基于聲表面波諧振器的扭矩檢測研究
作者：黃明鏡1,陳智軍2,孫聰2,鐘明1,宿丕強1
作者單位：1. 中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院；2. 南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院
摘 要：針對當前聲表面波扭矩檢測技術(shù)在理論分析、算法設(shè)計、實驗測試方面的現(xiàn)狀和存在的問題，研究基于聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）諧振器的扭矩檢測技術(shù)聲測。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，建立拉格朗日坐標系下的應(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，基于頻分多址原理設(shè)計制作4個聲表面波諧振器。根據(jù)聲表面波諧振器的回波特性，總結(jié)諧振頻率的測量方法及特點。分別搭建靜態(tài)、動態(tài)扭矩無線檢測系統(tǒng)，靜態(tài)檢測系統(tǒng)采用掃頻測強度方法，通過“大步長粗掃”結(jié)合“小步長細掃”的掃頻方案增強實時性，并提高頻率測量精度；動態(tài)檢測系統(tǒng)采用載波頻率測量方法，通過“頻域三次樣條插值”解決頻譜分辨力不足、扭矩測量精度過低的問題。實驗結(jié)果顯示：當無線檢測距離大于20 cm、扭矩測量范圍為-80 ~ 80 N·m時，靜態(tài)檢測系統(tǒng)最大測量誤差不超過1 N·m；當無線檢測距離大于20 cm、扭矩測量范圍為0 ~ 80 N·m、轉(zhuǎn)速不高于600 r / min時，動態(tài)檢測系統(tǒng)最大測量誤差不超過3 N·m，驗證了基于聲表面波諧振器的扭矩檢測系統(tǒng)的有效性，為高精度扭矩檢測提供了新思路。
關(guān)鍵詞：聲表面波諧振器；扭矩檢測；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、結(jié)構(gòu)工藝性好等特點，其最顯著的優(yōu)點是無線無源，即在閱讀器和天線的配合下可實現(xiàn)無線傳感，且傳感器端完全不需要電源聲測。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。扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的力矩，是力對物體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效果的度量。扭矩檢測在機械制造、汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域必不可少。測量扭矩時，由于轉(zhuǎn)軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法直接使用導(dǎo)線進行測量，通常需要基于導(dǎo)電滑環(huán)、電磁耦合、無線遙測等方法實現(xiàn)測量并傳輸信號，但上述方法均存在不足。采用聲表面波技術(shù)進行扭矩測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（Surface Acoustic Wave Delay?line， SAWD）兩種類型，相較而言，SAWR小型化的上限更高，同等條件下檢測靈敏度更高，因此針對SAWR的研究也更為廣泛。
針對當前聲表面波扭矩檢測技術(shù)在理論分析、算法設(shè)計、實驗測試方面的研究現(xiàn)狀和存在的問題，開展基于聲表面波諧振器的扭矩檢測技術(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；設(shè)計4個采用頻分多址方式的SAWR，并制作相應(yīng)的傳感器線路板；分析聲表面波諧振器的回波特性，總結(jié)掃頻測強度方法、載波頻率測量方法、基帶頻率測量方法的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上，分別搭建靜態(tài)、動態(tài)扭矩無線檢測系統(tǒng)，并開展實驗對檢測效果進行驗證聲測。
為了避免轉(zhuǎn)軸彎矩對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，同時保持轉(zhuǎn)軸的動平衡狀態(tài)，在轉(zhuǎn)軸的周向相對位置對稱布置兩組差分結(jié)構(gòu)（共計4個SAWR）聲測。實際制作時，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SAWR并聯(lián)連接天線。
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。在石英晶圓上鍍膜，再通過掩膜版曝光、光刻，經(jīng)過顯影、清洗、剝離等工藝流程之后，制作出SAWR實物。
圖6 SAWR的掩膜版圖
Fig.6 Mask layout of SAWR
圖7 石英晶圓上的SAWR實物
Fig.7 SAWRs on a quartz wafer
制作傳感器線路板聲測。線路板上有兩個呈±45o方向的矩形孔，用于將兩個差分結(jié)構(gòu)的SAWR直接粘貼到轉(zhuǎn)軸上，線路板通過螺釘固定到轉(zhuǎn)軸上。SAWR的引線焊接到引線焊盤上，采用金屬管殼封裝SAWR。
圖8 傳感器線路板和粘貼聲測了SAWR的轉(zhuǎn)軸實物圖
Fig.8 Physicalimage of sensor circuit board and the shaft with SAWRs attached
SAWR的諧振頻率會隨扭矩的變化而變化，因此可以通過測量諧振頻率獲得扭矩信息聲測。當SAWR處于諧振狀態(tài)時，回波是頻率為激勵信號的頻率并按指數(shù)形式衰減的信號；當SAWR失諧時，回波是高頻載波經(jīng)差頻基帶信號調(diào)制后的信號。無論SAWR諧振頻率與激勵信號頻率是否相等，回波信號的載波頻率均為隨扭矩變化的SAWR諧振頻率。激勵信號頻率越接近SAWR諧振頻率，回波信號的能量越大；當兩者頻率不相等時，基帶調(diào)制信號的頻率為兩者的頻率之差。
圖9 SAWR諧振、失諧時的回波信號
Fig.9 Echo signal when SAWR is resonant or detuned
測量SAWR諧振頻率的方法包括：
1）掃頻測強度方法
在一定頻率范圍內(nèi)，按一定的步進頻率輪詢發(fā)射激勵信號聲測。測得不同頻率的激勵信號對應(yīng)的回波信號強度，回波強度最大時的激勵信號頻率即為SAWR諧振頻率。由于需要輪詢發(fā)射激勵信號，該方法測量速度較慢，不適用于待測對象動態(tài)變化尤其是快速變化的場景。
2）載波頻率測量方法
通過測量回波信號的載波頻率獲得SAWR諧振頻率聲測。由于載波頻率較高，實際應(yīng)用時對回波信號進行混頻，下變頻到低頻進行測量。
3）基帶頻率測量方法
通過測量回波信號的基帶調(diào)制頻率獲得激勵信號頻率與SAW諧振頻率之差，并進一步獲得諧振頻率聲測。通常情況下無法預(yù)知上述兩個頻率的大小關(guān)系，而且兩個頻率接近時，基帶頻率極小，難以準確測量，所以實際應(yīng)用場景有限。
搭建有線測試系統(tǒng)，通過臺虎鉗固定并夾緊轉(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接口連接線接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量施加扭矩時SAWR諧振頻率的變化情況聲測。采用兩組4個SAWR的差分結(jié)構(gòu)，通過測量每組的差頻變化，增加了扭矩靈敏度，體現(xiàn)了差分測量的優(yōu)勢。
圖10 有線測試實物圖
Fig.10 Diagram of wired test
搭建基于SAWR的靜態(tài)扭矩無線檢測系統(tǒng)，仍使用扭矩扳手施加扭矩，采用小型棒狀天線作為傳感器天線，閱讀器天線使用分段環(huán)狀天線聲測。閱讀器對SAWR的回波信號進行功率檢波，回波信號由高頻載波變換為相應(yīng)的功率包絡(luò)，無需進行混頻處理，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度。
圖12 靜態(tài)扭矩無線檢測系統(tǒng)實物圖
Fig.12 Diagram of static torque wireless measurement system
圖13 功率檢波前、后的回波信號
Fig.13 Echo signals before and after power detection
在對回波信號功率檢波的基礎(chǔ)上，采用掃頻測強度方法測量隨扭矩變化的SAWR的諧振頻率聲測。掃頻時步進頻率越小，測量精度越高，但存在耗時太長的問題，故采用“大步長粗掃”結(jié)合“小步長細掃”的方法：先在扭矩測量范圍對應(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)置掃頻范圍為進行細掃，最終得到準確的諧振頻率。
搭建基于SAWR的動態(tài)扭矩無線檢測系統(tǒng)，使用發(fā)電機發(fā)電及拖動試驗臺控制轉(zhuǎn)速和扭矩，以HBM標準扭矩儀測得的扭矩值作為施加扭矩，將轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器接入試驗臺，傳感器天線采用小型螺旋天線，閱讀器天線使用平板天線聲測。
圖14 動態(tài)扭矩無線檢測系統(tǒng)實物圖
Fig.14 Diagram of dynamic torque wireless measurement system
采用頻域插值的方法來提高頻譜分辨力聲測。采用三次樣條插值方法，在回波信號頻譜的2個極大值附近分別進行插值，以提高SAWR諧振頻率的測量精度。實際插值時，采用極大譜線及其左右各兩條譜線進行三次樣條插值，通過構(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式，擬合區(qū)間內(nèi)縱坐標最大值的橫坐標小數(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程聲測。基于頻分多址原理設(shè)計制作了包括兩組差分結(jié)構(gòu)的4個聲表面波諧振器，設(shè)計了便于諧振器粘貼和應(yīng)變傳遞的傳感器線路板。研究了聲表面波諧振器的回波特性，分析了掃頻測強度方法、載波頻率測量方法、基帶頻率測量方法的特點。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對聲表面波諧振器進行了有線測試，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，這是因為在應(yīng)變從轉(zhuǎn)軸傳遞到壓電基底的過程中，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。雖然上述因素對實測靈敏度有一定影響，但利用實際搭建的靜態(tài)、動態(tài)扭矩無線檢測平臺進行實驗，仍獲得了較好的測量結(jié)果，驗證了基于聲表面波諧振器的扭矩檢測系統(tǒng)的有效性。未來可通過傳感器粘貼方式改進、頻率估計算法優(yōu)化等方式，進一步提升聲表面波諧振器的扭矩測量精度，并且在理論模型中考慮粘膠對轉(zhuǎn)軸和聲表面波諧振器之間應(yīng)變傳遞過程的影響，提升理論模型準確性。
作者簡介
黃明鏡(1965—)，男，研究員，專項總師，主要研究方向為航空發(fā)動機試驗測試技術(shù)聲測。
陳智軍(1976—)，男，副教授，博士，主要研究方向為傳感器技術(shù)聲測。
課題組介紹
團隊負責人：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、樂甫波等聲學(xué)傳感器；微聲電與嵌入式系統(tǒng)；計算機測控聲測。
全文鏈接
引用格式：黃明鏡聲測，陳智軍，孫聰，等. 基于聲表面波諧振器的扭矩檢測研究［J］. 計測技術(shù)， 2024， 44（5）：57-66.
Citation：HUANG M J聲測， 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
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