差分式声表面波温度应变复合传感器.pdf

第 43 卷 第 2 期Vol.43,No.22024 年 3 月Journal of Applied AcousticsMarch,2024 研究报告 差分式声表面波温度应变复合传感器郭大鹏1,3王冠夫2史汝川1,3吴润发1,3沈 衍2白洪涛2(1 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240)(2 国网辽宁省电力有限公司辽阳公司辽阳111000)(3 劭行(苏州)智能科技有限公司上海200240)摘要：基于声表面波理论和微扰理论，提出了并研制由3个谐振器组成的差分式声表面波温度应变复合传感器。通过有限元分析软件对AT切和XY切的两种声表面波谐振器进行了仿真，根据其频率-应变响应和频率-温度响应，设计并研制了能够进行温度补偿和应力-应变补偿的温度应变传感器，传感器的应力测量灵敏度为100 Hz/，温度测量灵敏度为80 kHz/C。该传感器成功应用到了隔离开关的状态监测。现场测试表明，该传感器对隔离开关触指温度和应变的检测可实现对隔离开关工作状态的有效判别，在未来的电力系统设备在线检测中具有重要的应用前景。关键词：声表面波；频率偏移；温度；应变；隔离开关中图法分类号:TN98文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)02-0421-06DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.02.021Temperature and stress-strain state monitoring of isolation switch based onsurface acoustic wave sensing technologyGUO Dapeng1,3WANG Guanfu2SHI Ruchuan1,3WU Runfa1,3SHEN Yan2BAI Hongtao2(1 School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)(2 State Grid Liaoning Electric Power Co.Ltd.Liaoyang Company,Liaoyang 111000,China)(3 Shaoxing Suzhou Intelligent Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:Based on surface acoustic wave(SAW)theory and perturbation theory,this paper proposes anddevelops a differential SAW temperature-strain composite sensor composed of three resonators for the first time.Two SAW resonators of AT cut and XY cut were simulated by finite element analysis software.According totheir frequency-strain response and frequency-temperature response,a temperature-strain sensor capable oftemperature compensation and strain compensation was designed and developed.The stress measurementsensitivity is 100 Hz/,and the temperature measurement sensitivity is 80 kHz/C.The sensor has beensuccessfully applied to the state monitoring of the isolating switch.Experimental data at testing ground showthat the sensor can detect the temperature and strain of the isolating switchs fingers,which can effectivelydiscriminate the working state of the isolating switch.Keywords:Surface acoustic wave;Frequency shift;Temperature;Strain;Isolation switch2022-08-17收稿;2022-11-01定稿国网辽宁省电力有限公司管理科技项目(2021YF-31)作者简介:郭大鹏(1995),男,云南楚雄人,硕士研究生,研究方向:声表面波传感理论与技术。通信作者 E-mail:4222024 年 3 月0 引言应变传感器是航天航空和电力系统等领域的关键部件。传统应变传感器是基于电阻压电效应研制的，虽然具有体积小、测量范围广和结构简单等优点，但是存在力阻灵敏度低、温度漂移较大和需采用有源检测方式等劣势。而声表面波(Surfaceacoustic wave,SAW)应变传感器作为一种无线无源的新型应变传感器，具有无线无源、功耗低等优势，可实现无线无源在线监测，因此在结构监测中表现出较好的应用前景。为了提高SAW传感器的灵敏度、测量精度以及稳定性，国内外研究学者分别从SAW谐振器的基底材料的切向设计、振动模态、器件结构设计和安装方式等方面做了许多研究。文献12研究了延迟线型SAW应变传感器的LiNbO3基底在41和128两种切型的灵敏度，相比于SH振动模式，瑞利波振动模式具有更高的线性度；文献3研究了高温稳态应变下的硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)SAW谐振器特性，分析计算了温度应变的关系，并提出了温度补偿的方案；文献45设计了全石英封装结构的SAW应变传感器，并研究了粘接层对传感器的影响。文献68提出了使用Y-35X石英作为基底的单谐振式SAW应变传感器，其灵敏度达到598 Hz/，但单谐振器容易受到外界环境的干扰，因此后续的研究中采用正交结构来进行温度补偿；文献910也研究了SAW谐振器的固定胶层对灵敏度和温度漂移的影响；文献1112研究通过差分补偿结构提升传感器的灵敏度；文献1314研究了LGS的SAW 应变传感器的温度应变耦合效应，发现以LGS为基底的SAW应变传感器存在温度漂移效应。本文基于SAW谐振器的频率-应变特性和频率-温度特性，提出了由3个以石英为基底的SAW谐振器构成的SAW温度应变复合传感器，该传感器通过差分结构可同时进行温度补偿和应变补偿，提高了温度和应变测量的精度和可靠性。1 SAW温度应变复合传感器设计SAW传感器是由谐振器组合而成的，不同的组合结构所获得的测量结果也不同。为了实现温度应变复合检测，同时实现对应变测量结果进行温度补偿，本文提出了由3个谐振器构成的差分补偿温度应变复合传感器，其中，在应变方向上的SAW谐振器是对应力-应变敏感的AT切SAW谐振器，与应变相垂直的方向布置了2个谐振器，分别是对温度敏感的XY切SAW谐振器和用来进行应力-应变补偿的AT切SAW谐振器。SAW传感器的核心是谐振器谐振频率随应变和温度的变化关系。SAW谐振器的谐振频率在温度和应变影响下，SAW频率相对变化量的计算式为11ff0=CLMV0ua,M u,LdV2020V0u udV,(1)其中：f 为SAW频率偏移量；f0为无偏载时的平率；u为SAW位移；V0为器件体积；0为无偏载场时的密度；0为SAW的角频率；CLM为外界扰动时，SAW谐振器的基片材料的有效弹性常数，其表达式为CLM=TLM+CLMABEAB+CLKM u,K+CLKM u,K,(2)其中：TLM、EAB和 u,K分别是外界应力或温度偏载产生的基片表面应力分量、应变分量和位移分量；CLKM为二阶弹性常数，CLMAB为三阶弹性常数，均可在相关文献中获得；为狄拉克算符。通过对被测点的受力分析，将其应力偏载场分量和温度引入至谐振器，即可通过有限元分析获得基片上的应力分量、应变分量、位移参数和电学参数。结合上述参数和式(2)可得基片材料的有效材料常数，再代入式(1)即可获得SAW频率的相对变化量。上述计算过程可以通过COMSOL软件实现。通过有限元分析软件计算了两种切型(XY切(欧拉角为：0,90,0)和AT切(欧拉角为：0,126,0)下的SAW 谐振器在不同的应变和温度偏载下的谐振器频率变化量，计算结果如图1所示。从图1(a)中可得，在不同的应变偏载下，AT切SAW谐振器的谐振频率偏移量与应变偏载量成正比关系，可以通过谐振频率的变化量表征应变变化，从而实现对应变的测量。从图1(b)中可得，与AT切SAW谐振器相比，XY切的SAW谐振器表现出温度敏感性，其谐振频率偏移量和温度偏载量成正比，可以通过谐振频率偏移量表征温度的变化，从而实现温度的测量。第43卷 第2期郭大鹏等：差分式声表面波温度应变复合传感器423(a)?-?(b)?-?10020304050T/Cf/MHz6070350300250200150100500S/mequart/0-126-0quart/0-126-0quart/0-90-0quartz/0-126-0quartz/0-90-0quart/0-90-0440.77443.0442.5442.0442.0441.8441.6441.4441.2441.0440.8440.6441.5441.0440.5440.76440.75440.74440.73440.72图1AT切和XY切SAW谐振器应变-频率响应及谐振器温度-频率响应Fig.1 AT-cut and XY-cut SAW resonator strainresponse and temperature response本文提出的温度应变复合传感器的谐振器排列方式和传感器实物如图2所示，其中图2(a)中的两个AT切谐振器，受到的温度偏载量相同，差分后可补偿温度偏载对应力-应变测量的影响，提高应力应变测量的准确度。与应变方向相垂直的AT切和XY切的谐振器，所受的应力-应变偏载量相同，差分后可消除应力-应变偏载量的影响，实现对温度的准确测量。?ATATXYXYATAT?(a)?(b)?图2传感器芯片和封装设计及实物Fig.2 Sensor chip and packaging design and objectsSAW传感器需通过天线接收射频信号，射频信号通过金线连接到谐振器上，谐振器上的插指换能器通过逆压电效应激发SAW，反射回来的SAW信号携带着检测信息并通过插指换能器将SAW信号转化为电信号，再通过天线发射到接收端。传感器通过封装结构来完成接收信号、传递信号和发射信号，封装结构的概念设计如图2(b)所示，其中谐振器和封装结构通过金线绑定，匹配电路和外围的封装材料是1 mm厚的印制电路板(Printed circuitboard,PCB)。通过标准应变片在悬臂梁上的测试，测试结果如图3所示，1 mm的PCB相比与无PCB将导致应变衰减12.5%。S/memkgPCB?PCB图3应变片在PCB和无PCB上的测试结果Fig.3 Test result of strain gage on PCB and no PCB2标定实验和结果SAW传感器通过谐振器谐振频率的变化表征物体表面的温度和应变，为了使SAW传感器的频率偏移量与温度和应变一一对应，需要对SAW传感器进行标定测试。虽然SAW温度应变复合传感器的谐振器的设计都是相同的，但是研制过程存在各种各样的因素导致传感器之间存在微小的差异，这些差异体现在频率偏移量和温度应变解析过程中的系数上。因此，每一个被应用到实际测量的温度应变复合传感器都需要进行标定测试，确定其解析系数，解析系数和传感器是一一对应的。本文使用的是标准热电偶温度计和悬臂梁来标定SAW传感器，标定方法是将贴有SAW温度应变复合传感器的悬臂梁放到温箱内，通过改变温箱温度和悬臂梁应力负载来标定SAW传感器。温箱的温度变化范围是0C 70C，应变范围是0 350。在25的恒定温度下的频率-应变响应和无应变时的频率-温度响应如图4所示。从图4(a)可得，当温度恒定时，在受力方向上的AT切型的4242024 年 3 月SAW谐振器的频率偏移量与应变量成正比，而垂直与应变方向上的AT切和XY切的SAW谐振器，受到的应变的影响相近，可以通过差分补偿的方式消除；从图4(b)可得，在无应变时，XY切SAW谐振器与温度变化呈正相关，而AT切的SAW 谐振器的受到温度的影响相同，差分补偿后可以消除温度的影响。(a)?-?(b)?-?35030025020015010050010020304050T/C6070S/meDf/MHzDf/MHzAT?XY?AT?AT?XY?AT?图4谐振器的频率-应变响应和频率-温度响应测试结果Fig.4 Frequency strain response and frequency tem-perature response test results of resonatorSAW温度应变复合传感器中两种类型的谐振器仿真和测试结构对比如图5所示。其中图5(a)对应的是25C下的应变-频率响应，从图5(a)中可以看出，仿真结果的灵敏度约为1 kHz/，测试结果显示25C时灵敏度约为0.1 kHz/，灵敏度差异的原因是被测点的应变通过固定胶层传递到封装结构，封装结构上的应变还需通过谐振器固定胶层传递才能传递到谐振器上，因此应变传递效率较低。如何提高应变传递效率是未来SAW应变传感器的需要解决的重要问题，也是提升SAW传感器灵敏度的一个重要因素。除此之外，本文构建的仿真模型也可能存在误差，该仿真模拟存在误差可能的原因有：(1)假设了谐振器监测区域的应变是均匀的，因此从悬臂梁模型导出测量点的应变量加载到谐振器模型的基底上，而实际谐振器基底区域所测量到的应变是非均匀的；(2)应变量也是直接加载到压电材料和电极上，而实际情况应该是加载在基底底部，由基底向电极向上传递的。这两部分影响在模型中还未能实现，因此存在模型仿真结果相比实际监测到的频率偏移量过高，后续的研究将继续改进优化模型，使SAW谐振器的仿真模型更加贴合测量实际。相比于应变量，图5(b)显示出温度测量的仿真结果和测试结果比较相近，虽然存在微小的差异，但是仿真的灵敏度和测试结果的灵敏度都约等于80 kHz/C。(a)?-?(b)?-?10020304050T/C6070350300250200150100500S/meDf/MHzDf/MHz(0,126,0)-?(0,126,0)-?(0,126,0)-?(0,126,0)-?(25 C)?(25 C)图5AT切谐振器和XY切谐振器仿真和测试结果Fig.5 Simulation and test results of AT cut res-onator and XY cut resonator标定测试确定了每个谐振器的温度和应变解析系数，通过差分补偿，即可获得SAW温度应变复合传感器在温度和应变偏载下的响应，如图6所示。差分补偿后的SAW传感器频率-应变响应如图6(a)第43卷 第2期郭大鹏等：差分式声表面波温度应变复合传感器425所示，温度差分补偿后，在不同温度下SAW传感器的谐振频率偏移量和应力-应变呈现明显的线性关系，可通过谐振频率偏移量表征应力-应变的变化，从图6(a)中可以看出，不同温度下频率-应变响应曲线的斜率不同，即温度的变化将导致应变测量灵敏度的变化，温度越高，灵敏度越低。应力差分补偿后的SAW传感器频率-温度响应如图6(b)所示，从图6(b)的拟合折线图可以得出，补偿后的不同应力-应变下SAW传感器谐振频率偏移量与温度变化呈现出较好的线性关系，因此可通过谐振频率偏移量表征温度变化。(a)?-?(?)(b)?-?(?)350300250200150100500S/meff/MHzff/MHzTC0 me70 me130 me200 me250 me3500 me0 C10 C20 C30 C40 C50 C60 C70 C图6温度补偿和应力补偿后的传感器响应Fig.6Sensor response after temperature com-pensation and stress compensation3 应用实例基于SAW温度应变复合传感器的特征，面向电力系统高压隔离开关状态检测的需求，本文研究设计了基于SAW温度应变复合传感器的隔离开关无线无源在线检测系统，通过现场测试验证，展现出了良好的性能。3.1隔离开关无线无源在线监测系统设计基于SAW温度应变复合传感器的隔离开无线无源在线监测系统如图7所示，主要分为3个部分，分别是传感器单元、阅读器单元和云平台。其中传感器单元是被动接收射频查询信号，再回传带有温度应变特征信号供阅读器解析；阅读器单元主要实现信号转换、射频信号的发射和接收以及传感器信号处理等；云平台单元即阅读器的上位机，可以查询访问阅读器上的数据，并实时显示隔离开关的温度应变数据和状态，实现对隔离开关的在线检测。?图7隔离开关在线监测系统概念设计Fig.7Conceptual design of disconnector onlinemonitoring system3.2现场测试将隔离刀闸的触指切削出一个约5 mm30 mm的平面，如图8所示，切削深度约1 mm，将传感器用特种航天级强力结构胶粘贴于切削平面上，待胶完全固化后开始调试测试系统进行测试。?图8SAW传感器固定位置和在线监测系统Fig.8 SAW sensor fixed position and online mon-itoring system在测试中，首先记录4组隔离刀闸在断路状态下传感器的测试数据；其次将隔离刀闸闭合并记录下4组传感器的测试数据；每隔30 min重复一次上述测量，重复3次，检测传感器的稳定性和可重复性，实验测试数据如表1所示。传感器所测量的温度均为环境温度(2C)，表1中数据包含了3次试验的结果，每次试验记录了4组数据，每组数据包含温度和应变两个信息。从4262024 年 3 月测量数据可以看出，当隔离开关的运行状态发生变化后，应变传感器检测到了约240 应变变化量，依据应变变化量，可以实现对隔离开关运行状态的有效判别。表1现场测试实验数据Table 1 Experimental data at testing ground实验次数测试次数断开状态闭合状态温度/C应变/温度/C应变/实验#111.5192.122922.2162.327432.162.326642.2172.3244实验#211.4241.425121.491.427732.1341.720241.7221.7252实验#311.4151.430122.1252.129332.3172.327841.8292.4245均值1.8519.51.952604 结论基于SAW传感技术和微扰理论，借助有限元软件，本文仿真了AT切和XY切的SAW谐振器的频率-应变响应和频率-温度响应，提出了由3个谐振器构成的具有差分补偿结构的温度应变复合传感器设计方案，并研制出了对应传感器。通过标定测试显示，该传感器的应力测量灵敏度为100 Hz/温度测量灵敏度为80 kHz/C。相比于其他的声表面波应变传感器，该复合传感器的应变灵敏度还有较大的提升空间，可通过封装结构进一步优化提升传感器的应变灵敏度。该差分式SAW温度应变复合传感器成功应用到了电力系统的高压隔离开关的状态监测上。现场测试表明，当隔离开关工作状态发生变化时，该传感器的可以检测到触指应轴向发生240 的应变变化，结合根据触指应变变化量和触指温度数据，可实现对隔离开关运行状态的有效判别，为隔离开关状态远程监测提供了良好的技术基础，证明了声表面波传感技术在电气设备状态监测方面的优势，未来可将声表面波传感器技术应用到其他需要温度和应变监测的关键电气设备上，更好地服务于电网建设和维护。参考文献1 Stoney R,Geraghty D,ODonnell G E.Characterizationof differentially measured strain using passive wireless sur-face acoustic wave(SAW)strain sensorsJ.IEEE SensorsJournal,2014,14(3):722728.2 Oh H,Lee K,Eun K,et al.Development of a high-sensitivity strain measurement system based on a SH SAWsensorJ.Journal of Micromechanics and Microengineer-ing,2012,22(2):025002.3 Maskay A,da Cunha M P.High-temperature static strainlangasite SAWR sensor:temperature compensation andnumerical calibration for direct strain readingJ.Sensorsand Actuators A:Physical,2017,259:3443.4 Li Q,Liu J,Yang B,et al.Highly sensitive surface acous-tic wave flexible strain sensorJ.IEEE Electron DeviceLetters,2019,40(6):961964.5 Kalinin V,Leigh A,Nowell A,et al.Strain transfer andcreep in all-quartz packaged SAW strain sensorsC.2018IEEE international Frequency Control 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