基于声表面波传感器的转子叶片应变无线测量研究

杨正兵,肖 潇,彭 斌,吴亚锋

1.西北工业大学动力能源学院;2.中国航发四川燃气涡轮研究院;3.电子科技大学集成电路科学与工程学院

0 引言

高温、高转速、高推重比、大功率、大负荷,是现代航空发动机的发展趋势,对发动机零部件可承受应力水平提出了高要求。发动机的转子叶片处于流道中,承受着离心载荷、气动载荷以及温度载荷的复合作用,容易出现疲劳裂纹甚至断裂,进而导致发动机故障[1-3]。为保障发动机的安全运行,其转子叶片的应力水平一直是工程界关注的重点。目前国内对旋转叶片的应变及振动测量主要通过在叶片表面安装电阻应变计,然后通过滑环引电器或遥测装置将应变信号传递至后端数采系统进行分析。该方法受发动机内部结构空间狭小和转速高等因素制约,导致发动机测试结构改装复杂、工作量大、成本高。

基于声表面波(surface acoustic wave,SAW)谐振器的应变传感器具有精度高、灵敏度高、功耗低、体积小、重量轻等优点,并且制作工艺简单、工作原理清晰,具有很大的应用潜力。特别是SAW传感器可以无线无源工作,在旋转部件的应变测试中具有优势,近年来得到了人们的广泛关注。李红浪等设计了一种基于双谐振器的声表面波应变传感器,提出了宽温度范围内SAW应变传感器温度与应变的解耦方法[4]。邓森洋等利用测试群时延特性的方法搭建了测试系统,使用时域加窗技术,有效降低了环境反射对群时延的影响,提高了无源无线SAW 传感器实际应用中的信噪比[5]。陈磊等采用基于数字下变频技术测量回波信号频率,有效提取了SAW应变测量中的谐振频率[6]。杨小杨等采用直接式差分结构SAW应变传感器设计方法,研究出了差分结构对温度和应变的响应特性[7]。黄毅坚等提出了一种新型的外接负载式无线无源SAW应变传感器的设计方法,采用双通道的反射型延迟线结构,消除了应变测量过程中环境温度的干扰[8]。

目前SAW应变传感器的研究主要集中在器件结构设计、加工制备工艺、应变特性等方面,关于SAW应变传感器在转子叶片动应力测量方面的研究成果却少有报道。

本文利用耐高温的硅酸镓镧(LGS)压电材料,设计并制备了高Q值的SAW谐振器,研究了SAW谐振器在不同载荷作用下的应变-谐振频率变化特性,将该SAW谐振器作为应变传感器,开展了SAW应变传感器在转子叶片应变测试中的工程应用研究。

1 SAW谐振器结构和工作原理

SAW传感器一般分为谐振型和延迟线型,本文采用的结构为谐振型。谐振型的SAW无线无源传感器通常由SAW谐振器和与之相连的射频天线构成,如图1所示。通过在压电晶体表面制作叉指换能器(IDT)和若干反射栅即可构成SAW谐振器。当SAW谐振器受到外力而发生形变时,其谐振频率将发生变化。通过与SAW谐振器相连的射频天线,可以测试出SAW谐振器的谐振频率,进而反映出被测体应变信息[9-10]。

图1 SAW无线传感器结构示意图

当SAW在压电基片内传播时,压电基片受到应力作用产生应变,其谐振频率f(ε)表示为[11-12]

(1)

式中:v0、λ0、f0为基片应变为0时SAW传播速度、波长和谐振频率;v(ε)、λ(ε)为基片发生应变时SAW传播速度和波长;k为与基片材料相关的常数。

可以看出,SAW谐振器发生形变时,一方面长度变化导致波长变化,另一方面材料弹性模量变化导致声速发生变化,这体现在参数k上,最终导致谐振频率发生变化。一般情况下应变ε远小于1,则式(1)可简化为

f(ε)≈f0[1+(k-1)ε]

(2)

由式(2)可见,SAW传感器的谐振频率f(ε)与应变ε呈线性关系。通过测量SAW传感器谐振频率的变化,可以得出应变大小。

SAW谐振器往往对沿着声波传播方向的应变更敏感[13],因此,在作为应变传感器使用时,SAW谐振器的声波传播方向需要和应变方向平行。

2 SAW谐振器制备与应变特性测试

本文采用切向为(0°,138.5°,27°)的硅酸镓镧压电基片设计并制备了单端口SAW谐振器。压电基片厚度为0.5 mm。叉指电极对数为101对,宽度为3 μm,电极之间的间隔也为3 μm,器件的周期(波长λ)为12 μm。SAW谐振器的反射栅数目为400,孔径为1.2 mm。SAW谐振器的薄膜电极采用标准的光刻-剥离微电子工艺。薄膜电极由Ti/Au构成,首先沉积厚度为10 nm的Ti薄膜,以增加电极与基片的附着力,然后沉积100 nm的Au薄膜作为电极。最后在氮气中将制作的SAW谐振器进行400 ℃退火。最终制作出来的SAW谐振器如图2所示,图2(a)是SAW谐振器实物图,从图2(b)的电极显微结构可以看出,所制作的SAW谐振器的线条无明显缺陷。

(a)SAW谐振器实物

本文采用矢量网络分析仪(型号Agilent E5071C)测试所制备的SAW谐振器的谐振频率,并使用如图3所示的悬臂梁方法测试SAW谐振器的应变特性。测试前采用M-Bond 610胶将SAW谐振器粘贴在悬臂梁上;测试时在悬臂梁自由端施加力,使得SAW谐振器受力产生应变,从而测试不同应变下SAW谐振器的谐振频率。SAW器件受到的实际应变大小由SAW谐振器旁边粘贴的一个标准电阻应变计进行测试确定。

图3 SAW谐振器应变特性测试示意图

图4是所制备SAW谐振器的频率特性测试结果。可以看出,所制备的SAW谐振器具有明显的谐振峰,由S11最小值确定其谐振频率为217.794 MHz。由于所制备SAW谐振器的波长为12 μm,根据式(1)可以计算出SAW的声速为2 613 m/s,这和文献[14]接近。

图4 SAW谐振器散射参数S11测试结果

图4中也发现有一些杂峰,这可能是由于加工公差带来的线条宽度不一致或某些小缺陷所致,也可能存在一些寄生峰,可以通过优化器件结构和改进制备工艺进一步减少。从测试曲线可以计算出该器件的品质因子(Q值)为5 807,满足作为无线传感器时Q值大于3 000的需求。

图5是不同应变下测试得到的SAW谐振器的谐振频率。可以看出,谐振频率随着应变的增加而接近线性下降,这和式(2)的理论公式一致。对测试数据进行线性拟合,可以得到应变灵敏度为-317 Hz/με,这和文献[14]结果比较接近,高于文献[15]的结果。SAW谐振器的应变灵敏度和其厚度相关,同时与粘贴时采用的胶也密切相关,采用应变传递系数高的胶有助于提升器件的应变灵敏度。根据图5的测试结果,可以得到应变测量误差约为7.98%。

图5 谐振频率随应变的变化关系

3 SAW无线传感器工程应用验证

本节利用所制作的SAW谐振器,进行高转速转子叶片的应变无线测试研究。

如图6所示,实验中,将SAW谐振器粘贴于转子叶片表面,传感器天线固定在旋转轴的末端,SAW传感器和传感器天线之间采用柔性同轴线连接。在转子叶片背面正对SAW传感器的位置,粘贴一个电阻应变计,用于测试相同工况下转子叶片的应变大小,该电阻应变计的测量误差为5%。

图6 SAW传感器无线测试装置图

探测天线和传感器天线之间的距离约10 mm,探测天线和矢量网络分析仪连接,用于测试不同工况下SAW传感器的谐振频率。根据测试得到的谐振频率以及图5得到的应变灵敏度,可以计算出转子叶片在不同工况下的应变大小。

图7是当转子叶片的转速从3 000 r/min增加到15 000 r/min,再降低到3 000 r/min时,不同固定转速下电阻应变计和SAW传感器测试得到的应变结果对比。转子叶片转速低于3 000 r/min时应变较小,同时,在粘贴过程中器件可能存在预应力导致测试结果不准确,为了排除这些干扰,将3 000 r/min转速下的测试数据作为应变零点。从图7可以看出,电阻应变测试的应变值比较平稳,而SAW传感器测试得到的应变值有较大幅度的波动。这是由于SAW传感器容易受到环境噪音、叶片振动和环境温度波动等因素的干扰,进而导致其谐振频率发生波动。

图7 不同转速下电阻应变计和SAW传感器测试结果对比

图8给出了不同固定转速下,电阻应变计和SAW传感器测试得到的应变平均值,以及相应的有限元仿真结果。从对比结果看,电阻应变计测试结果、SAW传感器测试结果和有限元仿真结果基本一致。这表明研制的SAW应变传感器基本可以实现对旋转叶片应变的无线测试。同时,图8中测量得到的是转子叶片离心力导致的应变,在叶片未发生共振的情况下,理论上应变ε和转速v满足:ε∝v2,从图8可以发现,测试结果和理论预测结果基本吻合。

图8 不同转速下电阻应变计和SAW传感器的应变平均值

同时需要说明的是,图7只是固定转速下的测试结果。当转速连续变化时,由于SAW传感器的响应频率可以达到MHz,因此在后续工作中还可以实时无线测试转速连续变化情况下的应变。

4 结论

采用硅酸镓镧压电单晶材料,设计并制作了谐振型SAW应变传感器,研究了其应变特性,并成功验证了SAW传感器在高速旋转叶片中的无线应变测试。实验结果表明,SAW谐振器的应变灵敏度为-317 Hz/με。在转子叶片的工作转速内(3 000～15 000 r/min),SAW传感器无线测试结果和电阻应变计测试结果,以及有限元计算结果基本一致。研究的SAW应变传感器具有结构简单和无线无源等优点,丰富了转动部件的应变测试手段。后续一方面将继续优化SAW器件结构提升其Q值,另一方面将进一步研究高温高转速环境下SAW传感器的温度及应变特性,并开展相关无线测试实验验证,为航空发动机或燃气轮机领域高速旋转部件及狭小空间工件表面的应力应变测量提供新的技术参考。