声表面波扭矩无线测量系统的研究

　　1　引　　言

　　转动动力传输是大型复杂回转机械系统动力传输的重要组成部分,对其进行扭矩动态监控是其可靠高效运行的重要措施。利用环形泄漏缝隙天线阵作为发射接收途径,对旋转机构上的SAW传感器无线供给激励并接收返回测量信号,解决了一般旋转机构上天线发射出的无线电波因旋转产生的盲区、多普勒频移等难以控制的问题,实现对生产设备实时监测[1～2]。

　　2　测量原理

　　声表面波(SAW)传感器具有体积小、精度高、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。SAW振荡器是SAW传感器的关键部分,结构如图1所示。

　　SAW谐振器工作在30M～3GHz范围,可直接将射频电磁波转换成SAW或将SAW转换成射频电磁波,无需电源供能。这一特性使得以SAW谐振器为传感元的SAW传感器可以实现无源、无线传感,在无源无线单端对SAW谐振器型传感器中间歇发送脉冲信号到传感元,在两次发送间歇接收被传感元返回的回波信号,该信号是受被测量调制的瞬态输出信号,是以谐振器谐振频率振荡的衰减信号[3～4]。环境变化时,SAW谐振器的谐振频率随之改变。从回波信号中获得谐振频率就能提取出传感的被测量信息。图1中,当叉指换能器(IDT)受到频率为f0的激励后,将发生声-电转换,生成同频SAW,SAW在基片内传播,遇到反射栅R1、R2时返回,到达IDT时发生电-声转换,向外辐射同频电磁波。若SAW在基片内传播同时,基片受到应力作用发生应变ε,频率f0将变为:

　　由式(2)和(3)可得SAW传感器的谐振频率f与应变T的关系,f反映了转轴受到的扭矩T。

　　安装在转轴上的SAW传感器及其天线随转轴旋转,仅靠天线接收激励信号或传出测量信号,则天线旋转到背对外置天线时会产生绕射,转动使信号的多普勒频移产生震荡,系统可靠性降低。在转轴外利用环形泄漏缝隙天线阵作为发射端和接收端,如图2所示。在SAW传感器上利用缝隙天线与之耦合,克服电磁信号绕射、多普勒频移震荡等问题[4],提高了系统可靠性。

　　3　测量系统构成

　　测量回转机械扭矩的系统框图如图3所示。

　　4　结　　论

　　以环形泄漏缝隙天线阵作为SAW传感器的激励和信号接收途径,解决回转机械能量和测量信号传输的难题,实现了旋转体上信号的无线无源持续检测。实现了回转机械扭矩非接触测量,为回转机械动态监控奠定了基础。

　　参考文献

　　1　School G.,Schmidt F..Wireless passive SAW sensorsystems for industrial and domestic application. IEEEInternational Frequency Control Symposium,1998,595～601.