Page 70 - 《应用声学》2021年第2期

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型结构几何参数并与传统 SAW 应变传感器的应变
0 引言
灵敏度进行了对比，最后搭建受压弯曲微动实验平
台，对桥型 SAW 应变传感器和传统 SAW 应变传感
城市燃气管道 [1] 、叶轮 [2] 等设备容易受到自
器的应变灵敏度进行了测试分析。
身重力或外力作用影响而发生异常形变，实时进
行高灵敏度的形变监测并准确定位发生形变异常
1 理论分析
的高风险点，能够及时排除潜在故障，保障设备
的安全性。声表面波(Surface acoustic wave, SAW) 1.1 结构介绍
应变传感器因无线无源、精度高、功耗低、灵敏度 桥型 SAW 应变传感器的模型如图 1(a) 所示。
高等优势在上述结构监测中表现出了较高的应用 整个传感器是由一个中心频率为 433 MHz 的 SAW
价值 [3] 。 应变传感器和两个石英立柱及黏合剂组成，石英
为了提高 SAW 应变传感器的应变灵敏度，国 立柱是和压电基片材质完全相同的石英晶体。与
内外研究者做了多方面研究。Oh 等 [4] 从压电基片 如图 1(b) 所示的传统 SAW 应变传感器相比，桥型
切向方面对 SAW应变传感器应变灵敏度做了研究， SAW应变传感器增加了两个石英立柱，石英立柱与
通过改变压电基片的切向，采用水平剪切 (Shear 基片用黏合剂连接。传统 SAW 应变传感器与桥型
horizontal, SH) 波模式使 SAW 应变传感器的应变 结构传感器与待测构件均用黏合剂连接。
灵敏度提高了 15%；Maskay 等 [5] 研究报道了传感 当施加向下弯曲的载荷时，待测构件受压变形，
器的安装位置对应变灵敏度的影响，当 SAW 的传 如图 2 所示，在弯曲力矩的作用下中性层内侧材料
播方向平行于梁的纵轴时，所对应的应变灵敏度最 受剪切应力压缩而变短，中性层外侧材料受剪切
高；Kalinin 等 [6] 采用全石英的封装以减少传统金
属封装粘接层对应变灵敏度的影响；Ren 等 [7] 通过
刻蚀将 LiNbO 3 基片中心谐振器区域减薄来提高应 ᆃᔮ۳ྟ Ta
变灵敏度。上述研究者主要从器件切向设计、传感 ᆃᔮቡಏ T W
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器安装方式、粘接层影响、器件结构设计工艺等方 Ta L
面提高传感器的应变灵敏度，而从应变分布规律出 (a) ೄیSAWऄԫ͜ਖ٨
发设计合理的结构以提高 SAW 应变传感器应变灵
敏度未见相关报道。 ᆃᔮ۳ྟ
本文根据待测构件受压弯曲情况下的应变分 ᳫՌҎ
布特点提出一种桥型 SAW 应变传感器以提高应变
(b) ͜ፒSAWऄԫ͜ਖ٨
灵敏度。首先建立了桥型 SAW 应变传感器的有限
元模型，结合微扰法分析桥型结构几何参数对SAW 图 1 两种结构 SAW 应变传感器模型
传感器应变灵敏度的影响，根据分析结果确定了桥 Fig. 1 Two models of SAW strain sensor structures

C 
C 
C 

y
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C  C  C 
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图 2 受压弯曲条件下桥型 SAW 应变传感器形变示意图
Fig. 2 Deformation diagram of bridge SAW strain sensor under compression and bending