专利名称：无源saw加速度计及加速度测试方法
技术领域：
本发明涉及SAW器件作为敏感元件的传感器领域，特别涉及一种可实现无源化检测的SAW加速度计。
背景技术：
自1965年怀特(R. M. White)和沃尔特默(F. M. Voltmer)用叉指换能器(IDT)在压电材料表面激发出声表面波(SAW)以来，SAW技术在多个领域得到迅猛发展。基于SAW技术的传感器实现了多种物理量的检测，特别是在加速度检测方面取得了良好的效果。1988年底,法国Thomson-CSF研究中心的Hartemann博士等研制出拉_压式、非悬臂梁式、双非悬臂梁式及角形悬臂梁式四种类型的SAW加速度计，其中在分辨率方面，除拉-压式外，其余均可达到系统应用的要求。在国内，西北工业大学在悬臂梁式SAW加速度计领域开展了多年的研究，温度漂移抑制、闭环控制、信号的快速处理技术是其研究的重点并有所突破。在现有的SAW加速度计中，加速度计工作时需要有相应的供电电源，增加了成本和体积，也不适合在长寿命的场合应用；其次，加速度计工作需要有外部电路，客观上也增加了成本和体积，不利于器件的微型化；另外，信号处理终端和加速度计之间通过信号线进行信号传输，在一些距离较大且加速度计布点较多的场合需要很长的信号线才能满足使用要求，增加了检测的复杂性。

发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单且可实现无源化检测的SAW加速度计。本发明的目的之一是提出一种无源SAW加速度；本发明的目的之二是提出一种利用该无源SAW加速度计来进行加速度测试方法。本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的
本发明提供的无源SAW加速度计，包括外壳、设置于外壳内的基片上的力转换装置和SAff器件；
所述SAW器件包括换能器和用于反射从换能器发出的并沿基片表面传播信号的第二反射栅；
所述换能器设置有用于输入输出信号的电极；
所述力转换装置包括悬臂梁、质量块和与外壳固定连接的固定块；
所述固定块与悬臂梁连接，所述悬臂梁与质量块连接；
所述第二反射栅及换能器之间的区域位于悬臂梁上表面。进一步，所述力转换装置还包括信号连接线和用于信号收发的天线，所述换能器的电极通过信号连接线与天线相连。进一步，所述SAW器件还包括第一反射栅，所述第一反射栅与换能器之间的区域位于固定块上表面，所述第一反射栅与第二反射栅关于换能器对称分布。进一步，所述SAW器件为谐振器型结构或延迟型SAW器件，且第一反射栅位于悬臂梁的上表面。进一步，所述悬臂梁、固定块的厚度相同，且质量块、悬臂梁通过分立制作后粘接
在一起。进一步，所述SAW器件还包括设置于固定块的上表面的第三反射栅，所述第三反射栅与第一反射栅位于换能器同侧，且在高度方向完全分离无叠加。进一步，所述基片为石英和/或铌酸锂材料。本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的 本发明提供的利用所述无源SAW加速度计进行加速度测试方法，包括以下步骤
51:获取换能器与第二反射栅之间的信号传播时间t2 ；
52:通过第二反射栅标定时间计算信号传播时间的改变量Λ t2 ；
53:根据传播时间改变量Λ t2与加速度函数关系解算出输入加速度的值。进一步，所述解算出输入加速度的值还包括以下修正步骤
531:获取换能器与第一反射栅之间的传播时间h ；
532:通过第一反射栅传播时间h及其标定时间计算传播时间改变量Λ ；
533:根据传播时间的改变量Λ h与温度的函数关系以及传播时间的改变量Λ t2与加速度函数关系解算出输入加速度值
Zl t1=f1 (,Τ),Δ t2=f2 ia, T)；
其中，所述函数关系和f2通过提前标定得到的函数表达式。进一步，所述解算出输入加速度的值还包括以下修正步骤
S34:获取换能器分别与第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅之间的传输时间分别为11、12、t3 ；
535:通过第一反射栅传输时间、第二反射栅传输时间匕、第三反射栅传输时间G及其标定时间分别计算传播时间改变量Zl t2、A t3%
536:获取无源SAW加速度计到终端的传输距离S ；
537:通过传播时间改变量Zl t2、A G与温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离^之间的加速度函数关系解算出输入加速度值
Λ t1=f1 (J，S)
Δ t2=f2 (J，S)
Δ t3=f3 {a, Tr S)
其中，所述加速度函数关系f1、f2及f3是通过对温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离^三个参变量进行提前标定得到的函数表达式。本发明的优点在于本发明采用力转换装置、SAW器件、天线和信号连接线构成无源SAW加速度，通过力转换装置的固定块与外壳固接在一起，当外部环境条件不变且敏感轴方向有加速度a输入时，力转换装置的质量块产生惯性力使得其悬臂梁绕固定块挠性弯曲，悬臂梁表面产生相应的应变，SAW在悬臂梁表面的传播速度、换能器与第二反射栅之间的传播距离和传播时间t2均发生改变，通过分析传播时间的改变量Λ t2可解算出输入加速度的值；而固定块下表面固接于器件外壳其上表面不产生应变，即换能器与第一反射栅之间的距离不变，SAff在悬臂梁表面的传播速度、换能器与第一反射栅之间的传播距离和传播时间h均不变；若外界温度T发生变化且有加速度a输入时，SAW在换能器与第二反射栅之间的传播时间t2、在换能器与第一反射栅之间的传播时间h均发生改变，且改变量Λ h和Λ t2满足函数关系Λ tffi (T), Δ t2=f2 (a, T),通过提前标定可得到函数和f2,对两个函数进行综合解算即可得出输入加速度的值a，通过该种方法可对温度信号的干扰进行有效抑制，提高输出的稳定性和精度。并且信号的收发均通过天线完成，实现了加速度量的无源化检测。克服了现有技术中的不足之处，具体表现在首先有源加速度计需要电源供电才能工作，缩短了整个器件的使用寿命，不适合长寿命工作的应用场合；其次有源SAW加速度计供电电源及换能器激振电路的存在也增加了器件的体积和成本，不利于器件的进一步微型化及低成本化；另外，有源SAW加速度计的输出信号经由信号线后到达信号处理终端，在一些距离较大及加速度计布点较多的应用场合，信号线过多增加了检测过程中布线的复杂性，增加了工程应用的成本。
同时，该无源SAW加速度还具体以下优点
其一，加速度计器件内部无供电电源，使用寿命不受电源电量的限制，相对有源加速度计可较大幅度的提闻使用寿命；
其二，加速度计器件内部无需供电电源和换能器激振电路，成本低，体积小，可实现器件的微型化；
其三，加速度计信号的输出通过无线传输的方式实现，省去了冗长的信号线，极大地降低了多点加速度检测时的布线复杂性。


为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图1是使用本发明的实施方案I的无源SAW加速度计示意图，其中SAW器件为延迟型结构且左端为一个反射栅；
图2是使用本发明的实施方案2的无源SAW加速度计示意图，其中SAW器件为谐振器型结构；
图3是使用本发明的实施方案3的无源SAW加速度计示意图，其中SAW器件为延迟型结构且左端为两个反射栅；
图4是使用本发明的力转换装置的一个实施方案示意图。
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。实施例1
图1是使用本发明的实施方案I的无源SAW加速度计示意图，其中SAW器件为延迟型结构且左端为一个反射栅，如图所示本发明提供的无源SAW加速度计，包括外壳、设置于外壳内的基片上的力转换装置和SAW器件；所述SAW器件包括换能器和用于反射从换能器发出的并沿基片表面传播信号的第二反射栅；
所述换能器设置有用于输入输出信号的电极；
所述力转换装置包括悬臂梁、质量块和与外壳固定连接的固定块；
所述固定块与悬臂梁连接，所述悬臂梁与质量块连接；
所述第二反射栅及换能器之间的区域位于悬臂梁上表面。作为本发明实施例的另一个优选方案，还包括信号连接线和用于信号收发的天线，所述换能器的电极通过信号连接线与天线相连。作为本发明实施例的另一个优选方案，所述SAW器件还包括第一反射栅，所述第一反射栅与换能器之间的区域位于固定块上表面，所述第一反射栅与第二反射栅关于换能 器对称分布。作为本发明实施例的另一个优选方案，所述SAW器件为谐振器型结构或延迟型SAff器件，且第一反射栅位于悬臂梁的上表面。作为本发明实施例的另一个优选方案，所述悬臂梁、固定块的厚度相同，且质量块、悬臂梁通过分立制作后粘接在一起。作为本发明实施例的另一个优选方案，所述SAW器件还包括设置于固定块的上表面的第三反射栅，所述第三反射栅与第一反射栅位于换能器同侧，且在高度方向完全分离无叠加，即两个反射栅在悬臂梁宽度方向要分开，目的是反射信号不会有干扰。作为本发明实施例的另一个优选方案，所述基片为石英和/或铌酸锂材料。本发明实施例的还提供了一种利用该无源SAW加速度计来进行加速度测试的方法，包括以下步骤
S1:获取换能器与第二反射栅之间的信号传播时间t2 ；
52:通过第二反射栅标定时间计算信号传播时间的改变量Λ t2 ；
53:根据传播时间改变量Λ t2与加速度函数关系解算出输入加速度的值。所述解算出输入加速度的值还包括以下修正步骤
531:获取换能器与第一反射栅之间的传播时间h ；
532:通过第一反射栅传播时间h及其标定时间计算传播时间改变量Λ ；
533:根据传播时间的改变量Λ h与温度的函数关系以及传播时间的改变量Λ t2与加速度函数关系解算出输入加速度值
Zl t1=f1 (,Τ),Δ t2=f2 ia, T)；
其中，所述函数关系和f2通过提前标定得到的函数表达式，采用二维标定法可以得到该函数表达式。所述解算出输入加速度的值还包括以下修正步骤
S34:获取换能器分别与第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅之间的传输时间分别为
11、12、t3 ；
535:通过第一反射栅传输时间、第二反射栅传输时间匕、第三反射栅传输时间G及其标定时间分别计算传播时间改变量Zl t2、A t3%
536:获取无源SAW加速度计到终端的传输距离S ；
537:通过传播时间改变量Zl t2、A G与温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离S之间的加速度函数关系解算出输入加速度值
λ t1=f1 σ，s)
Δ t2=f2 (J，S)
Δ t3=f3 {a, Tr S)
其中，所述加速度函数关系f1、f2及f3是通过对温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离^三个参变量进行提前标定得到的函数表达式，采用二维标定法可以得到该函数表达式。图4是使用本发明的力转换装置的一个实施方案示意图，本实施方案的固定块7 和悬臂梁5厚度相同，可通过在基片表面制作SAW器件后划片得到，质量块6和悬臂梁5经粘接的方式固接到一起，本实施方案中力转换装置2具有结构简单且易于加工的优点。实施例2
图2是使用本发明的实施方案2的无源SAW加速度计示意图，其中SAW器件为谐振器型结构，本实施例与实施例1的区别仅在于在该实施方案中，第一反射栅4a及其与换能器3之间的区域均位于悬臂梁5的上表面，且与第二反射栅4b关于换能器3左右对称分布，换能器3与第一反射栅4a、第二反射栅4b构成谐振器型SAW器件1.有加速度a输入时，悬臂梁5表面产生应变，换能器3的叉指电极的宽度、间距变化，SAW在悬臂梁5表面的传播速度也产生变化，进而可计算得出输入加速度a。实施例3
图3是使用本发明的实施方案3的无源SAW加速度计示意图，其中SAW器件为延迟型结构且左端为两个反射栅；本实施例与实施例1的区别仅在于
在该实施方案中，换能器3左端制作第一反射栅4a、第二反射栅4b，右端制作第三反射栅4c，在实际的加速度测量中，SAW在换能器3与第一反射栅4a、换能器3与第二反射栅4b、换能器3与第三反射栅4c之间的传输时间不但受到温度Γ和输入加速度a的影响，其在无线传送到终端处理系统过程中也会受到传输距离S的影响，设终端获得的三个传输时间分别为h、t2、t3,三者与温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离S的函数关系可表示为
λ t1=f1 σ，s)
Δ t2=f2 (J，S)
Δ t3=f3 {a, Tr S)
通过对温度r、输入加速度a、加速度计到终端的传输距离S三个参变量进行提前标定可得到函数/,、厶及/^的确切表达式，采用二维标定法可以得到该函数表达式，对上述三个函数进行综合解算即可得出输入加速度的值3，相对于图1中的实施方案，该实施方案不但能对温度信号的干扰进行有效抑制，还可消除传输距离的不同带来的检测误差，检测精度更高。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.无源SAW加速度计，包括外壳，其特征在于还包括设置于外壳内的基片上的力转换装置和SAW器件；所述SAW器件包括换能器和用于反射从换能器发出的并沿基片表面传播信号的第二反射栅；所述换能器设置有用于输入输出信号的电极；所述力转换装置包括悬臂梁、质量块和与外壳固定连接的固定块；所述固定块与悬臂梁连接，所述悬臂梁与质量块连接；所述第二反射栅及换能器之间的区域位于悬臂梁上表面。
2.根据权利要求1所述的无源SAW加速度计，其特征在于还包括信号连接线和用于信号收发的天线，所述换能器的电极通过信号连接线与天线相连。
3.根据权利要求1所述的无源SAW加速度计，其特征在于所述SAW器件还包括第一反射栅，所述第一反射栅与换能器之间的区域位于固定块上表面，所述第一反射栅与第二反射栅关于换能器对称分布。
4.根据权利要求1所述的无源SAW加速度计，其特征在于所述SAW器件为谐振器型结构或延迟型SAW器件，且第一反射栅位于悬臂梁的上表面。
5.根据权利要求1所述的无源SAW加速度计，其特征在于所述悬臂梁、固定块的厚度相同，且质量块、悬臂梁通过分立制作后粘接在一起。
6.根据权利要求1所述的无源SAW加速度计，其特征在于所述SAW器件还包括设置于固定块的上表面的第三反射栅，所述第三反射栅与第一反射栅位于换能器同侧，且在高度方向完全分离无叠加。
7.根据权利要求1所述的无源SAW加速度计，其特征在于所述基片为石英和/或铌酸锂材料。
8.利用权利要求1所述的无源SAW加速度计进行加速度测试方法，其特征在于包括以下步骤51:获取换能器与第二反射栅之间的信号传播时间t2 ；52:通过第二反射栅标定时间计算信号传播时间的改变量Λ t2 ；53:根据传播时间改变量Λ t2与加速度函数关系解算出输入加速度的值。
9.根据权利要求8所述的加速度测试方法，其特征在于所述解算出输入加速度的值还包括以下修正步骤531:获取换能器与第一反射栅之间的传播时间h ；532:通过第一反射栅传播时间h及其标定时间计算传播时间改变量Λ ；533:根据传播时间的改变量Λ h与温度的函数关系以及传播时间的改变量Λ t2与加速度函数关系解算出输入加速度值Zl t1=f1 (,Τ),Δ t2=f2 ia, T)；其中，所述函数关系和f2通过提前标定得到的函数表达式。
10.根据权利要求8所述的加速度测试方法，其特征在于所述解算出输入加速度的值还包括以下修正步骤S34:获取换能器分别与第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅之间的传输时间分别为·11、12、t3 ；535:通过第一反射栅传输时间、第二反射栅传输时间匕、第三反射栅传输时间G及其标定时间分别计算传播时间改变量Zl t2、A t3%536:获取无源SAW加速度计到终端的传输距离S ；537:通过传播时间改变量Zl t2、A G与温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离^之间的加速度函数关系解算出输入加速度值Λ t1=f1 (J，S) Δ t2=f2 (J，S)Δ t3=f3 {a, Tr S)其中，所述加速度函数关系f1、f2及f3是通过对温度八输入加速度a、加速度计到终端的传输距离^三个参变量进行提前标定得到的函数表达式。
全文摘要
本发明公开了一种无源SAW加速度计及加速度测试方法，所述的加速度计由力转换装置2、SAW器件1、天线8及信号连接线9构成，SAW器件1包括换能器3、第一反射栅4a和第二反射栅4b，换能器的两个电极通过信号连接线与用于信号收发的天线相连；力转换装置2包括悬臂梁5、质量块6、固定块7，有加速度输入时，质量块产生惯性力和对固定块的惯性力矩，该力矩使得悬臂梁绕固定块挠曲变形和SAW信号在基片表面传输时间的变化，通过解算传输时间变化量即可得到输入加速度的值，信号的收发及能量的传递均通过天线完成，实现了加速度量的无源化检测。
文档编号G01P15/03GK103018484SQ20121057410
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者林丙涛, 卜继军, 马晋毅, 丁毅, 杜波, 赵建华, 翁邦英 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所