無源無線聲表面波壓力傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究

白 天 閆 磊 孫鳳舉 馮 輝 王小三 程利娜 李紅浪

(1.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；3.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190)

1 引言

隨著人工智能和智能裝備的發(fā)展，對傳感器的功能提出了更高要求。而電子技術(shù)和微加工工藝的不斷發(fā)展使得新式傳感器的出現(xiàn)絡(luò)繹不絕。壓力傳感器是各類傳感器中應(yīng)用最廣泛的一種，其使用量約占傳感器總用量的45%，在工業(yè)領(lǐng)域需求量巨大。聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)壓力傳感器是最近十幾年開始提出，且工藝仍在逐漸完善的壓力類傳感器。這類傳感器具有微型化、價(jià)格低、靈敏度高、可陣列化、可分布式的優(yōu)點(diǎn)。其使用機(jī)械波的傳感原理以及無源無線的信息傳遞方式，使其能在極端溫度、旋轉(zhuǎn)/運(yùn)動狀態(tài)、核輻射、高電壓等惡劣環(huán)境下正常工作[1～3]。因此近年來SAW壓力傳感器在航空航天、軍械裝備、核設(shè)施監(jiān)測、石油化工、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域受到國際國內(nèi)的重視。

SAW壓力傳感器一個較為成功的應(yīng)用是在汽車胎壓監(jiān)測上，即 TPMS 系統(tǒng)[4，5]。此外國外機(jī)構(gòu)還有針對航空航天特殊環(huán)境的SAW高溫壓力傳感器研究[6]。目前國內(nèi)外的研究重點(diǎn)主要集中在對不同SAW傳感器的研制上，包括敏感材料的選擇，換能器設(shè)計(jì)，溫度補(bǔ)償方法，無線收發(fā)單元設(shè)計(jì)以及封裝和制作工藝等，在應(yīng)用層面的研究較少。本文旨在通過計(jì)量手段開拓SAW壓力傳感器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足未來傳感器小型化、智能化、集成化的要求。通過對SAW壓力傳感器測量原理的研究，掌握其關(guān)鍵計(jì)量特性和主要技術(shù)指標(biāo)，建立一套SAW壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，解決其主要技術(shù)指標(biāo)溯源校準(zhǔn)的難題，為新型傳感器的研發(fā)提供技術(shù)支持。

2 傳感器的工作原理

聲表面波(SAW)壓力傳感器工作在射頻頻段，便于集成在無線系統(tǒng)中，具有無源無線的獨(dú)特優(yōu)勢，可應(yīng)用于安裝環(huán)境復(fù)雜、無電氣連接的場合。由于其傳感器部分均為機(jī)械結(jié)構(gòu)，并采用半導(dǎo)體集成電路工藝加工，因此器件的一致性和可靠性都很好。SAW壓力傳感器主要由讀寫器和傳感器兩部分組成，如圖1所示。讀寫器通過天線發(fā)射一定帶寬的射頻信號，被傳感器接收，在內(nèi)部壓電基底上激發(fā)出聲表面波。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時，聲表面波的一些物理參量如速度、幅值、相位等也會隨之變化，這種變化可以提取出來標(biāo)定壓力的變化，從而實(shí)現(xiàn)壓力測量。目前SAW壓力傳感器主要有延遲線型和諧振型兩種。

圖1 SAW壓力傳感器組成和工作原理Fig.1 Makeup and the principal of the SAW pressure sensor

2.1 延遲線型SAW壓力傳感器

外部射頻信號(問詢)由傳感器天線接收，通過叉指換能器的逆壓電效應(yīng)，在壓電基底上產(chǎn)生聲表面波，由另一個叉指換能器獲得，或經(jīng)過反射器反射后由同一個叉指換能器接收，再經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號后，通過天線返回給讀寫器(應(yīng)答)。問詢信號和應(yīng)答信號之間存在一個時間上的滯后或相位上的改變，壓力的變化會影響兩信號間的差異，通過這種差異可以標(biāo)定出壓力值。

文獻(xiàn)[7]中介紹了一種延遲線型壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其封裝形式和設(shè)計(jì)原理如圖2所示。傳感器采用圓柱體中空封裝，包含壓力敏感膜、圓柱保護(hù)外殼、傳力桿和壓電梁等結(jié)構(gòu)。壓電梁的一端固定在保護(hù)殼內(nèi)壁上，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。敏感膜受壓后向內(nèi)變形，變形量通過傳力桿傳遞到壓電梁。壓電梁是傳感器的核心部件，包含壓電基底，叉指換能器，反射器，天線引線和吸聲材料。圖2中靠近壓電梁固定端的反射器6用來測量壓力導(dǎo)致的變形量，反射器9、10用來作為溫度測量或溫度補(bǔ)償。延遲線型壓力傳感器的不足之處是機(jī)械品質(zhì)因數(shù)較小，傳輸損耗大，因此無線測量距離近。

圖2 某種延遲線型SAW壓力傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of a kind of SAW pressure sensor based on delay line theory

2.2 諧振型SAW壓力傳感器

外部問詢信號由傳感器天線接收，通過叉指換能器被轉(zhuǎn)換成聲表面波信號，由于反射器的存在，聲表面波經(jīng)反射后在壓電基底上形成某諧振頻率的駐波，再由叉指換能器轉(zhuǎn)化為電信號后返回。文獻(xiàn)[8]中介紹了一種諧振型壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。諧振器壓電基片上承受的壓力發(fā)生變化引起聲表面波波速的改變，進(jìn)而導(dǎo)致諧振器的諧振頻率發(fā)生變化。通常這種變化是線性的，壓力便可以通過對諧振頻率的檢測標(biāo)定出來。相比延遲線型SAW傳感器，諧振型傳感器的插入損耗低很多，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的更加緊湊，無線傳輸距離更遠(yuǎn)。

圖3 某種諧振型SAW壓力傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a kind of SAW pressure sensor based on resonance theory

3 計(jì)量特性與校準(zhǔn)方法

SAW壓力傳感器使用壓電材料作為基底敏感壓力的變化，壓電材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其受力前后的狀態(tài)未必完全一致，使傳感器產(chǎn)生一定的遲滯特性。參考國家現(xiàn)行的壓力傳感器計(jì)量檢定規(guī)程[9]，使用重復(fù)性、遲滯、線性等參數(shù)對SAW壓力傳感器的計(jì)量特性進(jìn)行表征，通過對各參數(shù)的測量和計(jì)算，對壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級進(jìn)行評定。

考慮到目前市場上常見的SAW壓力傳感器以諧振型為主，且諧振型與延遲線型傳感器的標(biāo)定具有相似性，因此本文針對諧振型壓力傳感器展開校準(zhǔn)方法研究。SAW壓力傳感器的測量原理是先標(biāo)定器件在不同壓力下的諧振頻率，確定壓力-頻率特性曲線，再通過測定的頻率值得到器件所處環(huán)境的壓力。通常用壓力-頻率特性曲線的線性度表示傳感器的壓力系數(shù)，即傳感器的壓力靈敏度。

校準(zhǔn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)壓力源系統(tǒng)、控溫裝置、壓力腔、網(wǎng)絡(luò)分析儀和計(jì)算機(jī)終端組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。被校SAW壓力傳感器為帶有溫度補(bǔ)償功能的某種型號，其外形如圖5所示。校準(zhǔn)過程中為保證對壓力量的單一測量，通過控溫裝置保持傳感器的環(huán)境溫度恒定，減小溫度波動對壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響。

圖4 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the calibration apparatus

圖5 被校SAW壓力傳感器Fig.5 Calibrated SAW pressure sensor

為傳感器設(shè)計(jì)了圓柱體外形的密封壓力腔，壓力腔由兩部分組成，一端連接壓力源系統(tǒng)，另一端帶有專門設(shè)計(jì)的耐壓、密封絕緣插頭，兩部分通過螺紋連接。將傳感器連接到腔內(nèi)的插頭，插頭的另一端通過密封裝置伸出腔外，與天線或網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。壓力腔置于控溫裝置內(nèi)，如圖6所示。

圖6 密封壓力腔Fig.6 Pressure seal cavity

壓力校準(zhǔn)在常溫下進(jìn)行，溫度控制在22℃±0.5℃，相對濕度為45% ±2%。在傳感器測量范圍(0～2)MPa內(nèi)每隔0.2 MPa選取一個校準(zhǔn)點(diǎn)，壓力穩(wěn)定后記錄每點(diǎn)處傳感器的峰值頻率，重復(fù)5次測量取平均值。正行程和反行程校準(zhǔn)往返一次為一個循環(huán)，進(jìn)行6個循環(huán)的校準(zhǔn)。

4 結(jié)果分析

4.1 分析方法

網(wǎng)絡(luò)分析儀與壓力傳感器正常連接后，掃頻讀取傳感器的S11參數(shù)。根據(jù)諧振器設(shè)計(jì)方式的不同，有的傳感器在掃頻范圍內(nèi)只顯示一個峰值，有的傳感器有多個峰值。本文校準(zhǔn)用的傳感器掃頻信號顯示有三個諧振峰，其中左邊兩個為參考峰，最右邊為壓力對應(yīng)峰值。當(dāng)外界壓力變化時，壓力對應(yīng)峰值位置會隨之變化。校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)隨著壓力增加，壓力諧振峰將明顯的向高頻移動，壓力傳感器的校準(zhǔn)即是將諧振峰值的變化與壓力變化相聯(lián)系。圖7為0MPa和1MPa下掃頻信號的對比。以正行程0MPa下的壓力峰示值434351103Hz為基準(zhǔn)，某次循環(huán)的峰值數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)的差值見表1。

圖7 不同壓力下傳感器掃頻信號的變化Fig.7 Changes of sweep signal under different pressures

表1 某次循環(huán)的諧振頻率數(shù)據(jù)Tab.1 Data of resonant frequency in a calibration loop

使用最小二乘法擬合出傳感器的工作直線，按公式(1)計(jì)算

式中：fLS——頻率擬合值，Hz；p——壓力傳感器在其測量范圍內(nèi)的壓力值，Pa；a——直線截距；b——直線斜率。

壓力傳感器的滿量程輸出值按公式(2)計(jì)算

式中：pmax——測量范圍上限壓力值，Pa；pmin——測量范圍下限壓力值，Pa。

為進(jìn)一步減小誤差，提高校準(zhǔn)精度，本文將使用最小二乘法擬合壓力傳感器輸入輸出的二次多項(xiàng)式曲線關(guān)系，與一次擬合直線的結(jié)果對比。二次曲線按公式(3)計(jì)算

式中：c——曲線二次項(xiàng)系數(shù)。

相應(yīng)的傳感器滿量程輸出值按式(4)計(jì)算

依據(jù)JJG860-2015計(jì)算SAW壓力傳感器的其他測試參數(shù)，包括重復(fù)性 ξR，遲滯 ξH，線性 ξL，傳感器系統(tǒng)誤差ξLH以及傳感器的基本誤差A(yù)。

最后，針對本文所使用SAW壓力傳感器的特點(diǎn)，使用修正后的諧振頻率峰值對校準(zhǔn)結(jié)果再次進(jìn)行分析，與單純壓力峰的分析結(jié)果對比。修正峰值按公式(5)計(jì)算

式中：FP——修正后的壓力峰，Hz；fP——壓力對應(yīng)諧振峰值，Hz；fR——參考諧振峰值，Hz。

4.2 分析結(jié)果

依照上一節(jié)介紹的分析方法，分別使用最小二乘一次擬合和二次擬合對修正前后的諧振頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果見表2。測量點(diǎn)和擬合曲線如圖8所示。

表2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果Tab.2 Analysis of calibration results

圖8 壓力傳感器校準(zhǔn)的實(shí)際測量點(diǎn)及其擬合曲線Fig.8 Test data and corresponding fitting curves during a pressure sensor calibration

計(jì)算結(jié)果顯示，無論是使用原始的壓力峰數(shù)據(jù)還是被參考峰修正過的壓力峰數(shù)據(jù)，使用最小二乘法二次擬合的結(jié)果在線性、傳感器系統(tǒng)誤差和基本誤差上都要優(yōu)于一次擬合的結(jié)果。和原始數(shù)據(jù)的處理結(jié)果相比，修正后壓力數(shù)據(jù)的重復(fù)性和遲滯更好，擬合二次曲線的線性、傳感器系統(tǒng)誤差和基本誤差也更優(yōu)。根據(jù)該款SAW壓力傳感器廠家提供的設(shè)計(jì)資料，該類型傳感器使用的算法即為修正峰值的二次擬合曲線，這點(diǎn)在本文的校準(zhǔn)結(jié)果中得到很好體現(xiàn)。

4.3 測量不確定度分析

4.3.1 測量模型

SAW壓力傳感器的輸出誤差可表示為

式中：Δf——傳感器輸出誤差；ξS——傳感器重復(fù)性誤差；ξH——傳感器遲滯誤差；ξL——傳感器線性誤差；ξLH——傳感器系統(tǒng)誤差；ΔP——標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)誤差；ΔN——網(wǎng)絡(luò)分析儀誤差；ΔAN——天線傳輸誤差；ΔT——溫度變化引入的誤差。

4.3.2 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

JJG860-2015中給出壓力傳感器的基本誤差由兩部分組成，一是傳感器的重復(fù)性，二是傳感器的系統(tǒng)誤差。在不確定度評定中將二者作為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

由重復(fù)性引起的單個循環(huán)測量不確定度分量定義為壓力傳感器在整個測量范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差s，依據(jù)JJG860-2015第7.3.8.3條，經(jīng)計(jì)算得s

u=s=1039.7Hz

傳感器的滿量程輸出值yFS為1 086 741.5Hz，因此相對不確定度為

本文校準(zhǔn)的壓力傳感器采用最小二乘法二次擬合的直線為工作直線，計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)正行程輸出值的算術(shù)平均值和反行程輸出值的算術(shù)平均值，找出其分別與工作直線相應(yīng)值之差的絕對值最大值作為系統(tǒng)誤差。認(rèn)為該誤差服從均勻分布(k=)，則相對不確定度為

4.3.3 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

將0.01級活塞壓力計(jì)(0.01%)帶來的不確定度分量視為均勻分布(k=，uB1=0.01%/=0.006%。

將網(wǎng)絡(luò)分析儀帶來的不確定度分量視為均勻分布(k=，uB2=0.0001%/≈0，可忽略。

將天線傳輸帶來的不確定度分量視為均勻分布(k=，uB3=0.008%/=0，.005%。

由于傳感器帶有溫度修正功能 校準(zhǔn)溫度變化對傳感器輸出值的影響引入的不確定度分量也很小，在常壓下觀察傳感器輸出頻率隨溫度波動的改變量，認(rèn)為其服從均勻分布，uB4=0.014%/=0.008%。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表Tab.3 Table of standard uncertainty components

4.3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.3.5 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=k×uc=1.2%。

5 結(jié)束語

本文介紹了SAW壓力傳感器的幾種類型及其工作原理，并介紹了針對這種傳感器的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法。針對某種商業(yè)SAW壓力傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果顯示，其基本誤差約為1.3%，線性約為0.7%，重復(fù)性較好，約為0.3%，但有1.1%的遲滯。這種傳感器能夠滿足一般用途的使用，如胎壓監(jiān)測。

后續(xù)工作將對更多不同類型的SAW壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，積累數(shù)據(jù)，同時考慮復(fù)雜環(huán)境對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，如振動、旋轉(zhuǎn)、高低溫等，研究SAW壓力傳感器的綜合評價(jià)方法及其指標(biāo)判定，以校準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)探索SAW傳感器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用方向，為解決航天產(chǎn)品未來傳感器小型化、智能化、集成化的需求提供技術(shù)途徑。