Page 73 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 李鹏旭等： 一种高灵敏度的桥型声表面波应变传感器 241

表 4 桥型 SAW 应变传感器的材料及几何参数 变灵敏度为 1328 Hz/µε，桥型结构比传统传感器应
Table 4 Material and geometric parame- 变灵敏度有明显提升。桥型和传统 SAW 应变传感
ters of bridge SAW strain sensor 器所测得的应变灵敏度与理论分析相对吻合，灵敏
度误差分别为7.1%、10.9%，存在误差的原因包括以
参数 值
下几点：黏合剂在粘接过程中厚度不能精确控制，实
SAW 传感器基片材料 Y34 石英
◦
验与仿真的尺寸略有偏差；粘接后会存在不同程度
立柱材料 Y34 石英
◦
的黏合剂溢出，对传感器的应变感知会有一定的影
黏合剂材料 环氧结构硬胶
响；理论仿真中对黏合剂的材料参数考虑不全面，其
SAW 传感器基片厚度/mm 0.35
硬度、固化程度、剪切强度等均会对应变灵敏度有
立柱高度 T/mm 0.35
影响，但在理论分析中难以仿真实现；实验平台中
立柱长度 L/mm 9
采集电路中引入的阻抗等均可能影响测试结果 [14] 。
立柱宽度 W/mm 13
黏合剂厚度 Ta/mm 0.03 通过对误差因素来源的分析，下一步可以严格控制
上述因素来提高测试的准确性，并实现对桥型SAW
为了测试桥型 SAW应变传感器的应变灵敏度，
应变传感器其他各项性能指标的分析。
搭建了如图 7 所示的受压弯曲实验平台。整个平台
包括微动台、不锈钢待测构件、传统 SAW 应变传感 5 250
器、桥型 SAW 应变传感器、商用电阻应变片及相应 ႃ᫾ऄԫྟ
4 ೄیSAW͜ਖ٨ 200
的数据采集模块。在待测构件受压弯曲时曲率较大 ͜ፒSAW͜ਖ٨
的同一高度 [13] ，按照如图 7 所示方式粘接 3 组传感 3 150
器进行应变感测。待测构件一端固定，另外一端施 ᮠဋϠረϙ/10 5 Hz 2 100 ऄԫϙ/µe
加 z 方向载荷使其产生弯曲变形，用网络分析仪采
集传统 SAW 应变传感器和桥型 SAW 应变传感器 1 50
的频率值，用应变仪模块采集应变值作为 SAW 应 0 0
变传感器的参考值。
-1 -50
0 10 20 30 40 50
௑ᫎ/min
᜜ྟ
ႃ᫾ऄԫྟ 图 8 商用电阻应变片及 SAW 传感器应变测量值
ᎪፏѬౢ́ ೄی࠰ᜉ
Fig. 8 Strain measurement values of the commer-
ऄԫ́വڱ cial resistance strain gauge and SAW sensors

4.5
ೄی͜ਖ٨ࠄᰎϙ
ᝠካ఻ 4.0 ͜ፒ͜ਖ٨ࠄᰎϙ
ೄی͜ਖ٨ေ᝷ϙ
ᮠဋϠረ/10 5 Hz 2.5
3.5
ॲүԼ 3.0 ͜ፒ͜ਖ٨ေ᝷ϙ
图 7 SAW 应变传感器受压弯曲微动实验平台示意图 2.0
Fig. 7 Schematic diagram of SAW strain sensor com- 1.5
pression bending micro-motion experimental plat- 1.0
form 0.5
0
实验测得传统 SAW 应变传感器和桥型 SAW 0 50 100 ऄԫ/µe 150 200 250
应变传感器的随应变变化的频率偏移数据如图8 所
图 9 传统和桥型 SAW 应变传感器应变灵敏度拟
示，拟合曲线如图9所示。 合曲线
从拟合曲线可以得到桥型 SAW 应变传感器的 Fig. 9 Fitting curve of strain sensitivity of tradi-
应变灵敏度为 1692 Hz/µε，传统 SAW 传感器的应 tional and bridge SAW strain sensors