声表面波扭矩传感器的原理及应用综述*

李志鹏， 孟 旭， 张 超， 王博男

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

扭矩是反映转动工作系统工作状态的重要参数之一，扭矩的实时监测已经在航空航天、载运工具、机械设备等众多领域中拥有着广泛的应用[1]。随着更多高温、高污染、高辐射等恶劣工作环境的出现，非接触、小型化、无源化的扭矩测量技术已经成为了该领域的发展趋势。基于声表面波(surface acoustic wave,SAW)原理的扭矩测量方式与以往传统的扭矩测量方式相比，具有无源无线、信号处理简单方便、可大批量生产、尺寸小、抗辐射能力强等众多优点，特别符合现代通信系统与传感系统对传感器微型化、数字化、高频化、高可靠性等方面的要求，目前已经成为众多领域内重点关注与研究的内容[2]。

本文主要基于目前SAW扭矩传感器的相关理论与发展及主要应用进行全面综述，包括SAW扭矩传感器的工作原理，相关理论与建模，应用领域及制约因素等。

1 SAW扭矩传感器

1.1 SAW及其分析模型

1885年，英国物理学家Rayleigh L在伦敦数学学报上发表了一篇学术论文[3]。该篇论文首次提出了一种除纵波与横波外，沿着无限均匀各向同性弹性体平面传播的波动行为，人们称之为SAW。SAW器件的理论分析模型大体上可以分为两类，第一类是唯象模型，它是参考了其他领域内的模型与概念进行类比分析，能够获得相近的计算结果，实用性很好，例如δ函数模型、耦合模(coupling mode,COM)模型、P矩阵模型等[4]；第二类是精确模拟模型，从最基本的波动方程和有限定边界条件入手，严格进行公式推导求出系统的确切解，利用这种方法可以得到精确且可靠的结果，例如格林函数法、有限元法等[5]。除理论分析模型之外，计算机仿真技术的出现与完善也大大加快了SAW器件的模拟与仿真工作[6]。

1.2 SAW扭矩传感器的结构类型与工作模式

SAW传感器按结构类型大致可以分为测量温度、湿度与气体浓度等的延迟线型SAW传感器及测量压力、振动与扭矩等的谐振型SAW传感器[8]。

单端对SAW谐振器由在压电基底、叉指换能器、反射栅及吸声条构成。叉指换能器激发出的声表面波如果遇到按一定周期排布的反射栅后，入射声波与反射声波相互叠加，会在换能器与反射栅之间以驻波的形式进行传播。

1.3 SAW扭矩传感器的工作原理

SAW谐振器的原始固有中心频率f0是由SAW传播速度v0和SAW传播波长λ0两个参数共同决定的

(1)

当有一个外力P施加在SAW谐振器两端时(拉伸或压缩)，谐振器发生形变，可以计算出发生形变后的SAW谐振器中心频率

(2)

式中K′为材料常数，ε为应变量。因为ε的量级比较小，一般小于10-3，此时可以得到中心频率变化量的近似值

f(ε)=f0ε(K′-1)+f0≈f0(1-K′ε)

(3)

又根据材料力学的相关理论[7]可以知道当转轴受到扭矩M的作用时，与主轴线方向相差45°,135°方向上只受到最大拉应力或最大压应力的作用，此时轴体上最大压应变与拉应变为

(4)

式中E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比，M为扭矩。

由式(3)和式(4)可以得到转轴所受扭矩M与谐振器频率改变量Δf之间的关系

(5)

由式(5)可知，当SAW谐振器制造成型后原始固有中心频率f0定值，当该谐振器所依附转轴受到扭矩M作用时，其中心频率改变量Δf与M之间线性相关，式中正负号仅代表此时所受应力方向。

2 SAW扭矩传感器的应用

2.1 SAW扭矩传感器在航空发动机领域内的应用

航空发动机的扭矩测量往往通过滑环、变压器、供电电源[8]三种方式进行能量供给或信号传输。滑环属于接触式测量，触头容易出现断裂、烧蚀、噪音大等问题；变压器及其线圈需要根据不同的发动机结构或要求进行单独的设计与测试，对安装的要求比较高；供电电源模块虽然是无线传感系统，但是使用寿命较其余二者低，且需要特殊的防高、低温处理，后期保养成本较高。陈智军针对以上问题提出了一种基于SAW扭矩传感器的无源无线测量系统[9]，系统由上位机、控制器、阅读器、环状与棒状天线、SAW扭矩传感器、弹性体轴等组成。通过试验，在一定程度上解决了供电与信号无线传输的困难。

2.2 SAW扭矩传感器在医学领域内的应用

种植义齿，因其更接近于自然牙且适用性广泛的特点，受到越来越多患者的青睐。传统的种植体稳定性判断一般采用物理测试与影像学观察两种方法。共振频率测量技术只能反映出种植体抵抗侧向力的能力，若要研究种植体抵抗扭转的能力，需要进行破坏性试验，无法在临床中使用。王光宗针对这一问题，基于SAW扭矩传感器提出了一种牙床种植体扭矩测量方法[10]。作者基于瑞士Straumann公司的ITI种植体系统，对种植体进行基于SAW扭矩传感器改造，对包含信号采集模块、信号处理电路以及频率计模块的后处理电路进行了设计。该项研究极大拓展了SAW扭矩传感器的应用领域与应用环境。

2.3 SAW扭矩传感器在载运工具领域内的应用

2.3.1 在船舶领域的应用

船舶的传动系统所处工作环境相对恶劣，空间狭小、高温、高湿度、大幅震动、污染物侵蚀等都会对其在进行扭矩测量时造成相当大的阻碍，除此之外，还需要解决不定向、不定速旋转单元与固定测量单元之间的信号传输问题，以及传感器的长期稳定供电等问题。为解决以上问题，徐继辉提出了基于SAW扭矩传感器的船舶传动轴扭矩测量系统，在研究中，作者采用两个单端口谐振器构成差分结构进行扭矩测量，然后探讨了扭矩传感实现过程中外界环境、安装位置、天线距离等外部因素的影响，并设计了两种方便、经济且可靠的的数字信号处理与频率分析方法[11]。任姝在两个单端口谐振器构成差分结构的基础上增加了一个SAW温度传感器以进一步降低环境温度对测量结构的影响，利用ANSYS有限元分析软件着重分析了多层结构下的应力传递效果，确定了不同厚度的胶粘剂对应力传递的损耗影响，最后提出了一种基于Welch法的M-Rife算法作为频率估计算法[12]。

2.3.2 在汽车传动轴领域的应用

汽车在行驶过程中，会遇到各种各样的临时情况，所以需要驾驶员时刻保持警惕以应付转弯、加速、减速、紧急制动等突发状况，而汽车传动轴也会在此时受到额外的瞬间扭矩作用，准确与及时的扭矩测量与监控对于保护汽车发动机及汽车传动系统都有着至关重要的作用与意义。张海涛采用120°对称间隔布置的无线信号收发天线解决了SAW扭矩传感器信号的绕射现象，模拟实验测得SAW扭矩传感器灵敏度为1.15 kHz/(N·m)[13]。

2.3.3 在汽车转向系统领域的应用

转向系统是汽车安全级别要求最高的系统之一，其性能的优劣直接影响着整车的安全性与舒适性。李志鹏在详细研究了市场上应用在电动助力转向(electric power stee-ring，EPS)系统上的扭矩传感器的优缺点后，提出了基于SAW扭矩传感器的新型EPS扭矩测量系统，并着重对传感器结构与信号处理电路进行了深入的研究与分析[14]。李志鹏针对EPS系统易受环境因素干扰(温度、振动等)的问题，结合SAW扭矩传感器，提出了一种可以消除温度影响的EPS用SAW扭矩传感器设计方案[4]。刘芳悦对EPS系统用SAW无线无源扭矩测量系统的回波信号进行了建模与估计，提出了集合Welch算法和Quinn算法的改进型M-Rife算法，可以快速计算出较为准确的频率值[15]。

3 制约SAW扭矩传感器发展的因素

3.1 SAW谐振器基底材料与结构

1880年居里兄弟发现压电效应至今，压电材料的发展取得了长足的进步，通常将应用于SAW器件的压电材料分为三类，包括压电单晶体(如石英、铌酸锂等)、压电陶瓷(如钛锆酸铅陶瓷等)、压电薄膜(如氧化锌薄膜、氮化铝薄膜等)[16]。目前，SAW扭矩传感器所使用的压电基底均为石英基片[17]。该切型下的石英基片机电耦合系数小、中心频率未达到吉赫兹(GHz)级别且易外界温度的干扰，这样的性能已渐渐无法匹配现在主流SAW器件高频、高稳定性的要求。随着压电薄膜制备工艺及设备的完善，各种可改性的压电薄膜被制备出来。与固定性能参数的压电单晶体相比电薄膜材料可以通过调整制备工艺、薄膜厚度与掺杂成分的配比来获得更为合适的SAW性能参数。此外，由于SAW在传播过程中能量主要集中在表面下1～2个波长范围内，所以将压电薄膜的厚度制作成1个SAW的波长，就可以不再使用压电单晶体或压电陶瓷来制作基片，而是可以使用类似玻璃一样便宜又无压电特性的材料，同样也可以获得高性能的SAW器件。

3.2 IDT材料

金属薄膜IDT的微观结构与表面形貌均直接影响SAW器件的性能与稳定性。由于SAW器件的制作过程与半导体器件相似，又因为Al薄膜导电性好、密度小，容易制备成极细的叉指指条，所以其被广泛用作IDT的制备材料。但是当SAW器件工作于高频段时(大于1 GHz)，则需要更加细小的叉指指条，而来自压电材料表面的往复力却随着工作频率急剧增加，从而导致Al材质的叉指指条断裂或短路。另一方面，高频电子元器件产生的高温也会导致Al材料融化，从而导致SAW器件的损坏。虽然Al材料有着这些缺陷，但是目前仍然没有一种金属或合金能够完全取代，因此高性能的SAW器件往往是通过对Al材料的性能改进来制备的。通常的改进方法包括：1)改进Al薄膜制备工艺；2)在制备Al薄膜前制备一层过渡层；3)掺杂其他微量元素制备Al合金薄膜。

4 结束语

随着SAW扭矩传感器应用领域的增多，SAW扭矩传感器必然面临着更为复杂的应用环境以及更为严苛的性能要求。未来的SAW扭矩传感器应该向着微型化、高频化、高精度、智能化、高可靠性等方面发展。具体如：尝试制备SAW MEMS扭矩传感器；开展层状SAW扭矩传感器相关结构的理论研究；为避免破坏旋转轴结构，尝试制备柔性材料为基底的SAW扭矩传感器；为了适应更为复杂的应用环境，继续加强原有材料与工艺的优化的同时研究新材料与新工艺。