基于聲表面波諧振器的扭矩檢測(cè)研究

作者：黃明鏡1,陳智軍2,孫聰2,鐘明1,宿丕強(qiáng)1

作者單位：1. 中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院；2. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院

摘 要：針對(duì)當(dāng)前聲表面波扭矩檢測(cè)技術(shù)在理論分析、算法設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，研究基于聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）諧振器的扭矩檢測(cè)技術(shù)聲測(cè)。根據(jù)扭矩在轉(zhuǎn)軸和諧振器之間以應(yīng)變形式傳遞的特點(diǎn)，建立拉格朗日坐標(biāo)系下的應(yīng)變偏載理論模型。定義頻率扭矩系數(shù)作為切型優(yōu)化的指標(biāo)，基于頻分多址原理設(shè)計(jì)制作4個(gè)聲表面波諧振器。根據(jù)聲表面波諧振器的回波特性，總結(jié)諧振頻率的測(cè)量方法及特點(diǎn)。分別搭建靜態(tài)、動(dòng)態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用掃頻測(cè)強(qiáng)度方法，通過(guò)“大步長(zhǎng)粗掃”結(jié)合“小步長(zhǎng)細(xì)掃”的掃頻方案增強(qiáng)實(shí)時(shí)性，并提高頻率測(cè)量精度；動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用載波頻率測(cè)量方法，通過(guò)“頻域三次樣條插值”解決頻譜分辨力不足、扭矩測(cè)量精度過(guò)低的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)無(wú)線(xiàn)檢測(cè)距離大于20 cm、扭矩測(cè)量范圍為-80 ~ 80 N·m時(shí)，靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)最大測(cè)量誤差不超過(guò)1 N·m；當(dāng)無(wú)線(xiàn)檢測(cè)距離大于20 cm、扭矩測(cè)量范圍為0 ~ 80 N·m、轉(zhuǎn)速不高于600 r / min時(shí)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)最大測(cè)量誤差不超過(guò)3 N·m，驗(yàn)證了基于聲表面波諧振器的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，為高精度扭矩檢測(cè)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：聲表面波諧振器；扭矩檢測(cè)；頻率扭矩系數(shù)；諧振頻率；功率檢波；三次樣條插值

文章主要內(nèi)容

SAW傳感器是一種新型傳感器，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)工藝性好等特點(diǎn)，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)無(wú)源，即在閱讀器和天線(xiàn)的配合下可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感，且傳感器端完全不需要電源聲測(cè)。SAW傳感器可用于高速旋轉(zhuǎn)等特殊狀態(tài)和易燃易爆等極端環(huán)境下的檢測(cè)。扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，是力對(duì)物體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效果的度量。扭矩檢測(cè)在機(jī)械制造、汽車(chē)工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域必不可少。測(cè)量扭矩時(shí)，由于轉(zhuǎn)軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無(wú)法直接使用導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，通常需要基于導(dǎo)電滑環(huán)、電磁耦合、無(wú)線(xiàn)遙測(cè)等方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量并傳輸信號(hào)，但上述方法均存在不足。采用聲表面波技術(shù)進(jìn)行扭矩測(cè)量可從原理上避免現(xiàn)有方法存在的不足。聲表面波器件可分為聲表面波諧振器（Surface Acoustic Wave Resonator， SAWR）和聲表面波延遲線(xiàn)（Surface Acoustic Wave Delay?line， SAWD）兩種類(lèi)型，相較而言，SAWR小型化的上限更高，同等條件下檢測(cè)靈敏度更高，因此針對(duì)SAWR的研究也更為廣泛。

針對(duì)當(dāng)前聲表面波扭矩檢測(cè)技術(shù)在理論分析、算法設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，開(kāi)展基于聲表面波諧振器的扭矩檢測(cè)技術(shù)研究，分析扭矩導(dǎo)致的壓電基底彈性常數(shù)、壓電常數(shù)、介電常數(shù)的變化，建立拉格朗日坐標(biāo)系下應(yīng)變偏載的理論模型，定義體現(xiàn)壓電材料自身扭矩敏感特性的頻率扭矩系數(shù)作為切型優(yōu)化的指標(biāo)；設(shè)計(jì)4個(gè)采用頻分多址方式的SAWR，并制作相應(yīng)的傳感器線(xiàn)路板；分析聲表面波諧振器的回波特性，總結(jié)掃頻測(cè)強(qiáng)度方法、載波頻率測(cè)量方法、基帶頻率測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，分別搭建靜態(tài)、動(dòng)態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)對(duì)檢測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證聲測(cè)。

為了避免轉(zhuǎn)軸彎矩對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，同時(shí)保持轉(zhuǎn)軸的動(dòng)平衡狀態(tài)，在轉(zhuǎn)軸的周向相對(duì)位置對(duì)稱(chēng)布置兩組差分結(jié)構(gòu)（共計(jì)4個(gè)SAWR）聲測(cè)。實(shí)際制作時(shí)，在轉(zhuǎn)軸沿軸向的中間位置銑出矩形平面，以方便SAWR的粘貼。2個(gè)SAWR并聯(lián)連接天線(xiàn)。

圖5　SAWR在轉(zhuǎn)軸上的布置方案

Fig.5　Layout scheme of SAWRs on the rotating shaft

采用Ledit軟件繪制SAWR的掩膜版圖聲測(cè)。在石英晶圓上鍍膜，再通過(guò)掩膜版曝光、光刻，經(jīng)過(guò)顯影、清洗、剝離等工藝流程之后，制作出SAWR實(shí)物。

圖6　SAWR的掩膜版圖

Fig.6　Mask layout of SAWR

圖7　石英晶圓上的SAWR實(shí)物

Fig.7　SAWRs on a quartz wafer

制作傳感器線(xiàn)路板聲測(cè)。線(xiàn)路板上有兩個(gè)呈±45o方向的矩形孔，用于將兩個(gè)差分結(jié)構(gòu)的SAWR直接粘貼到轉(zhuǎn)軸上，線(xiàn)路板通過(guò)螺釘固定到轉(zhuǎn)軸上。SAWR的引線(xiàn)焊接到引線(xiàn)焊盤(pán)上，采用金屬管殼封裝SAWR。

圖8　傳感器線(xiàn)路板和粘貼聲測(cè)了SAWR的轉(zhuǎn)軸實(shí)物圖

Fig.8　Physicalimage of sensor circuit board and the shaft with SAWRs attached

SAWR的諧振頻率會(huì)隨扭矩的變化而變化，因此可以通過(guò)測(cè)量諧振頻率獲得扭矩信息聲測(cè)。當(dāng)SAWR處于諧振狀態(tài)時(shí)，回波是頻率為激勵(lì)信號(hào)的頻率并按指數(shù)形式衰減的信號(hào)；當(dāng)SAWR失諧時(shí)，回波是高頻載波經(jīng)差頻基帶信號(hào)調(diào)制后的信號(hào)。無(wú)論SAWR諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率是否相等，回波信號(hào)的載波頻率均為隨扭矩變化的SAWR諧振頻率。激勵(lì)信號(hào)頻率越接近SAWR諧振頻率，回波信號(hào)的能量越大；當(dāng)兩者頻率不相等時(shí)，基帶調(diào)制信號(hào)的頻率為兩者的頻率之差。

圖9　SAWR諧振、失諧時(shí)的回波信號(hào)

Fig.9　Echo signal when SAWR is resonant or detuned

測(cè)量SAWR諧振頻率的方法包括：

1）掃頻測(cè)強(qiáng)度方法

在一定頻率范圍內(nèi)，按一定的步進(jìn)頻率輪詢(xún)發(fā)射激勵(lì)信號(hào)聲測(cè)。測(cè)得不同頻率的激勵(lì)信號(hào)對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)強(qiáng)度，回波強(qiáng)度最大時(shí)的激勵(lì)信號(hào)頻率即為SAWR諧振頻率。由于需要輪詢(xún)發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，該方法測(cè)量速度較慢，不適用于待測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)變化尤其是快速變化的場(chǎng)景。

2）載波頻率測(cè)量方法

通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)的載波頻率獲得SAWR諧振頻率聲測(cè)。由于載波頻率較高，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行混頻，下變頻到低頻進(jìn)行測(cè)量。

3）基帶頻率測(cè)量方法

通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)的基帶調(diào)制頻率獲得激勵(lì)信號(hào)頻率與SAW諧振頻率之差，并進(jìn)一步獲得諧振頻率聲測(cè)。通常情況下無(wú)法預(yù)知上述兩個(gè)頻率的大小關(guān)系，而且兩個(gè)頻率接近時(shí)，基帶頻率極小，難以準(zhǔn)確測(cè)量，所以實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景有限。

搭建有線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)臺(tái)虎鉗固定并夾緊轉(zhuǎn)軸的底部，使用扭矩扳手在轉(zhuǎn)軸的頂部施加扭矩，采用IPX轉(zhuǎn)SMA接口連接線(xiàn)接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量施加扭矩時(shí)SAWR諧振頻率的變化情況聲測(cè)。采用兩組4個(gè)SAWR的差分結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量每組的差頻變化，增加了扭矩靈敏度，體現(xiàn)了差分測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。

圖10　有線(xiàn)測(cè)試實(shí)物圖

Fig.10　Diagram of wired test

搭建基于SAWR的靜態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，仍使用扭矩扳手施加扭矩，采用小型棒狀天線(xiàn)作為傳感器天線(xiàn)，閱讀器天線(xiàn)使用分段環(huán)狀天線(xiàn)聲測(cè)。閱讀器對(duì)SAWR的回波信號(hào)進(jìn)行功率檢波，回波信號(hào)由高頻載波變換為相應(yīng)的功率包絡(luò)，無(wú)需進(jìn)行混頻處理，直接采用微控制器自帶的2.4 MHz采樣頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器即可得到回波強(qiáng)度。

圖12　靜態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

Fig.12　Diagram of static torque wireless measurement system

圖13　功率檢波前、后的回波信號(hào)

Fig.13　Echo signals before and after power detection

在對(duì)回波信號(hào)功率檢波的基礎(chǔ)上，采用掃頻測(cè)強(qiáng)度方法測(cè)量隨扭矩變化的SAWR的諧振頻率聲測(cè)。掃頻時(shí)步進(jìn)頻率越小，測(cè)量精度越高，但存在耗時(shí)太長(zhǎng)的問(wèn)題，故采用“大步長(zhǎng)粗掃”結(jié)合“小步長(zhǎng)細(xì)掃”的方法：先在扭矩測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)的SAWR頻率變化范圍內(nèi)粗掃，得到大致的諧振頻率；再以該頻率為中心，設(shè)置掃頻范圍為進(jìn)行細(xì)掃，最終得到準(zhǔn)確的諧振頻率。

搭建基于SAWR的動(dòng)態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，使用發(fā)電機(jī)發(fā)電及拖動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制轉(zhuǎn)速和扭矩，以HBM標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀測(cè)得的扭矩值作為施加扭矩，將轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器接入試驗(yàn)臺(tái)，傳感器天線(xiàn)采用小型螺旋天線(xiàn)，閱讀器天線(xiàn)使用平板天線(xiàn)聲測(cè)。

圖14　動(dòng)態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

Fig.14　Diagram of dynamic torque wireless measurement system

采用頻域插值的方法來(lái)提高頻譜分辨力聲測(cè)。采用三次樣條插值方法，在回波信號(hào)頻譜的2個(gè)極大值附近分別進(jìn)行插值，以提高SAWR諧振頻率的測(cè)量精度。實(shí)際插值時(shí)，采用極大譜線(xiàn)及其左右各兩條譜線(xiàn)進(jìn)行三次樣條插值，通過(guò)構(gòu)建三彎矩方程，結(jié)合自然邊界條件，從而唯一確定每段擬合的三階多項(xiàng)式，擬合區(qū)間內(nèi)縱坐標(biāo)最大值的橫坐標(biāo)小數(shù)部分即為歸一化頻率偏差的值。

圖15　頻域插值原理

Fig.15　Frequency domain interpolation principle

結(jié)論與展望

基于拉格朗日坐標(biāo)系下應(yīng)變偏載的理論模型，仿真分析了諧振頻率隨轉(zhuǎn)軸扭矩變化而變化的過(guò)程聲測(cè)?；陬l分多址原理設(shè)計(jì)制作了包括兩組差分結(jié)構(gòu)的4個(gè)聲表面波諧振器，設(shè)計(jì)了便于諧振器粘貼和應(yīng)變傳遞的傳感器線(xiàn)路板。研究了聲表面波諧振器的回波特性，分析了掃頻測(cè)強(qiáng)度方法、載波頻率測(cè)量方法、基帶頻率測(cè)量方法的特點(diǎn)。通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)聲表面波諧振器進(jìn)行了有線(xiàn)測(cè)試，其靈敏度與理論仿真值相比偏低，且不同諧振器之間的靈敏度存在一定差距，這是因?yàn)樵趹?yīng)變從轉(zhuǎn)軸傳遞到壓電基底的過(guò)程中，膠水的存在和粘貼方式的不同影響了靈敏度，且諧振器的粘貼位置也存在誤差。雖然上述因素對(duì)實(shí)測(cè)靈敏度有一定影響，但利用實(shí)際搭建的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)扭矩?zé)o線(xiàn)檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仍獲得了較好的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了基于聲表面波諧振器的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。未來(lái)可通過(guò)傳感器粘貼方式改進(jìn)、頻率估計(jì)算法優(yōu)化等方式，進(jìn)一步提升聲表面波諧振器的扭矩測(cè)量精度，并且在理論模型中考慮粘膠對(duì)轉(zhuǎn)軸和聲表面波諧振器之間應(yīng)變傳遞過(guò)程的影響，提升理論模型準(zhǔn)確性。

作者簡(jiǎn)介

黃明鏡(1965—)，男，研究員，專(zhuān)項(xiàng)總師，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)聲測(cè)。

陳智軍(1976—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)聲測(cè)。

課題組介紹

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人：陳智軍（副教授）

主要成員：孫聰（碩士生）、程穎（碩士生）、周鵬（碩士生）、劉清睿（碩士生）

研究方向：聲表面波、蘭姆波、樂(lè)甫波等聲學(xué)傳感器；微聲電與嵌入式系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)測(cè)控聲測(cè)。

全文鏈接

引用格式：黃明鏡聲測(cè)，陳智軍，孫聰，等. 基于聲表面波諧振器的扭矩檢測(cè)研究［J］. 計(jì)測(cè)技術(shù)， 2024， 44（5）：57-66.

Citation：HUANG M J聲測(cè)， CHEN Z J， SUN C， et al. Research on torque measurement based on surface acoustic wave resonators［J］. Metrology & Measurement Technology， 2024， 44（5）：57-66.

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供稿：陳智軍

編輯：劉圣晨、劉宇軒

排版：馬鶴偉

審核：韓冰

長(zhǎng)