[发明专利]SAW扭矩和温度传感器

说明书

本发明涉及一种用于测量扭矩和温度的基于SAW的传感器。

申请人自己早期的英国专利第2381069号公开了一种用于非接触测量旋转轴上扭矩的SAW传感器，其包括两个设置于用Y+34°切向的石英制成的单独基底上的SAW装置，其中一个SAW装置相对于基底X轴+45°定向，另一个SAW装置相对于X轴-45°定向。那么由两个SAW装置获得的信号之间的差(如果两个装置是谐振器则为谐振频率的差F_M＝f₁-f₂或如果两个装置是反射延迟线则为相位延迟的差)与扭矩成比例，且差分测量允许部分补偿老化效果、温度影响和由RF旋转耦合器引起的旋转误差。Y+34°切向的石英和相对于X轴45°定向的SAW装置的使用得到扭矩的高灵敏度值，减少扭矩灵敏度随温度的变化，减少谐振频率随温度的变化。

因此现有技术系统在一定的范围上简化了扭矩读数的温度补偿，但是不能完全地排除补偿的需要。实际上，在-30℃到+90℃温度范围内，附着于钢轴的扭矩传感器灵敏度的典型变化在大约1-2％。此外，由于两个SAW装置不是绝对地相同，大约相差满刻度的8-10％，所以在零扭矩(零偏移F₀)的频率差F_M也随温度变化。结果，为了达到高精度的扭矩测量，我们还需要测量温度，然后用校准信息实现补偿。因此放置于紧密接近扭矩传感器的外部半导体、热电阻或热电偶传感器可典型地用作温度测量。不管用何种方法，这些装置必须不可避免地远离SAW基底，从而限制了所获得的基底温度读数的精确度。

GB2386684公开了一种基于SAW的压力传感器，该压力传感器具有设置在一个单独基底上的3个SAW装置，以使得可以获得压力和温度读数。其中一个SAW谐振器，PSAW，设置在基底上的一部分上，该部分受到由于压力变化导致的应变变化，同时其他两个SAW谐振器设置在基底上无应变的区域。通过使用这三个谐振器，可计算两个频率差分：F_p-PSAW的谐振频率和其中一个平行于PSAW的无应变SAW(T1SAW)的谐振频率之间的差，其值主要仅仅取决于压力(F_p的温度补偿依靠差分测量获得)。第三谐振器(T2SAW)与T1SAW和PSAW成一角度，因此由于基底的各向异性，第三谐振器(T2SAW)的温度特征不同于T1SAW的温度特征。结果，T1SAW和T2SAW的谐振频率的差F_t仅仅依赖于温度，因而由F_t的测量值可以容易地计算出温度。

根据本发明，提供一种基于非接触SAW的扭矩和温度传感器，所述扭矩和温度传感器包括：设置在用Y+34°切向的石英制成的基底上的第一和第二SAW谐振器，所述第一SAW具有相对于基底的X轴倾斜+45°的主轴，所述主轴在使用中，与被测扭矩的装置的纵向轴成一行排列或者垂直于被测扭矩的装置的纵向轴，而所述第二SAW具有相对于基底的X轴倾斜-45°的主轴，且所述扭矩和温度传感器还包括第三SAW，所述第三SAW的主轴相对于第一和第二谐振器的主轴倾斜一定的角度。

根据本发明的传感器，其优势在于，它提供了无源无线传感器，该无源无线传感器提供信息用于以特别精确的方式计算扭矩和局部温度，不受老化或者由RF旋转耦合器引起的旋转误差的影响。

在一个实施例中，所有三个SAW都设置在一个单独基底上。然而，在一个选择性的排列中，第一和第二SAW提供在第一公共基底上，而第三SAW提供在第二单独形成的基底上，该第二基底与第一基底封装在单独的封装体中。第二基底可使其X轴与第一基底的X轴成一行排列或者成90°排列，并且第二基底优选地由压电材料形成，特别地具有基本上在10到25ppm/℃范围内的频率的线性温度系数。特别有利的是，第二基底用石英形成，特别地优选Y切向石英和一直到Y+25°的旋转Y切向石英。

第三SAW优选地相对于该基底或每个基底的X轴以α角度倾斜，其中α基本上在0≤α≤30°范围内，且优选地小于30°。

在又一个有利变型中，传感器包括第四SAW谐振器，该第四SAW谐振器以与第三SAW的倾斜角相等且相反的角度倾斜，特别地，所述第三和第四SAW相对于基底的X轴对称地排列。然后第三和第四SAW都用于提供温度信息。优选地，第三和第四SAW分别地相对于基底的X轴倾斜+α°和-α°，并置于公共基底上，该公共基底与承载第一和第二SAW的基底分离形成，但是优选地与其集成形成。

为了更好地了解本发明，将描述通过举例给出的一些实施例，并且参考附图，其中：