基于谐振器型声表面波器件的无线无源应变传感研究

摘要

应变检测表示对物体形变的检测，通过应变检测可以进一步实现诸如位移、扭矩、压力、加速度等多种物理量的检测，同时通过应变检测还可以实现结构健康监测。现有应变检测技术存在系统成本高、易受外界干扰或需要复杂布线的缺点，难以大规模推广应用。而声表面波技术由于具有无线无源、系统成本低的优点，成为潜在的系统解决方案。论文针对上述背景，开展了基于谐振器型声表面波器件的应变传感研究，包括声表面波传感器与阅读器的设计及相应的系统搭建、实验测试。　　论文开展了声表面传感器的优化设计。首先在有效材料常数理论的基础上，将应变对传感器频率响应的影响分析转变为应变对传感器压电基底有效材料常数的影响分析；其次通过耦合模理论与FEMSDA程序对传感器的频率响应进行了建模，并基于有效材料常数理论对FEMSDA程序进行了二次开发，实现了应变作用下传感器频率响应的仿真；随后根据耦合模理论优化设计了传感器的结构参数，并给出了两个具有不同中心频率的差分传感器结构参数及其应变灵敏度；最后通过光刻的方式进行了传感器制作，传感器静态测试结果表明本文所设计的传感器仿真与实测频率响应基本一致。　　随后论文对阅读器进行了设计，包括硬件电路设计与信号处理算法两部分，其中硬件电路设计又包括发射链路设计与接收链路设计。首先设计了由双本振源组成的双频激励信号发射链路，避免了非同步激励差分声表面波传感器对测量结果的影响；其次设计了由接收前端、对数放大器、基带后端以及ADC采样数据缓存电路组成的接收链路，在使得接收链路具有较高灵敏度的同时，通过对数放大器实现了对回波信号的等幅解调，以满足后续信号处理算法对信号特征的要求；随后提出了基于频域相位信息的回波信号频率估计算法，仿真结果表明本算法的频率估计效果优于现有Rife插值、抛物线插值等算法；最后对阅读器整体进行了实验测试，测试结果表明，阅读器的有效检测距离可达1.6m，且在有效检测范围内，最大频率估计误差仅为3kHz，与直接傅里叶变换频率分辨率78.125kHz相比，频率估计精度提高约26倍。　　论文的系统测试以桥梁的位移检测为背景，通过将传感器粘贴于悬臂梁表面的方式实现系统应变响应测试，同时通过位移平台模拟桥梁位移并作用于悬臂梁自由端的方式改变悬臂梁表面应变值。测试结果表明，本系统可实现?1000με范围内的应变检测，应变检测精度为6με，位移检测精度为0.45mm。

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