声表面波扭矩检测研究

发布时间：2017-10-13 15:00

  本文关键词：声表面波扭矩检测研究

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【摘要】：为了满足工业应用的不同需求,许多研究机构一直致力于新型扭矩传感技术的研究。声表面波技术是近些年来颇受推崇的新兴技术,由于它无源无线的特点,在温度、压力、应力、扭矩等传感方面具有独特优势。采用声表面波技术的扭矩检测已成为扭矩传感器研究的一个新方向。基于上述背景,论文对声表面波扭矩检测技术展开了研究。论文首先介绍了声表面波技术用于扭矩检测的理论基础。根据声表面波扭矩传感器的特点,论文设计了扭矩转轴,并采用COMSOL软件,对扭矩转轴上粘贴传感器的工作平面上应力应变进行了有限元仿真。在此基础上,论文进行了谐振器型声表面波扭矩检测的机理研究。扭矩导致转轴应变的变化,转轴上的应变传递到声表面波传感器,导致压电基底产生相应的初始应力应变。分析了在初始应力应变影响下的弹性波波动方程、弹性常数、密度的变化,建立了声表面波扭矩传感模型。基于该模型,以石英作为压电基底材料,仿真优化了不同欧拉角切型的声表面波扭矩传感器的扭矩灵敏度、机电耦合系数和频率温度系数等参数,为传感器的设计和制作提供了理论依据。根据声表面波扭矩传感器切型优化的结果,设计了两种不同谐振频率的扭矩传感器,优化设计了叉指换能器、反射栅的相应参数。为实现扭矩的无线传感,论文仿真设计并制作了可用于转轴的PCB环状天线,并利用网络分析仪对其性能进行了测试。根据测试结果,进一步对环状天线进行了阻抗匹配的仿真优化,最终设计出了性能满足要求的环状天线。论文最后搭建了扭矩实验平台。根据声表面波传感器制作单位的实际情况和现有切型,采用欧拉角为(118°,108°,4°)的石英作为声表面波传感器的压电基底,然后对传感器进行了有线和无线测试。通过有线的扭矩测试结果表明,声表面波传感器具有良好的线性度和重复性,实验测得扭矩灵敏度与理论值相比较小,据此分析了相应原因。在无线测试方面,通过分析扭矩传感器的回波信号的特点,设计了阅读器信号处理算法。将阅读器连接环状天线,对连接棒状天线的扭矩传感器进行了无线测试,验证了声表面波技术用于扭矩无线检测的可行性。
【关键词】：声表面波 欧拉角切型优化 扭矩传感 环状天线 谐振器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 引言11
• 1.2 扭矩检测研究现状11-13
• 1.2.1 扭矩测量方法11-12
• 1.2.2 国内外扭矩检测研究现状12-13
• 1.3 声表面波扭矩检测研究现状13-16
• 1.4 论文研究内容16-18
• 第二章 声表面波扭矩检测的理论基础18-26
• 2.1 声表面波传感器18-20
• 2.1.1 叉指换能器18
• 2.1.2 延迟线型声表面波传感器18-19
• 2.1.3 谐振器型声表面波传感器19-20
• 2.2 转轴扭矩检测原理20-24
• 2.2.1 转轴扭矩力学分析20-21
• 2.2.2 声表面波扭矩测量原理21-23
• 2.2.3 谐振频率测量原理23-24
• 2.3 天线24-26
• 第三章 声表面波扭矩检测的传感器研究26-51
• 3.1 扭矩转轴设计26-28
• 3.1.1 转轴设计26-27
• 3.1.2 转轴应力应变的有限元仿真27-28
• 3.2 声表面波扭矩传感机理研究28-37
• 3.2.1 弹性波波动方程29-33
• 3.2.1.1 压电介质耦合波方程29-30
• 3.2.1.2 压电介质Christoffel方程30-31
• 3.2.1.3 部分波理论31-32
• 3.2.1.4 边界条件32-33
• 3.2.2 弹性常数33-36
• 3.2.3 压电基底密度36-37
• 3.3 压电基底切型优化37-46
• 3.3.1 欧拉角与坐标变换37-38
• 3.3.2 表面有效介电常数方法38-40
• 3.3.3 仿真优化40-46
• 3.3.3.1 优化指标40-43
• 3.3.3.2 优化结果分析43-46
• 3.4 声表面波谐振器设计46-49
• 3.4.1 谐振频率46-47
• 3.4.2 谐振器各参数设计47-49
• 3.4.2.1 叉指换能器47
• 3.4.2.2 反射栅47-49
• 3.4.2.3 反射栅与叉指之间的距离49
• 3.5 本章小结49-51
• 第四章 声表面波扭矩检测的天线研究51-63
• 4.1 阅读器环状天线设计51-60
• 4.1.1 半波偶极子天线51-52
• 4.1.2 天线的设计与优化52-55
• 4.1.3 环状天线的测试与阻抗匹配55-60
• 4.2 传感器棒状天线60-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第五章 声表面波扭矩检测的实验测试63-76
• 5.1 传感器测试63-64
• 5.2 扭矩检测的有线测试64-69
• 5.3 扭矩检测的无线测试69-75
• 5.3.1 阅读器设计69-70
• 5.3.1.1 阅读器收发链路69-70
• 5.3.1.2 阅读器回波信号处理70
• 5.3.2 无线测试结果分析70-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-79
• 6.1 总结76-77
• 6.2 论文特色与创新点77
• 6.3 论文不足与展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-85
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：1025487