利用瑞利波进行非接触应变测量

1885年，一位英国科学家，瑞利勋爵，提出了假设^3.波可以在真空(或足够稀薄的介质，例如空气)和线性弹性半空间之间的平面边界上传播，在那里波的振幅随深度呈指数衰减。

瑞利预测，这些波可能是地震的一个显著组成部分，由于地震学记录的引入，这个事实在数年后的20世纪20年代才被确定。

这样的波浪⁴大约45年后由加州大学的怀特和沃特默制作。通常，这些波被称为表面声波(SAW)或瑞利波，位于各向同性弹性基底（如石英）的自由表面上。

如图1所示，波浪作用在固体上产生了位移模式，这些位移中的点表示物质颗粒，在没有波浪运动的情况下，它们名义上在垂直和水平方向上是等距离的。yabo214式(1)和式(2)分别提供沿x轴和z轴的位移分量。⁵

图1所示。表面声波。图片来源:Sensor Technology Ltd

(1）

(2）

地点:

• 一个为振幅常数
• k_R表示瑞利波数
• k_T=ω(ρ/μ)^1/2是横模的波数
• k_l= ω(ρ/(λ + μ))^1/2是纵模的波数
• μ和λ是弹性Lame常数，ω是圆频率，ρ是材料密度
• 年代_R= (k_R−k_T）^1/2和问_R= (k_R−k_l）^1/2
• x是面内位移，t是时候了，还有z为垂直位移

由于瑞利波的位移分量沿x和z轴,分别为(U_R和W_R)的相位为π/2时，粒子支持瑞利波的振荡模式为逆行椭圆，其法向(垂直)位移在深度约0.2 λ处达到最高的测试振yabo214幅_R(λ_R指瑞利波长）。

随后，在离表面几个波长的范围内，它衰减到零。此外，它在固体表面的平面中包含一个位移分量。

考虑到样品表层的材料特性会影响瑞利波的速度和衰减，瑞利波可以用来检测表层的残余应力，以及样品表层的热学和力学特性。

对于非侵入式构件表面测试，特别是应变测试，瑞雷波的应用就是基于这一现象。需要一种能够测量这种现象的传感器设计。

表面声波换能器的构造

一个声表面波与该方向的体波相速度相比，具有一个重要的特征，它的相速度略小。

此外，瑞利波速度约为10⁵比真空中电磁辐射的速度慢一倍。

因此，对于相同的频率，弹性波的波长比相应的电磁波的波长低10倍⁵．

这一结果对随后的测量仪的几何结构具有即时重要性，并显示了表面波技术背后的原理。设备本身可能比其电磁等效物更小，另外的优势是表面波可以在其路径上的任何点立即被感知。

值得注意的是，它可以显示出来^3.瑞利波不能证明相速度色散，因此速度不依赖于频率。压电材料表面的金属膜传感器产生瑞利波，如图2所示。

图2。基本SAW传感器概述。图片来源：Sensor Technology Ltd

这些金属薄膜传感器具有交叉数字配置，可以通过经典集成电路技术立即开发。所产生的波的周期由手指的周期来调节。

当交变电压加到换能器上时，压电材料的表面会间歇性地波动，从而产生波。当这些波被一个类似的阵列反射时，就会产生一个单端口结构，阵列的阻抗可以设定在一个特定的频率，通常是50 Ω。

图3。由石英制成的200mhz SAW谐振器，如图所示。图片来源:Sensor Technology Ltd

应变测量用声表面波传感器的工作取决于选择合适的压电衬底。这个压电基板可以连接到材料上，这是被强调的。由应力引起的应变可以处于拉的状态，也可以处于压缩的状态。

换能器的敏感轴在波传播方向上是纵向的。应变的变化会改变数字间电极的间距，这就是工作频率的原因。

例如，对于500 MHz的激励频率，1000με的张力将使频率降低500 KHz（简单地说：1000.e^-6.500.e⁶）;同时，压缩应变将使频率提高同样的幅度。

换能器的质量因数(Q)很高，通常为10⁴. 因此，可以计算阻抗来控制跟踪振荡器；这可以显示谐振频率在几赫兹以内。从所讨论的技术可以清楚地看出，输出信号将位于图4所示的频域中。

图4。频域声表面波信号原理图。图片来源:Sensor Technology Ltd

从应用的角度来看，这有几个优点，特别是在变速电机中，其中驱动电子产生的噪声容易污染低频信号。设计于50年代Ω 根据标准，声表面波阻抗意味着噪声通常比传统电阻计等效值（电阻通常为100–350）小Ω).

看到信号的最高力量在该地区的25 mW,所以,相比10 V网格状电阻应变仪系统为例,在输出应变信号的总功率约为1μW,看到供应测量应变的功能更强大的解决方案。

虽然压电传感器可用于动态应变传感，但它们具有高输出阻抗和较差的温度性能，这两者都是主要缺点。

声表面波器件在应变测量中的应用

扭矩测量

开发工程师使用的一种常见设备是扭矩（径向应变）传感器。可以通过对转速和扭矩的进一步了解来显示功率，从而可以快速评估电机、变速箱、变速箱和多个系统的效率。

为了使用SAW元件原理，在半桥中使用两个设备——一个定位于监测主拉伸应变，另一个定位于响应主压缩应变——作为标准电阻应变测量的配置。

值得注意的是，在没有弯矩和轴力的情况下，主应力面与产生张力的平面垂直45°。如图5所示。

图5。用于扭矩测量的SAW表装置。图片来源:Sensor Technology Ltd

声表面波产生两个频率，并将它们组合在一起来计算差信号和/或和信号。这个差分信号是由扭转力矩引起的应变的测量，因此，扭矩是基于对控制方程和材料特性的理解而隐含的。

图6。典型的结构-带有两个锯片的轴。图片来源:Sensor Technology Ltd

然而，求和信号是轴温的测量值。一个电磁耦合装置被用来理解信号的耦合和从机械轴。

该电磁耦合装置由一对同心线圈组成，并以适当的距离分开;一个同心圆环固定在轴壳上，而另一个连接在转轴上，提供非接触讯问，本质上是安全的。这种耦合如图7所示。

图7。电磁联轴器安装在轴上。图片来源:Sensor Technology Ltd

振荡的主频可选择在100 - 1000 MHz之间，差频可达1 MHz。这样的传感器有以下规格:

• 决议:1 / 10⁶
• 带宽:> 1 MHz
• 线性度:0.1%

结论

本文展示了如何看到设备可用作频域应变计。比以前的设备提高两个数量级的灵敏度并非不切实际。此外，低功耗需求，结合低阻抗，使这些设备优于传统电阻计。

由于它们的简单和易于制造，这些设备很可能在21世纪很好地工作^圣世纪，就像电阻计，它在20年代服役^th世纪。

参考文献

1. A朗斯代尔& B朗斯代尔欧盟专利EP518900，美国专利5585571
2. “弹性理论”，Timoshenko，S.P.，和Goodier，J.N.，第三版，1970年，McGraw-Hill公司。
3. 瑞利勋爵(J. Strutt):“在弹性固体的平面上传播的波。”数学。Soc。， (17): 4 - 1885。
4. White, R.M.和volmer, F.W.:“压电直接耦合到表面弹性波”，应用物理学。信,(7页314- 316,1965。
5. 维克托罗夫:“瑞利和兰姆波-物理理论和应用”，普里enum出版社，纽约，1967。

此信息已从Sensor Technology Ltd提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

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