[发明专利]基于表面横波的转轴扭矩测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种用于转轴扭矩测量装置，具体是在优化选择声表面波模式的基础上，通过数值模拟合理地选择具有较小温度系数、较大扭矩灵敏度的表面横波(STW)谐振器(STWR)的基片切型，通过射频激励和回波检测从而实现扭矩的无线无源检测。

背景技术

旋转动力传输是回转机械系统动力传输的重要手段之一,机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息。准确的扭矩测量一方面能够为旋转机械设计提供科学依据，对动力机械的功率输出是否达到设计要求进行必要的检验。另一方面，准确的扭矩测量是确保动力系统和设备安全的重要手段之一。因此研究适合动态旋转状态下的扭矩传感器是非常有意义的。基于声表面波(SurfaceAcousticWave，简写为SAW)技术的传感器是纯无源且便于进行无线测量和传输，这对于运动部件、密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。目前国际上已研制成功了以石英晶体为基片的瑞利波模式的声表面波扭矩传感器。虽然瑞利波模式的基础理论较为成熟，但是瑞利波模式的谐振器的Q值很难做的很高，这导致瑞利波模式的谐振器回波信号弱，不利于信号解调，影响扭矩测量精度和测量距离。因此，研制声表面波扭矩传感器必须要很好解决谐振器的Q值问题。

在各种声表面波模式中，有一种沿着周期栅阵下表面传播的波叫表面横波(STW)，它是声表面波中的另外一种模式。基于STW模式的谐振器(STWR)具有许多潜在的优点：首先，它的传播损耗相比瑞利波模式要小，因此容易得到较大的Q值，使它的回波信号大，有利于提高其工作距离和测量精度。实验表明，在AT切石英基片上制作的1GHz的STW谐振器的有载Q值能达到40000，而瑞利波模式的Q值只有10500。其次，它可以承受更大的功率而具有更高的功率容量，因此具有很好的噪声抑制性能。最后，它的速度比瑞利波大1.6倍左右，因此在尺寸固定的情况下可以工作在更高的频率。目前STW器件用于温度、生物、化学、加速度测量等方面都有研究报道。此外，对于石英晶体的某些切型，STW对外界力的敏感度接近瑞利波模式。STW的这些特性对转轴扭矩测量也是非常有利的，但迄今为止尚未见到有关把STW器件用于扭矩测量的报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高扭矩传感器的无线阅读距离和测量精度的基于表面横波的转轴扭矩测量装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于表面横波的转轴扭矩测量装置，包括相互配合的测量机构及控制机构；其中所述测量机构包括：转轴体；第一表面横波谐振器，所述第一表面横波谐振器通过粘结剂设置在所述转轴体上；第二表面横波谐振器，所述第二表面横波谐振器通过粘结剂设置在所述转轴体上；其中所述第一表面横波谐振器的轴向方向与所述转轴体的轴向方向之间的夹角为45°，所述第二表面横波谐振器的轴向方向与所述转轴体的轴向方向之间的夹角为135°；第一天线及第二天线，所述第一天线及所述第二天线分别通过连接线与所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器连接；所述控制机构包括阅读器及设置在所述阅读器上的阅读天线；所述测量机构及所述控制机构通过所述第一天线、所述第二天线及所述阅读天线通信。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器为单端对谐振器。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为37°～41°，进动角为90°。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的切向欧拉角为：自转角为0，章动角为38.8°，进动角为90°。

优选地，所述第一表面横波谐振器及所述第二表面横波谐振器的基片的材质为石英晶体。

优选地，所述第一表面横波谐振器的中心频率为438MHz。

优选地，所述第二表面横波谐振器的中心频率为435MHz。

优选地，所述连接线为硅铝丝。

优选地，所述第一天线及所述第二天线为表面横波天线。

优选地，所述转轴体为转轴弹性体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)在声表面波的模式选择上不再单纯地采用常用的瑞利波模式，而是采用传播损耗较小的表面横波模式，使谐振器的Q值更大，以提高对回波信号的解调准确度，从而提高扭矩测量精度；