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SAW传感器
阅读:8823时间:2011-07-01 09:41:12

  SAW传感器即表面声波传感器,它是基于声表面波(Surface Acoustic Wave)技术的一种应变传感器。它能够检测出EPS操控与动力系应用中的扭矩和温度,以及TPM系统中的压力和温度。尤其适合于检测旋转部件或者那些接触起来很难活很危险的部件。

特点

  1、高精度,高灵敏度。将被测量转换成频率进行测量,频率测量精度很高,有效检测范围线性好,抗干扰能力强,适合于远距离传输。

  2、数字化频率信号易于传输,处理,与计算机接口。

  3、制作与集成电路技术兼容,易集成化,智能化,重复性和可靠性好,适于批量生产。

  4、体积小,重量轻,功耗低,可获得良好的热性能和机械性能。

设计因素

  SAW传感器在设计时应注意以下因素:

  1)面对一般干扰环境因素;

  2)面对的恶意干扰环境因素;

  3)人机界面接口;

  4)参数的自我收敛性能;

  5)内、外各类信息、能量的交流新能等。

基本原理

  SAW传感器的基本原理是:利用被铡量对sAW元件作用, 改变sAw的传播速度,于是波长也相应变化,进而改变了通过延迟线的相位变化△ φ=2πL/λ(L为延迟线长度),破坏了振荡器的相位平衡条件;由于IDT有一定的迎频带,所以改变振荡频率,重新达到相位平衡条件。

  振荡频率变化和SAW 传播速度变化应满足下列关系:

关系式

  因为延迟线上相位变化要保持不变, 即

式子

  SAW传感器由于是利用振茴频率变化测出传播速度的变化,所以它的灵敏度很高(百万分之一)。同时,它同数字数据系统相适应,对放大器的要求也不高。

测量方法

  SAW传感器的测量方法有多种,主要有四种如下图所示:

SAW传感器的测量方法

  (a)网络分析仪测量频谱变化,(b)矢量电压表测定相位变化,(C)谐振回路测定频移,以及(d)为消除环境变化(如温度变化)引起的误差,采用双通道差分方法测定频移,测量更准确、方便。在实际测量中,可根据具体条件选择适当的方法。

与QCM传感器的比较

  石英晶体微量天平(quartz crystal microbalance,QCM)和表面声波器件(surface acoustic wave,SAW)。它们具有结构简单、体积小、成本低、响应时间短、灵敏度高、可靠性好等优点而广泛应用于分析化学、环境监测以及现场气体检测等方面。

  随着微制造技术的发展,集成化、批量化生产的工艺的逐渐成熟,微型SAW传感器在战地环境检测方面发挥着重要作用。

  QCM 和 SAW 都属于压电型传感器,由压电性产生声波信号,通过测量声波参数(振幅、频率、波速等)变化而获得被分析U检测物的信息。QCM属于体声波(bulk acoustic  wave,BAW)一般也称为厚度剪切模式(thickness shear mode,TSM)因声波从石英晶体或其它压电材料的一面传递到另一面,在晶体内部传播而命名。而SAW器件是声波在晶体表面上传播,从一位置传递到另一位置。在传递过程中,当基片或基片上所覆盖的特殊材料薄膜与被分析的物质相互作用时,声波的参数将发生变化,测量变化量即可得到被分析物的(质量和浓度等)相关信息。

在汽车电子的应用

  如图1所示,安装了SAW谐振器的石英管芯通常采用片状不锈钢封装,直径约为11mm,厚度约为2mm,重量<2gm。

  对于胎压检测应用,该管芯位于两个突出部分,受上表面隔膜通过中心气针的顶压而变形。询问和反向散射信号通过一个普通的鞭状天线被广播出去。

  对于扭矩检测应用(如图2所示),该管芯粘贴在片状外壳的底部,整个器件再与待测扭矩的组件相连。询问和返回信号通过非接触式平面耦合器向外发射。

  在TPMS和扭矩检测管芯中,三个SAW谐振器产生两个频率差值,一个正比于压力或扭矩,其他的正比于温度。这种方法能够检测出带温度补偿的压力和扭矩,也可以单独用作温度监测。

  对于TPMS,SAW传感器的安装也有多种方式,可以采用粘贴式橡胶块安装在轮胎上,或者安装在气门上(橡胶和金属材质),或者在低压安全胎上固定在车轮中。用户可以调整灵敏度,以满足从气压为10巴的卡车到气压为2巴的赛车的需要。典型精度为全标度的1%。

图1

  图1. 石英管芯通常采用片状不锈钢封装,直径约为11mm,厚度约为2mm,重量<2gm。

图2

  图2. 对于扭矩检测,传感器管芯粘贴在片状管壳的底部。

  对于扭矩测量(如图3所示),传感器与传动轴或圆盘相连,谐振器以±45°的典型方向角检测剪切应变的压力分量。

图3

  图3. 对于TPMS应用,SAW传感器可以通过多种方式安装在轮胎上,扭矩传感器与传动轴或圆盘相连,谐振器以±45°的方向角检测剪切应变的压力分量

  对于50到500之间的微应力,测量精度可以达到1%的级别。目前应用包括EPAS转向轴、发动机flexplates、自动档输出轴和传动轴。

发展趋势

  1、高精度高灵敏度:对于传感器应用,高精度与高灵敏度是其基本要求。在一些应用领域如角速率、温湿度以及某些气体传感器,SAW传感器的检测精度以及灵敏度还不能与 传统传感器相比,因此需要采用一些新方法新技术,改善器件性能,提高系统稳定性。

  2、小型化/便携式:传感器的应用大都不是单一的,多是与其他机械或者电子系统集成或者共同使用,这样SAW传感器系统必须尽可能减小体积,便携式且低功耗,满足各种 机载、车载、航载等要求,这样才能相对于其他类型的传感器具有更大的竞争力;

  3、 多功能集成化/低成本:单一功能的传感器逐渐消失于人们的视野,主要是使用单一功能传感器成本高,系统合成困难且稳定性低。这样多功能集成SAW传感器就成为 人们的一个兴趣热点,结构简单、系统体积小且大大降低了系统成本;

  4、 智能化与无线传感网络:许多参量的检测条件是危险剧毒环境,有的测试对象本身就是变化的,这样有源传感器难以满足这一检测需求,而无线传感网络则由于其无 源多面特点即可解决这一问题。另外,智能化是当今信息化时代的一个显着特征,结合自 动化控制等实现传感器的智能化也是SAW传感器的一个重要发展方向。

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