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    SAW传感器工作原理


    一. SAW传感器工作原理
          某些材料在沿一定方向上受到外界应力作用发生变形时,会在材料内部产生极化现象,同时在它的两个端面上出现正负相反的电荷,这个现象被称之为压电效应。以石英晶体为例,如图1(a)所示的是天然石英晶体的正六面体结构,其中Z轴为光轴(即纵向轴),X轴为电轴(即经过晶体棱线且垂直于Z轴),Y轴为机械轴(即垂直于正六面体的棱面)。在X轴方向施加应力产生电荷极化的压电效应称为纵向压电效应如图1(c)示,在Y轴方向施加应力产生电荷极化的压电效应称为横向压电效应如图1(d)示,在Z轴方向上无论施加多大的应力都不会产生压电效应。
             

    图1  石英晶体压电效应模型


          压电效应具有可逆性,即对压电材料施加交变的电场会引起机械形变、产生表面声波的现象,被称之为逆压电效应。压电材料证实通过压电效应和逆压电效应这个变换对来实现声—电和电—声的转换。


          一个简单的声表面波传感器是由压电基片和沉淀在压电基片上的IDT构成的。以谐振器型为例,常见的声表面波传感器结构如图2.8所示,是一种单端口声表面波谐振器,仅有的一个IDT既是输入也是输出。叉指电极分别通过两个汇流电极相连,形成状如人的手指相错交叉的形式。传感器天线通过一定的连线方式与汇流电极相连,再加上一定的匹配网络和封装形式,制做成谐振器型声表面波温度传感器。

    图2  谐振器型声表面波传感器


           传感器通过天线接收自由空间的电磁波信号,在IDT的两段金属电极上形成一个电场,通过逆压电效应经由IDT电声耦合生成声表面波,并在左右两个声反射栅间形成谐振。这个声表面波信号在传播过程中会受到传感器周围物理环境的影响而改变其频率等传播特性。此后,这个传播特性发生改变了的声表面波再经由压电效应在IDT上形成电信号并由传感器天线发射出去。通过监测这个电磁波信号的变化,经过一定的计算得到传感的物理量,如温度、压力、特殊气体浓度等信息[18]。


    二. SAW传感器


    1.SAW加速度传感器
    测量时,通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性连接,传感器感受与试件相同频率的振动。质量块以正比于加速度的交变力作用在压电元件上,压电元件的两个表面就有电荷产生,其电荷量与作用力成正比,即与试件的加速度成正比。压电式加速度传感器按结构形式可分为分为压缩型、剪切型和组合型。

    图3  SAW加速度传感器


    2.SAW压力传感器
          当膜片受到压力p作用时,中间的叉指换能器受到拉应力作用,边缘的叉指换能器受到压应力作用,从而导致SAW的传播速度变化,结果使SAW振荡器的频率f 变化,再由混频器输出差频信号。  

    图4  SAW压力传感器


    3.SAW温度传感器
    当环境温度变化时, SAW的传播速度受影响发生改变,从而引起振荡器频率发生变化,由频率变化量来检测温度的变化。

    图5  SAW温度传感器


    4. SAW湿度传感器

          在延迟线型SAW振荡器的两个叉指换能器之间涂敷钠盐或磺化聚苯乙烯,这种吸湿聚合物涂层受潮后, SAW的传播速度将发生变化,从而引起振荡器频率发生变化。


    三. SAW温度传感器在智能电网中的应用


          高压开关柜是变电站中的重要电气节点,其安全可靠运行直接关系到整个电网的运行性能。高压开关柜内部环境复杂、空间狭小,对测温装置的要求非常高。本节给出高压开关柜无源无线测温方案。
    用于高压开关设备母线室无源无线测温系统,包括一个或多个信号读写器及其对应的一个或多个声表面波温度传感器,读写器发送的电磁波信号在传感器上发生电—声—电转换时,其频率受测温点的温度影响发生变化,读写器读取频率改变的电信号经一定的算法得出测温点的温度信息,再经信号处理、成帧后通过光纤通信等方式传送到监测主机。
    图6  开关柜测温系统示意图


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