宽温度范围声表面波应变传感器研究

• 作 者: 高星
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 应变传感器 声表面波 温度范围 应变分析 灵敏度

应变传感器是管道、铁路、桥梁、航空航天等结构实现健康监测的核心器件之一。声表面波(SAW Surface Acoustic Wave)应变传感器能够稳定工作在宽温度范围内，适用于特殊而复杂环境下的应变监测。现阶段，解决SAW应变传感器温度干扰的方法还并不完善，本文为解决SAW应变传感器在宽温度范围(-20℃～200℃)内的应变与温度交叉敏感问题，基于SAW应变传感器的灵敏度分析理论，提出了一种应变与温度的解耦方法,并通过实验进行了验证。　　首先，介绍声表面波应变传感器的灵敏度分析理论。根据有限元方法分析应力扰动引起SAW基片的应变变化，再结合微扰理论计算的应变系数张量，获得不同切型传感器的应变灵敏度。另外，通过计算有效介电常数提取基片上自由表面与金属表面的SAW速度，进而分析不同切型传感器的温度灵敏度。　　然后，研究SAW应变传感器的温度与应变解耦方法。采用石英基片切向为(0°，124°，-30°)、(0°，124°，-45°)以及(0°，124°，45°)的三个SAW谐振器的结构，依据上述分析理论，计算三个谐振器的温度灵敏度和应变灵敏度。建立三个谐振器频率与温度和应变的关系式，推导出基于三个谐振器频率的温度与应变解耦表达式。　　最后，在宽温度范围内，对SAW应变传感器进行测试。制作上述结构的传感器，搭建测温在-20℃～200℃的传感器频率响应测试平台，并对实验平台的稳定性进行评估。为验证理论中的温度与应变解耦方法，在实验平台下测试了SAW应变传感器的频率响应，并解耦出温度值与应变值。与参考值对比分析，解耦出的应变精度为全量程的±8.5％,温度精度为全量程的±5％,验证了此解耦方法的可行性。