聲表面波扭矩傳感器的原理及應(yīng)用綜述*

李志鵬， 孟 旭， 張 超， 王博男

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

扭矩是反映轉(zhuǎn)動(dòng)工作系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要參數(shù)之一，扭矩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)在航空航天、載運(yùn)工具、機(jī)械設(shè)備等眾多領(lǐng)域中擁有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著更多高溫、高污染、高輻射等惡劣工作環(huán)境的出現(xiàn)，非接觸、小型化、無(wú)源化的扭矩測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)?；诼暠砻娌?surface acoustic wave,SAW)原理的扭矩測(cè)量方式與以往傳統(tǒng)的扭矩測(cè)量方式相比，具有無(wú)源無(wú)線、信號(hào)處理簡(jiǎn)單方便、可大批量生產(chǎn)、尺寸小、抗輻射能力強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，特別符合現(xiàn)代通信系統(tǒng)與傳感系統(tǒng)對(duì)傳感器微型化、數(shù)字化、高頻化、高可靠性等方面的要求，目前已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注與研究的內(nèi)容[2]。

本文主要基于目前SAW扭矩傳感器的相關(guān)理論與發(fā)展及主要應(yīng)用進(jìn)行全面綜述，包括SAW扭矩傳感器的工作原理，相關(guān)理論與建模，應(yīng)用領(lǐng)域及制約因素等。

1 SAW扭矩傳感器

1.1 SAW及其分析模型

1885年，英國(guó)物理學(xué)家Rayleigh L在倫敦?cái)?shù)學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)論文[3]。該篇論文首次提出了一種除縱波與橫波外，沿著無(wú)限均勻各向同性彈性體平面?zhèn)鞑サ牟▌?dòng)行為，人們稱(chēng)之為SAW。SAW器件的理論分析模型大體上可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是唯象模型，它是參考了其他領(lǐng)域內(nèi)的模型與概念進(jìn)行類(lèi)比分析，能夠獲得相近的計(jì)算結(jié)果，實(shí)用性很好，例如δ函數(shù)模型、耦合模(coupling mode,COM)模型、P矩陣模型等[4]；第二類(lèi)是精確模擬模型，從最基本的波動(dòng)方程和有限定邊界條件入手，嚴(yán)格進(jìn)行公式推導(dǎo)求出系統(tǒng)的確切解，利用這種方法可以得到精確且可靠的結(jié)果，例如格林函數(shù)法、有限元法等[5]。除理論分析模型之外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)與完善也大大加快了SAW器件的模擬與仿真工作[6]。

1.2 SAW扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與工作模式

SAW傳感器按結(jié)構(gòu)類(lèi)型大致可以分為測(cè)量溫度、濕度與氣體濃度等的延遲線型SAW傳感器及測(cè)量壓力、振動(dòng)與扭矩等的諧振型SAW傳感器[8]。

單端對(duì)SAW諧振器由在壓電基底、叉指換能器、反射柵及吸聲條構(gòu)成。叉指換能器激發(fā)出的聲表面波如果遇到按一定周期排布的反射柵后，入射聲波與反射聲波相互疊加，會(huì)在換能器與反射柵之間以駐波的形式進(jìn)行傳播。

1.3 SAW扭矩傳感器的工作原理

SAW諧振器的原始固有中心頻率f0是由SAW傳播速度v0和SAW傳播波長(zhǎng)λ0兩個(gè)參數(shù)共同決定的

(1)

當(dāng)有一個(gè)外力P施加在SAW諧振器兩端時(shí)(拉伸或壓縮)，諧振器發(fā)生形變，可以計(jì)算出發(fā)生形變后的SAW諧振器中心頻率

(2)

式中K′為材料常數(shù)，ε為應(yīng)變量。因?yàn)棣诺牧考?jí)比較小，一般小于10-3，此時(shí)可以得到中心頻率變化量的近似值

f(ε)=f0ε(K′-1)+f0≈f0(1-K′ε)

(3)

又根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論[7]可以知道當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到扭矩M的作用時(shí)，與主軸線方向相差45°,135°方向上只受到最大拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力的作用，此時(shí)軸體上最大壓應(yīng)變與拉應(yīng)變?yōu)?/p>

(4)

式中E為材料的彈性模量，μ為材料的泊松比，M為扭矩。

由式(3)和式(4)可以得到轉(zhuǎn)軸所受扭矩M與諧振器頻率改變量Δf之間的關(guān)系

(5)

由式(5)可知，當(dāng)SAW諧振器制造成型后原始固有中心頻率f0定值，當(dāng)該諧振器所依附轉(zhuǎn)軸受到扭矩M作用時(shí)，其中心頻率改變量Δf與M之間線性相關(guān)，式中正負(fù)號(hào)僅代表此時(shí)所受應(yīng)力方向。

2 SAW扭矩傳感器的應(yīng)用

2.1 SAW扭矩傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩測(cè)量往往通過(guò)滑環(huán)、變壓器、供電電源[8]三種方式進(jìn)行能量供給或信號(hào)傳輸。滑環(huán)屬于接觸式測(cè)量，觸頭容易出現(xiàn)斷裂、燒蝕、噪音大等問(wèn)題；變壓器及其線圈需要根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或要求進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)與測(cè)試，對(duì)安裝的要求比較高；供電電源模塊雖然是無(wú)線傳感系統(tǒng)，但是使用壽命較其余二者低，且需要特殊的防高、低溫處理，后期保養(yǎng)成本較高。陳智軍針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種基于SAW扭矩傳感器的無(wú)源無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)[9]，系統(tǒng)由上位機(jī)、控制器、閱讀器、環(huán)狀與棒狀天線、SAW扭矩傳感器、彈性體軸等組成。通過(guò)試驗(yàn)，在一定程度上解決了供電與信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)睦щy。

2.2 SAW扭矩傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

種植義齒，因其更接近于自然牙且適用性廣泛的特點(diǎn)，受到越來(lái)越多患者的青睞。傳統(tǒng)的種植體穩(wěn)定性判斷一般采用物理測(cè)試與影像學(xué)觀察兩種方法。共振頻率測(cè)量技術(shù)只能反映出種植體抵抗側(cè)向力的能力，若要研究種植體抵抗扭轉(zhuǎn)的能力，需要進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，無(wú)法在臨床中使用。王光宗針對(duì)這一問(wèn)題，基于SAW扭矩傳感器提出了一種牙床種植體扭矩測(cè)量方法[10]。作者基于瑞士Straumann公司的ITI種植體系統(tǒng)，對(duì)種植體進(jìn)行基于SAW扭矩傳感器改造，對(duì)包含信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理電路以及頻率計(jì)模塊的后處理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該項(xiàng)研究極大拓展了SAW扭矩傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用環(huán)境。

2.3 SAW扭矩傳感器在載運(yùn)工具領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

2.3.1 在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

船舶的傳動(dòng)系統(tǒng)所處工作環(huán)境相對(duì)惡劣，空間狹小、高溫、高濕度、大幅震動(dòng)、污染物侵蝕等都會(huì)對(duì)其在進(jìn)行扭矩測(cè)量時(shí)造成相當(dāng)大的阻礙，除此之外，還需要解決不定向、不定速旋轉(zhuǎn)單元與固定測(cè)量單元之間的信號(hào)傳輸問(wèn)題，以及傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定供電等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，徐繼輝提出了基于SAW扭矩傳感器的船舶傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量系統(tǒng)，在研究中，作者采用兩個(gè)單端口諧振器構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭矩測(cè)量，然后探討了扭矩傳感實(shí)現(xiàn)過(guò)程中外界環(huán)境、安裝位置、天線距離等外部因素的影響，并設(shè)計(jì)了兩種方便、經(jīng)濟(jì)且可靠的的數(shù)字信號(hào)處理與頻率分析方法[11]。任姝在兩個(gè)單端口諧振器構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)SAW溫度傳感器以進(jìn)一步降低環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的影響，利用ANSYS有限元分析軟件著重分析了多層結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力傳遞效果，確定了不同厚度的膠粘劑對(duì)應(yīng)力傳遞的損耗影響，最后提出了一種基于Welch法的M-Rife算法作為頻率估計(jì)算法[12]。

2.3.2 在汽車(chē)傳動(dòng)軸領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車(chē)在行駛過(guò)程中，會(huì)遇到各種各樣的臨時(shí)情況，所以需要駕駛員時(shí)刻保持警惕以應(yīng)付轉(zhuǎn)彎、加速、減速、緊急制動(dòng)等突發(fā)狀況，而汽車(chē)傳動(dòng)軸也會(huì)在此時(shí)受到額外的瞬間扭矩作用，準(zhǔn)確與及時(shí)的扭矩測(cè)量與監(jiān)控對(duì)于保護(hù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)都有著至關(guān)重要的作用與意義。張海濤采用120°對(duì)稱(chēng)間隔布置的無(wú)線信號(hào)收發(fā)天線解決了SAW扭矩傳感器信號(hào)的繞射現(xiàn)象，模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)得SAW扭矩傳感器靈敏度為1.15 kHz/(N·m)[13]。

2.3.3 在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)安全級(jí)別要求最高的系統(tǒng)之一，其性能的優(yōu)劣直接影響著整車(chē)的安全性與舒適性。李志鵬在詳細(xì)研究了市場(chǎng)上應(yīng)用在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(electric power stee-ring，EPS)系統(tǒng)上的扭矩傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出了基于SAW扭矩傳感器的新型EPS扭矩測(cè)量系統(tǒng)，并著重對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理電路進(jìn)行了深入的研究與分析[14]。李志鵬針對(duì)EPS系統(tǒng)易受環(huán)境因素干擾(溫度、振動(dòng)等)的問(wèn)題，結(jié)合SAW扭矩傳感器，提出了一種可以消除溫度影響的EPS用SAW扭矩傳感器設(shè)計(jì)方案[4]。劉芳悅對(duì)EPS系統(tǒng)用SAW無(wú)線無(wú)源扭矩測(cè)量系統(tǒng)的回波信號(hào)進(jìn)行了建模與估計(jì)，提出了集合Welch算法和Quinn算法的改進(jìn)型M-Rife算法，可以快速計(jì)算出較為準(zhǔn)確的頻率值[15]。

3 制約SAW扭矩傳感器發(fā)展的因素

3.1 SAW諧振器基底材料與結(jié)構(gòu)

1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)至今，壓電材料的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，通常將應(yīng)用于SAW器件的壓電材料分為三類(lèi)，包括壓電單晶體(如石英、鈮酸鋰等)、壓電陶瓷(如鈦鋯酸鉛陶瓷等)、壓電薄膜(如氧化鋅薄膜、氮化鋁薄膜等)[16]。目前，SAW扭矩傳感器所使用的壓電基底均為石英基片[17]。該切型下的石英基片機(jī)電耦合系數(shù)小、中心頻率未達(dá)到吉赫茲(GHz)級(jí)別且易外界溫度的干擾，這樣的性能已漸漸無(wú)法匹配現(xiàn)在主流SAW器件高頻、高穩(wěn)定性的要求。隨著壓電薄膜制備工藝及設(shè)備的完善，各種可改性的壓電薄膜被制備出來(lái)。與固定性能參數(shù)的壓電單晶體相比電薄膜材料可以通過(guò)調(diào)整制備工藝、薄膜厚度與摻雜成分的配比來(lái)獲得更為合適的SAW性能參數(shù)。此外，由于SAW在傳播過(guò)程中能量主要集中在表面下1～2個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所以將壓電薄膜的厚度制作成1個(gè)SAW的波長(zhǎng)，就可以不再使用壓電單晶體或壓電陶瓷來(lái)制作基片，而是可以使用類(lèi)似玻璃一樣便宜又無(wú)壓電特性的材料，同樣也可以獲得高性能的SAW器件。

3.2 IDT材料

金屬薄膜IDT的微觀結(jié)構(gòu)與表面形貌均直接影響SAW器件的性能與穩(wěn)定性。由于SAW器件的制作過(guò)程與半導(dǎo)體器件相似，又因?yàn)锳l薄膜導(dǎo)電性好、密度小，容易制備成極細(xì)的叉指指條，所以其被廣泛用作IDT的制備材料。但是當(dāng)SAW器件工作于高頻段時(shí)(大于1 GHz)，則需要更加細(xì)小的叉指指條，而來(lái)自壓電材料表面的往復(fù)力卻隨著工作頻率急劇增加，從而導(dǎo)致Al材質(zhì)的叉指指條斷裂或短路。另一方面，高頻電子元器件產(chǎn)生的高溫也會(huì)導(dǎo)致Al材料融化，從而導(dǎo)致SAW器件的損壞。雖然Al材料有著這些缺陷，但是目前仍然沒(méi)有一種金屬或合金能夠完全取代，因此高性能的SAW器件往往是通過(guò)對(duì)Al材料的性能改進(jìn)來(lái)制備的。通常的改進(jìn)方法包括：1)改進(jìn)Al薄膜制備工藝；2)在制備Al薄膜前制備一層過(guò)渡層；3)摻雜其他微量元素制備Al合金薄膜。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著SAW扭矩傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的增多，SAW扭矩傳感器必然面臨著更為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境以及更為嚴(yán)苛的性能要求。未來(lái)的SAW扭矩傳感器應(yīng)該向著微型化、高頻化、高精度、智能化、高可靠性等方面發(fā)展。具體如：嘗試制備SAW MEMS扭矩傳感器；開(kāi)展層狀SAW扭矩傳感器相關(guān)結(jié)構(gòu)的理論研究；為避免破壞旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，嘗試制備柔性材料為基底的SAW扭矩傳感器；為了適應(yīng)更為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，繼續(xù)加強(qiáng)原有材料與工藝的優(yōu)化的同時(shí)研究新材料與新工藝。