一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，包含T型受力座、三個聲表面波諧振器、殼體和天線，其中，殼體呈橢圓狀、兩端均設(shè)有用來穿引繩索的通孔，天線設(shè)置在殼體的外表面上，T型受力座固定設(shè)置在所述殼體內(nèi)，由兩個力臂和底座組成，兩個力臂距離底座較遠(yuǎn)的一端各設(shè)有一個倒立三角體，座底為上端設(shè)有用于固定繩索的溝槽的梯形體，倒立三角體下部設(shè)有用于固定繩索的通孔，三個聲表面波諧振器中其中兩個對稱的設(shè)置在兩個力臂上，另一個設(shè)置在底座上。傳感器將張力的變化通過聲表面波敏感，傳感器的工作能量來自于收發(fā)天線，敏感的力表現(xiàn)為聲表面波諧振頻率的變化并通過無線的方式發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)無線無源的張力檢測。
【專利說明】一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳 感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 聲表面波是在固體半空間表面存在的一種沿表面?zhèn)鞑?，能量集中于表面附近的?性波。聲表面波技術(shù)最早是由英國物理學(xué)家瑞利（Rayleigh)在19世紀(jì)80年代研究地震 波的過程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。該技術(shù)是上世紀(jì)六十年代末期 才發(fā)展起來的一門新興科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，它是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科。我國聲 表面波技術(shù)開發(fā)始于1970年，只比西方晚3年時間。聲表面波器件自20世紀(jì)70年代末實(shí) 際應(yīng)用以來，現(xiàn)在已遍及軍工和民用各領(lǐng)域，其中聲表面波信號處理器件主要應(yīng)用于軍工 領(lǐng)域，而頻率選擇和頻率控制聲表面波器件和聲表面波傳感器則都是軍民共用的器件 [1]。
[0003] 聲表面波的主要特點(diǎn)有： 第一，聲表面波具有極低的傳播速度和極短的波長，它們各自比相應(yīng)的電磁波的傳播 速度的波長小十萬倍。這表明聲表面波技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電子器件的超小型化。
[0004] 第二，由于聲表面波系沿固體表面?zhèn)鞑ィ由蟼鞑ニ俣嚷?，這使得時變信號在給定 瞬時可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上。于是當(dāng)信號在器件的輸入和輸出端之間行進(jìn)時，就 容易對信號進(jìn)行取樣和變換。
[0005] 第三，由于聲表面波器件是在單晶材料上用半導(dǎo)體平面工藝制作的，所以它具有 很好的一致性和重復(fù)性，易于大批量生產(chǎn)，而且當(dāng)使用某些單晶材料或復(fù)合材料時，聲表面 波器件具有極高的溫度穩(wěn)定性。
[0006] 第四，聲表面波器件的抗輻射能力強(qiáng)，動態(tài)范圍很大，可達(dá)100dB。這是因?yàn)樗?用的是晶體表面的彈性波而不涉及電子的遷移過程。
[0007] 現(xiàn)在市面上可見的張力傳感器有美國MEAS的EL20-S458、法國kortis的FMI、德 國施密特張力儀。雖然針對不同的對象，它們有系列產(chǎn)品可選擇，有精度高、溫漂小，響應(yīng) 快等優(yōu)點(diǎn)，不過它們安裝和拆卸復(fù)雜，價格昂貴，主要測量對象是安全帶這類的扁平帶狀結(jié) 構(gòu)，這類傳感器在工作時都需要電源線、信號線等引線，這些引線、接口等在許多特殊應(yīng)用 場合很容易被損壞。國內(nèi)清華大學(xué)、上海交通大學(xué)較早對聲表面波傳感器進(jìn)行了研究，西北 工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)等科研院所也紛紛開展了聲表面波傳感器的研究，并取得了一定的研 究成果，發(fā)表了多篇專著及論文，但無線無源的張力傳感器還沒有。而在有些應(yīng)用場合，對 于張力傳感器的安裝方式、引線處理都提出了特殊的要求，例如在對降落傘降落狀態(tài)牽引 繩張力的檢測過程中，需要傳感器的安裝對牽引繩沒有破壞，同時要求引線要簡單，否則在 傘打開的瞬間，會將傳感器的引線拉斷，導(dǎo)致無法檢測。本專利提出一種傳感方案，利用聲 表面波傳感原理測量張力，可實(shí)現(xiàn)無線、無源的檢測，省去電源線信號線等引線，可用于各 種場合的張力測量[2]。
[0008] 聲表面波傳感器可以實(shí)現(xiàn)有源和無源的傳感，有源聲表面波傳感器和其他傳統(tǒng)傳 感器相比，并不具有明顯優(yōu)勢；另外，各種外部影響無法和被測量有效的分離，所以有源聲 表面波傳感器的使用優(yōu)勢還不特出。20世紀(jì)80年代中期無線無源聲表面波傳感器的提出 和研究為聲表面波傳感器提供了一種新的發(fā)展思路。國外無線無源聲表面波傳感器研究 主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家，根據(jù)測量原理不同，無線無源聲表面波傳感器有兩種類型：延遲 線性和諧振型。延遲線性無線無源聲表面波傳感器主要采用掃頻信號方式激勵，利用激勵 信號與接收信號在時間上的延遲或相位上的變化進(jìn)行測量；諧振型無線無源聲表面波傳感 器主要采用沖激脈沖或間歇脈沖激勵，測量激勵信號與接收到的回波信號之間的頻率變化 值。諧振型聲表面波傳感器品質(zhì)因素高，穩(wěn)定性好，是無線無源傳感器的首先方案。
[0009] 參考文獻(xiàn)：
[1] 劉文輝，諧振型無源無線聲表面波壓力傳感器結(jié)構(gòu)研究[D]，國家自然科學(xué)基金資 助60374045,重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006,9-12
[2] 吳佚卓，高頻無線無源聲表面波傳感器的仿真與測試研究[D]，天津理工大學(xué)碩士 學(xué)位論文，2007,1-5。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】的缺陷，提供一種基于聲表面波的無 線無源繩索張力傳感器，結(jié)構(gòu)上可以更好地將繩索類張力進(jìn)行無損的檢測，傳感器將張力 的變化通過聲表面波敏感，傳感器的工作能量來自于收發(fā)天線，敏感的力表現(xiàn)為聲表面波 諧振頻率的變化并通過無線的方式發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)無線無源的張力檢測。
[0011] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案： 一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，包含T型受力座、三個聲表面波諧振 器、殼體和天線； 所述殼體呈橢圓狀、兩端均設(shè)有用來穿引繩索的通孔； 所述天線設(shè)置在殼體的外表面上， 所述T型受力座固定設(shè)置在所述殼體內(nèi)，由兩個力臂和底座組成，所述兩個力臂距離 底座較遠(yuǎn)的一端各設(shè)有一個倒立三角體，所述座底呈梯形體、上端設(shè)有用于固定繩索的溝 槽； 所述倒立三角體下部設(shè)有用于固定繩索的通孔； 所述三個聲表面波諧振器中的兩個對稱設(shè)置在所述兩個力臂上，另一個設(shè)置在所述底 座上。
[0012] 作為本發(fā)明一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所 述殼體相對于所述兩個倒立三角體的內(nèi)壁上均設(shè)有用于防止過載的凸起。
[0013] 作為本發(fā)明一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所 述天線呈薄片形。
[0014] 作為本發(fā)明一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所 述天線有4片，對稱設(shè)置在所述殼體外表面上。
[0015] 這樣的設(shè)計使得整體結(jié)構(gòu)體積小而緊湊，在一些不能有引線的特殊情況下使用更 具有優(yōu)勢。
[0016] 天線嵌在殼體的表面，面積較大，用來雙向傳輸電磁波。
[0017] T型受力座的力臂沿繩索受力方向展開，展開體積小，可以將張力的變化轉(zhuǎn)換成 力臂應(yīng)力的變化，利用其中一個力臂上的聲表面波諧振器諧振頻率的變化來檢測應(yīng)力的變 化，而另一個力臂上的聲表面波諧振器則用來檢查傳感器是否有誤差、以便有自動校正并 起到冗余的功能。
[0018] 設(shè)置在底座上的聲表面波諧振器主要用于感應(yīng)溫度的變化，解決了傳感器在測量 張力變化時溫度影響的問題。
[0019] 本發(fā)明采用無線無源的工作方式，傳感器的激勵來自于天線獲取的電磁脈沖（該 脈沖由外部的閱讀器發(fā)送），當(dāng)繩索張力變化時，受張力影響而改變的聲表面波諧振頻率由 叉指換能器轉(zhuǎn)換成電磁波后又通過天線發(fā)送出去，閱讀器接收的反射信號頻率的變化對應(yīng) 了張力的變化。對于傳感器信號的采集與處理，用頻分多址技術(shù)采集多路傳感器信號，閱讀 器讀取信號后再進(jìn)行后續(xù)處理。
[0020] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果： 1. 傳感器的安裝方便簡單，不需要斷開繩索，就可以檢測繩索的張力大??； 2. 傳感器的Τ型受力座為獨(dú)特的雙翼展開式結(jié)構(gòu)，對張力的靈敏度高，線性度好，傳感 器結(jié)構(gòu)沿繩索的受力方向展開，外形可以做的比較小，可以實(shí)現(xiàn)封閉結(jié)構(gòu)的測量； 3. 多個諧振頻率不同的聲表面波諧振器布置在力臂和不受力支撐座上，分別敏感張力 和環(huán)境溫度的變化，消除了聲表面波諧振器的溫度誤差，傳感器多受力點(diǎn)的布置增加了傳 感器的冗余度，提高了傳感器的可靠性； 4. 利用天線接收能量，天線作為聲表面波傳感器的能量接收器，通過叉指換能器，將能 量轉(zhuǎn)換成聲表面波，聲表面波力傳感器將檢測的張力變化轉(zhuǎn)換成回波形式再次通過天線發(fā) 送回閱讀器，傳感器在整個檢測過程中不需要電源，也不需要信號線。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的外形圖； 圖2是本發(fā)明的Τ型受力座結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖4是本發(fā)明的總體示意圖； 圖5是本發(fā)明的繩索張力-力臂應(yīng)力變化表； 圖6是本發(fā)明的應(yīng)力變化采樣點(diǎn)標(biāo)識圖； 圖7是本發(fā)明的Τ型受力座放入張力-應(yīng)力圖。
[0022] 圖中，1-聲表面波諧振器，2-凸起，3-固定支架。
[0023]

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明： 本發(fā)明公開了一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，包含Τ型受力座、三個 聲表面波諧振器、殼體和天線； 所述殼體呈橢圓狀、兩端設(shè)有用來穿引繩索的通孔； 所述天線設(shè)置在殼體的外表面上， 所述T型受力座固定設(shè)置在所述殼體內(nèi)，由兩個力臂和底座組成，所述兩個力臂距離 底座較遠(yuǎn)的一端各設(shè)有一個倒立三角體，所述座底呈梯形體、上端設(shè)有用于固定繩索的溝 槽； 所述倒立三角體下部設(shè)有用于固定繩索的通孔； 所述三個聲表面波諧振器中的兩個對稱設(shè)置在所述兩個力臂上，另一個設(shè)置在所述底 座上。
[0025] 所述殼體相對于兩個倒立三角體的內(nèi)壁上均設(shè)有用于防止過載的凸起。
[0026] 所述天線呈薄片形，有4片，對稱設(shè)置在所述殼體外表面上。
[0027] 傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖1、2所示，本發(fā)明要求敏感張力的變化沿繩索張力法線方 向的尺寸要小，易于布置聲表面波諧振器。對設(shè)計的結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ANSYS分析傳感 器的受力情況。利用ANSYS軟件得到結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，并分析結(jié)構(gòu)的受力情況，得 到結(jié)構(gòu)的張力和應(yīng)力變化的關(guān)系。通過優(yōu)化得到了本發(fā)明中Τ型受力座結(jié)構(gòu)。仿真分析給 出的繩索張力-力臂應(yīng)力變化如圖5所示。圖5中Ua、Ub、Uc、Da、Db、Dc為左側(cè)力臂上下 表面各取的三點(diǎn)如圖6。圖5表明T型受力座結(jié)構(gòu)有很好的力學(xué)特性。采用如圖3所示的 諧振器布置方案就可以將張力轉(zhuǎn)換成聲表面波諧振器諧振頻率的變化。
[0028] 實(shí)際中在外界環(huán)境條件作用下，聲表面波振蕩器的輸出信號頻率隨著溫度、壓 力、磁場、電場等因素的變化而變化，并且由于聲表面波器件可以敏感多種物理量，它不可 避免地要受到各種環(huán)境因素的干擾，其中溫度是影響聲表面波張力傳感器工作穩(wěn)定性的主 要因素。在溫度變化過程中，如何保證聲表面波張力傳感器具有良好的穩(wěn)定性，成為提高其 工作性能的首要問題。如附圖中圖3所示，三個聲表面波諧振器中其中兩個對稱的設(shè)置在 兩個力臂上，另一個設(shè)置在底座上，一個力臂上的聲表面波諧振器諧振頻率的變化來檢測 應(yīng)力的變化，另一個力臂上的聲表面波諧振器則用來檢查傳感器是否有誤差、以便有自動 校正，而設(shè)置在底座上的聲表面波諧振器主要用于感應(yīng)溫度的變化，用于溫度補(bǔ)償。
[0029] 凸起是防止力臂過載的設(shè)計，固定支架則是將T型受力座固定在殼體內(nèi)表面上。
[0030] 本發(fā)明采用無線無源的信號收發(fā)方式，無線單元傳播電磁波至叉指換能器產(chǎn)生聲 表面波，經(jīng)由聲表面波諧振器的反射柵再通過叉指換能器變成電磁波返回?zé)o線單元接收。 由于張力改變了聲表面波傳送的諧振頻率，因此傳播回來的信號頻率變化反映了張力的變 化，檢測反射波的變化就可以實(shí)現(xiàn)無線無源檢測張力的變化。天線應(yīng)盡量符合實(shí)際應(yīng)用需 要，天線采用銅箔布置傳感器殼體上，對傳感器的外形沒有影響并能獲得足夠的能量。無線 無源收發(fā)系統(tǒng)總體示意圖如圖4。
[0031] 在信號的采集速度上，本發(fā)明針對不同的諧振器通過對其內(nèi)部叉指換能器、反射 柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計使各個諧振器的諧振頻率互有差異，采用不同的諧振頻率即可精確獲得某個 特定諧振器的數(shù)據(jù)，以保證對張力測量有較高的采樣速率。如圖3,可以設(shè)置對負(fù)責(zé)張力測 量的聲表面波諧振器的讀寫頻率高、對負(fù)責(zé)溫度補(bǔ)償?shù)穆暠砻娌ㄖC振器的讀寫頻率低。這 時傳感器的總采樣速率由負(fù)責(zé)張力測量的聲表面波諧振器的采樣速率決定，同時又可以消 除溫度誤差的影響。
[0032] 聲表面波傳感器是適應(yīng)市場和技術(shù)發(fā)展趨勢的一種新型傳感器，利用聲表面波器 件作為敏感元件在非接觸環(huán)境下測量物理量有著非常重要的價值。聲表面波傳感器體積 小、重量輕，攜帶方便。更重要的是，聲表面波傳感器件的成本低，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)，更 符合產(chǎn)業(yè)化要求。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)對繩索一類傳感器張力測量，圖7是本發(fā)明的 T型受力座放入張力-應(yīng)力圖。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，其特征在于，包含T型受力座、三個 聲表面波諧振器、殼體和天線； 所述殼體呈橢圓狀、兩端均設(shè)有用來穿引繩索的通孔； 所述天線設(shè)置在殼體的外表面上； 所述Τ型受力座固定設(shè)置在所述殼體內(nèi)，由兩個力臂和底座組成，所述兩個力臂距離 底座較遠(yuǎn)的一端各設(shè)有一個倒立三角體，所述座底呈梯形體、上端設(shè)有用于固定繩索的溝 槽； 所述倒立三角體下部設(shè)有用于固定繩索的通孔； 所述三個聲表面波諧振器中的兩個對稱設(shè)置在所述兩個力臂上，另一個設(shè)置在所述底 座上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，其特征在于，所 述殼體相對于所述兩個倒立三角體的內(nèi)壁上均設(shè)有用于防止過載的凸起。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，其特征在于，所 述天線呈薄片形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，其特征在于，所 述天線有4片，對稱設(shè)置在所述殼體外表面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的無線無源繩索張力傳感器，其特征在于，所 述Τ型受力座通過固定支架固定在所述殼體的內(nèi)壁上。
【文檔編號】G01L5/04GK104122025SQ201410313026
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】程遠(yuǎn)璐, 張若昀, 趙敏, 姚敏, 鄔琳琳 申請人:南京航空航天大學(xué)