻率(432.351 6 MHz)為SAW傳感器的參考頻率,從圖12可以看出,頻率牽引與角度和距離有關(guān)。當(dāng)距離>15 mm,且角度=90°,頻率偏移最大值為4.645 kHz時(shí),角度是影響傳輸性能的主要因素。頻率偏移較大的原因在于SAW傳感器是基于單諧振器而不是雙諧振器結(jié)構(gòu)。由金屬環(huán)境引起的寄生阻抗也會(huì)導(dǎo)致SAW傳感器的阻抗發(fā)生變化。由于SAW傳感器等效電路模型是一系列電感和電容,因此增加一條特性隨角度變化的傳輸線將改變?nèi)蛛娐纷杩?從而改變質(zhì)詢器檢測(cè)到的諧振頻率[27]。傳感器周圍的導(dǎo)電材料會(huì)形成一些金屬空腔,當(dāng)其品質(zhì)因素超過(guò)SAW傳感器諧振器的品質(zhì)因素時(shí),會(huì)導(dǎo)致測(cè)量失敗。所有這些因素都會(huì)產(chǎn)生頻率牽引效應(yīng),從而導(dǎo)致諧振器的諧振頻率下降。因此,在制造系統(tǒng)中使用SAW傳感器時(shí),安裝位置的優(yōu)化就顯得尤為重要。

3.3 模擬主軸實(shí)驗(yàn)

模擬主軸實(shí)驗(yàn)裝置如圖13(a)所示,SAW傳感器的安裝在模擬主軸上以監(jiān)測(cè)主軸溫升,如圖13(b)所示。主軸直徑為60 mm,旋轉(zhuǎn)速度可以在0～3 000 r/min 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。為安全起見(jiàn),實(shí)驗(yàn)中模擬主軸的最大轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 r/min,試驗(yàn)臺(tái)采用隔振平臺(tái)來(lái)排除外部振動(dòng)的影響。

圖13 模擬主軸實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖14 功率指標(biāo)隨角度和速度的變化

開(kāi)啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,安裝有SAW傳感器的模擬主軸以45°步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)通過(guò)八個(gè)角度,在ds值分別為 10 mm 和20 mm位置,測(cè)量其功率指標(biāo)。當(dāng)SAW傳感器安裝在模擬主軸上時(shí),與旋轉(zhuǎn)軸相比,大多數(shù)位置的功率都增加(如圖11(a)),特別是在180°～360°范圍內(nèi)。當(dāng)模擬主軸轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止到以200 r/min 為步長(zhǎng)增大到1 600 r/min時(shí),測(cè)量不同ds時(shí)的功率指標(biāo),測(cè)量結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出,平均功率隨轉(zhuǎn)速增加略有增加,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于600 r/min時(shí),功率指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著下降。圖15 為當(dāng)距離為20 mm時(shí),主軸溫度在不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時(shí)的溫升。從圖15可以看出,在主軸上部署SAW傳感器時(shí),選擇最佳的天線角度、方向和質(zhì)詢器天線與SAW傳感器天線間隔距離后,溫度測(cè)量結(jié)果在正常范圍內(nèi)波動(dòng),由于陰影效應(yīng)或外部干擾,偶爾會(huì)出現(xiàn)異常值。

圖15 不同轉(zhuǎn)速下的主軸溫升

4 結(jié)論

使用諧振型SAW溫度傳感器在金屬環(huán)境和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),在靜止和旋轉(zhuǎn)條件下研究了功率指標(biāo)和溫度測(cè)量性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論:

①仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)金屬板放置在質(zhì)詢器天線下方時(shí),可以使功率增強(qiáng),但當(dāng)金屬板放置在質(zhì)詢器天線兩側(cè)時(shí),可以削弱甚至接收不到無(wú)線信號(hào)。

②對(duì)于不同類型的天線,應(yīng)考慮質(zhì)詢器天線與SAW傳感器天線之間的夾角。圓極化天線是實(shí)現(xiàn)更大信號(hào)覆蓋區(qū)域的最佳選擇之一。對(duì)于螺旋天線,SAW傳感器天線應(yīng)與質(zhì)詢器天線保持平行。

③SAW傳感器天線與旋轉(zhuǎn)軸表面之間的距離也會(huì)影響信號(hào)功率和溫度測(cè)量性能,需要確定最佳距離。

④旋轉(zhuǎn)軸和模擬主軸設(shè)置的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明,在主軸熱監(jiān)測(cè)中使用諧振型SAW傳感器是可行的。在制造系統(tǒng)中部署SAW傳感器時(shí),應(yīng)考慮天線角度、方向、主軸轉(zhuǎn)速、金屬板位置和質(zhì)詢器天線-SAW傳感器天線之間的距離等因素。

作為系統(tǒng)研究制造系統(tǒng)中SAW傳感器傳輸特性的首次嘗試,本文旨在指導(dǎo)用戶應(yīng)用SAW傳感器,并鼓勵(lì)在監(jiān)測(cè)應(yīng)用中對(duì)SAW傳感器領(lǐng)域進(jìn)行更多的研究。在將來(lái)的工作中,將詳細(xì)研究SAW傳感器在高速旋轉(zhuǎn)主軸中的傳輸性能,以及傳感器的最佳布局和誤差避免方法,從而實(shí)現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用。