基于表面横波的无线无源转轴扭矩传感系统关键技术研究

Because of the difficulties of reliable power supply and signal transmission in rotational shaft torque measurement, Surface Acoustic Wave (SAW) technology is adopted to develop the passive wireless physical property type torque sensing and the measurement system. The technical problems in the theoretical foundation design of SAW torque sensor and practical application are mostly solved. An analyzing soft is designed and an accurate SAW torque sensing model including bonding layer is constructed based on the perturbation theory and the finite element technique. Employing the surface transverse wave mode and distributive gap "hiccup" resonator, the structure parameters of resonator with high loading Q value is designed by the Green function and FEM/BEM. The signal interferences caused by temperature, bending moment and vibration are suppressed through the sensitive structure with multi resonator synchronous combination, flexible support package structure which isolates thermal stress, data fusion algorithm. The test accuracy and system reliability are improved by utilizing loop slot antenna, composite synchronous excitation/detection circuit and corresponding signal processing and frequency estimating algorithm. Two kinds of prototype are developed which work in the temperature range of -20℃ ～ 85℃ with a uncertainty of measurement no more than 1%FS (k=2). The first kinds of prototype has a measurement range 10Nm～100Nm and another is 100Nm～1000Nm.

针对现有转轴扭矩测量中可靠供电和信号传输的困难，拟研究基于声表面波（SAW）技术的无线无源的物性型扭矩传感和测试系统，着力解决SAW扭矩传感器基础设计理论和提高精度的关键技术。通过偏载扰动理论和有限元技术建立包含粘接层在内的精准SAW扭矩敏感模型和分析软件；采用新型表面横波模式和分布间隙的"hiccup"谐振器结构，通过Green函数结合有限/边界元精确设计高加载Q值的谐振器结构参数；通过多谐振器同步组合敏感结构、热应力隔离的挠性支撑封装结构及数据融合处理算法抑制温度、弯矩、振动等干扰；通过采用环状缝隙天线、复合同步激励/检测电路以及与之相应的信号处理和频率估计算法提高测试精度和可靠性。通过制作量程范围为10Nm～100Nm和100Nm～1000Nm，在-20℃ ～ 85℃温度范围测量不确定度不超过1%FS (k=2)的原理样机以验证本研究结果。

项目以基于声表面波（SAW）技术的无线无源扭矩传感和测试系统为研究目标，着力解决SAW 扭矩传感器基础设计理论和提高精度的关键技术。. 1）针对SAW扭矩敏感机理和理论模型分析不够准确全面的问题，本项目通过弹性力学的有限变形理论和压电晶体的本构方程及波动方程，结合力学、电学边界条件，利用摄动理论建立了SAW扭矩敏感机理的理论模型和SAW频率偏移与扭矩载荷之间的关系模型；开发了SAW扭矩传感器切型分析软件，数值分析了不同切型的SAW扭矩灵敏度、机电耦合系数、温度系数等关键参数，综合优化确定了SAW谐振器(SAWR)石英基片切型；通过分析谐振器反射栅的反射特性、金属膜厚与机电耦合系数关系及叉指换能器输入阻抗的频响特性优化设计了SAWR的结构参数。. 2） 针对瑞利波模式的SAWR Q值普遍偏低，影响无线工作距离和回波信噪比的问题，基于表面横波(STW)的传播损耗小、STW谐振器(STWR)的Q值大，且STW外力敏感度接近SAW模式的特点，探索了STWR在扭矩测量中的应用。利用Bloch-Floquet理论、摄动理论和近似方法分析了STW扭矩灵敏度，通过数值计算及最优原则确定了STWR石英基片切型，并相应地完成了STWR结构参数的优化设计。. 3）针对SAW阅读器信号解调精度不高、解调速度慢的问题，提出并实现了基于硬件和软件结合的SAW传感器信号增强解调方法和多谐振器同步阅读射频收发系统。通过在阅读器接收单元增加限幅放大器以增加信号的动态范围和有效信号的长度，提高信号的信噪比；在软件上利用熵能量与谐振器带宽之间的关系设计了SAW有效激励检测算法，减少对无效激励的处理时间提高阅读速度；设计了自相关延拓算法和质心法分别用于延长接收信号的长度和改善SAW回波频率的估计精度。实际测试表明开发的SAW传感器的阅读器的信号解调标准差为0.28kHz，超过任务书预定的1kHz指标要求。. 4）设计了具有一定干扰补偿能力的传感器敏感结构和封装形式，制作了两种波动模式的谐振器和扭矩敏感结构，同时设计了扭矩传感器测试与实验总体方案，测试结果表明制作的SAW扭矩传感器系统在1000Nm和100Nm量程下的扭矩灵敏度分别为3.96kHz/Nm和7.32kHz/Nm，测量不确定度均为0.54%。