Page 72 - 《应用声学》2021年第2期

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中石英立柱几何参数长度 L、宽度 W、高度 T 进行 5 ∼ 10 mm 范围灵敏度增长率最高；应变灵敏度随
参数化扫描，桥型 SAW 传感器的应变灵敏度随石 立柱高度的增大呈先增大后减小趋势，且灵敏度最
英立柱几何参数的变化趋势如图5所示。 大值受立柱长度的影响，随立柱长度增大逐渐右移。

1900
3500
1850
3000
ऄԫ༧ஐए/(HzSme -1 ) 1750 ऄԫ༧ஐए/(HzSme -1 ) 2000 2000 ऄԫ༧ஐए/(HzSme -1 )
1800
2500
3000
1700
1500
1000
1650
1000
1600
0
1550 0 5 500
4
3 15 -500
1500 2
1 10 -1000
1450 0 5 ቡಏ᫂ए L/mm
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
ቡಏᰴए T/mm
ᳫՌҎԒए/mm
图 6 桥型 SAW 应变传感器立柱长度 L 和立柱高
图 4 桥型 SAW 应变传感器黏合剂厚度对应变灵 度 T 对应变灵敏度的影响
敏度的影响 Fig. 6 Influence of the length L and thickness
Fig. 4 Influence of the adhesive thickness of bridge T of the bridge SAW strain sensor on the strain
SAW strain sensor on strain sensitivity sensitivity
1950
根据仿真结果并结合实验条件限制，选取
1900
L = 9 mm、W = 13 mm、T = 0.35 mm 作为桥
1850
ऄԫ༧ஐए/(HzSme -1 ) 1750 T/⊲֒ W/ 图 3(b) 所示的桥型 SAW 应变传感器和传统 SAW
型 SAW 传感器结构的几何参数。构建如图 3(a)、
1800
1700
传感器的有限元仿真模型，对待测构件在 z 方向施
1650
T/⊲֒ W/
1600
T/⊲֒ W/
1550 T/⊲֒ W/ 加相同的应变，得到两种 SAW 应变传感器基片表
面的应变张量见表 3。结合表 2 的应变系数，可得到
T/⊲֒ W/
1500 T/⊲֒ W/
中心频率为433 MHz的桥型SAW 应变传感器和传
1450
5 10 15 20 统 SAW 应变传感器在主应变方向的应变灵敏度分
ቡಏ᫂ए L/mm
别为1812.3 Hz/µε、1473 Hz/µε。
图 5 桥型 SAW 应变传感器几何参数对应变灵敏
度的影响
2 实验验证
Fig. 5 Influence of geometric parameters of bridge
SAW strain sensor on strain sensitivity
根据理论分析结果，本实验所采用的 SAW 应
从图 5 可看出，石英立柱长度 L 和高度 T 变化 变传感器中心频率为 433 MHz，各部分的材料及几
对应变灵敏度的影响远大于立柱宽度 W 对灵敏度 何参数如表 4 所示，采用水平式快速夹具严格控制
的影响。对立柱长度和高度两个参数对应变灵敏 黏合剂厚度，谐振器两侧边缘分别与桥型结构石
度的影响进行综合分析，结果如图 6 所示，应变灵 英立柱内侧平面垂直齐平，制备桥型 SAW 应变传
敏度随着立柱长度的增加而增加后趋于平缓，在 感器。

表 3 两种 SAW 应变传感器的应变张量
Table 3 Strain tensor of two SAW strain sensors

xx yy zz yz xz xy
桥型 SAW 应变传感器 1.1354 × 10 −4 −3.7407 × 10 −5 −1.5512 × 10 −5 −3.2166 × 10 −8 1.3167 × 10 −7 9.2612 × 10 −6
传统 SAW 应变传感器 9.5553 × 10 −5 −3.2094 × 10 −5 −1.2983 × 10 −5 7.9969 × 10 −8 1.5553 × 10 −7 6.1508 × 10 −6