聲表面波扭矩檢測系統(tǒng)的分段環(huán)狀天線設(shè)計(jì)

熊志強(qiáng), 陳智軍, 孫 聰, 朱衛(wèi)俊, 郭佳佳

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

扭矩檢測是對(duì)各種非旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件上扭轉(zhuǎn)力矩的檢測。目前扭矩檢測常采用導(dǎo)電滑環(huán)、電磁耦合或有源無線等方式供給能量和傳輸信號(hào)，存在測量精度低、使用壽命短、高溫高壓條件下易燃易爆等問題[1-3]。聲表面波(SAW)傳感技術(shù)以其無源本質(zhì)和無線功能進(jìn)行扭矩檢測，在閱讀器和天線的配合下可以實(shí)現(xiàn)能量的可靠供給和信號(hào)的有效傳輸[4]。閱讀器天線是SAW扭矩檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

本文針對(duì)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)展開閱讀器天線的仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種適用于圓柱轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的水平全向性環(huán)狀天線。環(huán)狀天線按輻射體尺寸大小可分為電大環(huán)和電小環(huán)[5]，根據(jù)SAW扭矩檢測系統(tǒng)的工作頻段和轉(zhuǎn)軸大小選擇電大環(huán)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，但電大環(huán)在環(huán)內(nèi)各處導(dǎo)體的電流幅值和相位差異較大，天線的全向性將受到影響[6]。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種用于SAW扭矩檢測的電大環(huán)天線，調(diào)諧電容將兩段輻射體連接構(gòu)成圓環(huán)，全向性較差。本文將天線導(dǎo)體分割成若干段，各段重疊一定角度以代替電容，這樣可以通過調(diào)整重疊角度的方式減小電流相位變動(dòng)[8]，從而增強(qiáng)天線的全向性。仿真與測試結(jié)果均表明，分段環(huán)狀天線具有較好的全向性，滿足無線無源SAW扭矩檢測系統(tǒng)的需求。

1 聲表面波扭矩檢測原理

SAW扭矩傳感以SAW諧振器作為傳感器感應(yīng)扭矩產(chǎn)生的彈性應(yīng)變。SAW諧振器主要由壓電基底、叉指換能器(IDT)和反射柵組成，SAW扭矩檢測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。閱讀器產(chǎn)生高頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)閱讀器天線、傳感器天線傳輸?shù)絀DT上，再通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)出SAW沿壓電基底表面向兩側(cè)傳播；SAW經(jīng)過多次相干反射疊加，在反射柵和壓電基底共同構(gòu)成的聲學(xué)諧振腔內(nèi)形成駐波反射回IDT，再經(jīng)壓電效應(yīng)后通過傳感器天線將回波信號(hào)以電磁波形式發(fā)射出去；閱讀器收到后進(jìn)行信號(hào)處理，得到與應(yīng)變相關(guān)的諧振頻率，進(jìn)而得到相應(yīng)扭矩值。

圖1 SAW扭矩檢測系統(tǒng)

當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到扭矩M作用時(shí)，傳感器與轉(zhuǎn)軸的軸向呈±45°粘貼，可以將轉(zhuǎn)軸橫截面受到的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)換成傳感器受到的正應(yīng)力[9]。扭矩測量采用差分方案，在轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置粘貼兩組差分型共4個(gè)SAW傳感器，以提高靈敏度并消除彎矩影響[10]，1#、2#、3#、4#傳感器粘貼位置示意圖如圖2所示。由于SAW扭矩傳感器和傳感器天線固定在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，為使閱讀器能在轉(zhuǎn)軸靜態(tài)或動(dòng)態(tài)工作條件下有效地接收傳感器回波信號(hào)，本文擬設(shè)計(jì)水平全向性分段環(huán)狀天線作為閱讀器天線。

圖2 傳感器粘貼方案示意圖

2 分段環(huán)狀天線仿真

根據(jù)SAW扭矩檢測系統(tǒng)需求，4個(gè)傳感器中心頻率分別為431 MHz、433 MHz、435 MHz和437 MHz，且各占2 MHz帶寬。本文擬設(shè)計(jì)中心頻率約為434 MHz的分段環(huán)狀天線，帶寬能夠覆蓋430～438 MHz頻段，輸入阻抗約為50 Ω，天線所在平面應(yīng)具有良好的全向性。

使用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)分段環(huán)狀天線進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。為便于采用PCB工藝制作天線，基底材料選用環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸直徑為?25 mm，為與該尺寸相匹配，設(shè)置分段環(huán)狀天線的基底內(nèi)徑(d1)為?100 mm、外徑(d2)為?160 mm，厚度(H)為0.8 mm。天線的輻射體材料選用金屬銅，輻射體厚度(h)為0.035 mm。由于距輻射體饋電點(diǎn)1/4波長處電流相位會(huì)產(chǎn)生突變[11]，因此每段輻射體長度應(yīng)小于波長的1/4。本文選擇把天線輻射體分為6段，相鄰的輻射體段重疊一定角度，即θ1、θ2、θ3、θ4、θ5。為使天線工作在特定頻率，輻射體周長需要與天線的波長對(duì)應(yīng)。所需設(shè)計(jì)的天線中心頻率為434 MHz，分別只在自由空間和基底介質(zhì)中傳播，對(duì)應(yīng)的波長約為691 mm和346 mm。因此，天線輻射體的周長應(yīng)為346～691 mm，輻射體半徑(r)為55～110 mm，仿真優(yōu)化前初步設(shè)置r=62.5 mm，輻射體寬度w=4 mm。

圖3 分段環(huán)狀天線結(jié)構(gòu)

首先對(duì)各段輻射體重疊角度進(jìn)行仿真以優(yōu)化天線的全向性能。因?yàn)榕ぞ貦z測系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸采用金屬導(dǎo)體，且處于天線感應(yīng)場區(qū)，天線和轉(zhuǎn)軸將發(fā)生相互耦合而產(chǎn)生互阻抗，所以仿真時(shí)需加入轉(zhuǎn)軸模型，如圖4所示。

圖4 分段環(huán)狀天線和轉(zhuǎn)軸模型

分別設(shè)置圖3中重疊角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5，在0～20°時(shí)每隔1°仿真得到xy平面的輻射方向圖。為提高對(duì)稱性，設(shè)置θ1和θ5、θ2和θ4處的角度相同。仿真過程中幾種不同重疊角度對(duì)應(yīng)的xy平面(對(duì)應(yīng)HFSS中球坐標(biāo)系下俯仰面θ=90°、0°≤φ≤360°的平面)輻射方向圖如圖5所示。由圖可知，重疊角度不同時(shí)，天線的整體增益大小及增益最大值與最小值之差均不相同。當(dāng)θ1、θ2、θ3、θ4、θ5分別為10°、5°、5°、5°、10°時(shí)，增益最大值約為-3.14 dB，最小值約為-3.79 dB，相差約0.65 dB，整體增益較高且增益變化最小。因此，最終將分段環(huán)狀天線的θ1、θ2、θ3、θ4、θ5設(shè)置為10°、5°、5°、5°、10°，可實(shí)現(xiàn)天線在具有高輻射效率的同時(shí)具有良好的全向性。

圖5 輻射體段不同重疊角度對(duì)應(yīng)的xy平面輻射方向圖

天線的中心頻率主要由輻射體長度決定，因此需對(duì)r進(jìn)行參數(shù)化掃描以仿真優(yōu)化。粗調(diào)后將r的掃描范圍設(shè)置為60.0～64.5 mm，步長為0.5 mm，回波損耗仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可知，天線的中心頻率隨r的增大而減小，當(dāng)r=60.5 mm時(shí)，天線中心頻率為432 MHz，接近設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 輻射體半徑參數(shù)化掃描回波損耗變化

然后對(duì)w進(jìn)行參數(shù)化掃描，以調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗使其實(shí)現(xiàn)接近50 Ω的阻抗匹配要求。設(shè)置r為60.5 mm，w的掃描范圍為3.0～3.9 mm，步長為0.1 mm，輸入阻抗和回波損耗仿真結(jié)果分別如表1和圖7所示。由表1可知，天線的輸入阻抗隨w增大而增大。從圖7可看出，天線中心頻率也受到一定程度的影響，隨著w的增大而減小。當(dāng)w=3.6 mm時(shí)，天線的輸入阻抗為(49.51+j1.03) Ω，接近50 Ω，中心頻率為434 MHz，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 輻射體寬度參數(shù)化掃描輸入阻抗變化

圖7 輻射體寬度參數(shù)化掃描回波損耗變化

最終通過仿真優(yōu)化得到的分段環(huán)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真得到的優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)可知，天線的中心頻率為434 MHz，以-10 dB為上限可以確定天線帶寬為424～444 MHz，覆蓋了SAW扭矩檢測系統(tǒng)430～438 MHz的工作頻帶范圍；由圖8(b)、(c)可知，天線的輸入阻抗為(49.51+j1.03) Ω，對(duì)應(yīng)的歸一化阻抗為0.99+j0.02，基本滿足天線輸入阻抗的設(shè)計(jì)要求；由圖8(d)可知，天線在xy平面各方向的增益較一致，最大處與最小處相差0.67 dB，基本符合全向性的設(shè)計(jì)要求。

表2 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果

圖8 根據(jù)優(yōu)化的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的仿真結(jié)果

3 分段環(huán)狀天線測試

根據(jù)表1的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果，使用Altium Designer軟件繪制分段環(huán)狀天線并制作實(shí)物如圖9所示。

圖9 實(shí)際制作的分段環(huán)狀天線

將分段環(huán)狀天線的饋電端焊上射頻頭，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測試天線的回波損耗和輸入阻抗，測試時(shí)將轉(zhuǎn)軸放置到天線內(nèi)部，結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可知，天線的中心頻率為431.6 MHz，帶寬為424～440 MHz，雖然與仿真結(jié)果相比有差異，但可以覆蓋SAW扭矩檢測系統(tǒng)430～438 MHz的工作頻帶，滿足帶寬要求；由圖10(b)可知，天線的輸入阻抗為(54.31-j2.42) Ω，接近50 Ω，基本滿足輸入阻抗要求，不需要額外設(shè)計(jì)包括電容、電感的阻抗匹配電路。

圖10 天線測試結(jié)果

使用VNA的端口1、2分別連接分段環(huán)狀天線和SAW傳感器所采用的小型棒狀天線，將小型棒狀天線置于環(huán)狀天線中心處并保持靜止，旋轉(zhuǎn)環(huán)狀天線改變其饋電端口與初始位置的相對(duì)角度，通過測量不同角度下的傳輸系數(shù)來驗(yàn)證天線的全向性。全向性測試結(jié)果如圖11所示，分段環(huán)狀天線所在平面?zhèn)鬏斚禂?shù)最大為-24.1 dB，最小為-26.0 dB，兩者相差1.9 dB，具有較好的全向性。

圖11 天線全向性測試結(jié)果

4 扭矩檢測系統(tǒng)測試

SAW扭矩檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。本系統(tǒng)使用表盤式雙向扭矩扳手施加扭矩，其量程為-100～100 N·m，精度±1%。將表盤示值作為轉(zhuǎn)軸扭矩的真值，用于分析扭矩檢測的誤差。閱讀器天線使用本文設(shè)計(jì)的分段環(huán)狀天線。無線測試時(shí)，閱讀器測量每個(gè)傳感器在加載扭矩下的諧振頻率，并換算成相應(yīng)的扭矩值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中顯示。扭矩測量結(jié)果如表3所示。由表可知，在-80～80 N·m時(shí)，實(shí)測扭矩與施加扭矩的滿量程誤差為2.5%。結(jié)果表明，包括該閱讀器分段環(huán)狀天線的SAW扭矩檢測系統(tǒng)可較準(zhǔn)確地測量扭矩。

圖12 扭矩檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表3 扭矩測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對(duì)SAW扭矩檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種用于轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的分段環(huán)狀天線，通過HFSS仿真優(yōu)化了天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并實(shí)際制作與測試了天線實(shí)物和SAW扭矩檢測系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，天線中心頻率為431.6 MHz，帶寬424～440 MHz，可以覆蓋SAW扭矩檢測系統(tǒng)430～438 MHz的工作頻帶范圍；輸入阻抗為(54.31-j2.42) Ω，接近50 Ω，基本滿足輸入阻抗要求，無需額外設(shè)計(jì)阻抗匹配電路；天線所在平面的全向性較好，不同角度下傳輸系數(shù)最大值與最小值相差1.9 dB。包括該分段環(huán)狀天線的SAW扭矩檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較好的扭矩測量效果，在-80～80 N·m時(shí)的滿量程誤差為2.5%。