白 天 閆 磊 孫鳳舉 馮 輝 王小三 程利娜 李紅浪

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；3.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190)

1 引言

隨著人工智能和智能裝備的發(fā)展，對傳感器的功能提出了更高要求。而電子技術(shù)和微加工工藝的不斷發(fā)展使得新式傳感器的出現(xiàn)絡(luò)繹不絕。壓力傳感器是各類傳感器中應(yīng)用最廣泛的一種，其使用量約占傳感器總用量的45%，在工業(yè)領(lǐng)域需求量巨大。聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)壓力傳感器是最近十幾年開始提出，且工藝仍在逐漸完善的壓力類傳感器。這類傳感器具有微型化、價格低、靈敏度高、可陣列化、可分布式的優(yōu)點。其使用機械波的傳感原理以及無源無線的信息傳遞方式，使其能在極端溫度、旋轉(zhuǎn)/運動狀態(tài)、核輻射、高電壓等惡劣環(huán)境下正常工作[1～3]。因此近年來SAW壓力傳感器在航空航天、軍械裝備、核設(shè)施監(jiān)測、石油化工、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域受到國際國內(nèi)的重視。

SAW壓力傳感器一個較為成功的應(yīng)用是在汽車胎壓監(jiān)測上，即 TPMS 系統(tǒng)[4，5]。此外國外機構(gòu)還有針對航空航天特殊環(huán)境的SAW高溫壓力傳感器研究[6]。目前國內(nèi)外的研究重點主要集中在對不同SAW傳感器的研制上，包括敏感材料的選擇，換能器設(shè)計，溫度補償方法，無線收發(fā)單元設(shè)計以及封裝和制作工藝等，在應(yīng)用層面的研究較少。本文旨在通過計量手段開拓SAW壓力傳感器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足未來傳感器小型化、智能化、集成化的要求。通過對SAW壓力傳感器測量原理的研究，掌握其關(guān)鍵計量特性和主要技術(shù)指標，建立一套SAW壓力傳感器校準系統(tǒng)，解決其主要技術(shù)指標溯源校準的難題，為新型傳感器的研發(fā)提供技術(shù)支持。

2 傳感器的工作原理

聲表面波(SAW)壓力傳感器工作在射頻頻段，便于集成在無線系統(tǒng)中，具有無源無線的獨特優(yōu)勢，可應(yīng)用于安裝環(huán)境復(fù)雜、無電氣連接的場合。由于其傳感器部分均為機械結(jié)構(gòu)，并采用半導(dǎo)體集成電路工藝加工，因此器件的一致性和可靠性都很好。SAW壓力傳感器主要由讀寫器和傳感器兩部分組成，如圖1所示。讀寫器通過天線發(fā)射一定帶寬的射頻信號，被傳感器接收，在內(nèi)部壓電基底上激發(fā)出聲表面波。當外界壓力發(fā)生變化時，聲表面波的一些物理參量如速度、幅值、相位等也會隨之變化，這種變化可以提取出來標定壓力的變化，從而實現(xiàn)壓力測量。目前SAW壓力傳感器主要有延遲線型和諧振型兩種。

圖1 SAW壓力傳感器組成和工作原理Fig.1 Makeup and the principal of the SAW pressure sensor

2.1 延遲線型SAW壓力傳感器

外部射頻信號(問詢)由傳感器天線接收，通過叉指換能器的逆壓電效應(yīng)，在壓電基底上產(chǎn)生聲表面波，由另一個叉指換能器獲得，或經(jīng)過反射器反射后由同一個叉指換能器接收，再經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號后，通過天線返回給讀寫器(應(yīng)答)。問詢信號和應(yīng)答信號之間存在一個時間上的滯后或相位上的改變，壓力的變化會影響兩信號間的差異，通過這種差異可以標定出壓力值。

文獻[7]中介紹了一種延遲線型壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其封裝形式和設(shè)計原理如圖2所示。傳感器采用圓柱體中空封裝，包含壓力敏感膜、圓柱保護外殼、傳力桿和壓電梁等結(jié)構(gòu)。壓電梁的一端固定在保護殼內(nèi)壁上，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。敏感膜受壓后向內(nèi)變形，變形量通過傳力桿傳遞到壓電梁。壓電梁是傳感器的核心部件，包含壓電基底，叉指換能器，反射器，天線引線和吸聲材料。圖2中靠近壓電梁固定端的反射器6用來測量壓力導(dǎo)致的變形量，反射器9、10用來作為溫度測量或溫度補償。延遲線型壓力傳感器的不足之處是機械品質(zhì)因數(shù)較小，傳輸損耗大，因此無線測量距離近。

圖2 某種延遲線型SAW壓力傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of a kind of SAW pressure sensor based on delay line theory

2.2 諧振型SAW壓力傳感器

外部問詢信號由傳感器天線接收，通過叉指換能器被轉(zhuǎn)換成聲表面波信號，由于反射器的存在，聲表面波經(jīng)反射后在壓電基底上形成某諧振頻率的駐波，再由叉指換能器轉(zhuǎn)化為電信號后返回。文獻[8]中介紹了一種諧振型壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其設(shè)計原理如圖3所示。諧振器壓電基片上承受的壓力發(fā)生變化引起聲表面波波速的改變，進而導(dǎo)致諧振器的諧振頻率發(fā)生變化。通常這種變化是線性的，壓力便可以通過對諧振頻率的檢測標定出來。相比延遲線型SAW傳感器，諧振型傳感器的插入損耗低很多，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計的更加緊湊，無線傳輸距離更遠。

圖3 某種諧振型SAW壓力傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a kind of SAW pressure sensor based on resonance theory

3 計量特性與校準方法

SAW壓力傳感器使用壓電材料作為基底敏感壓力的變化，壓電材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其受力前后的狀態(tài)未必完全一致，使傳感器產(chǎn)生一定的遲滯特性。參考國家現(xiàn)行的壓力傳感器計量檢定規(guī)程[9]，使用重復(fù)性、遲滯、線性等參數(shù)對SAW壓力傳感器的計量特性進行表征，通過對各參數(shù)的測量和計算，對壓力傳感器的準確度等級進行評定。

考慮到目前市場上常見的SAW壓力傳感器以諧振型為主，且諧振型與延遲線型傳感器的標定具有相似性，因此本文針對諧振型壓力傳感器展開校準方法研究。SAW壓力傳感器的測量原理是先標定器件在不同壓力下的諧振頻率，確定壓力-頻率特性曲線，再通過測定的頻率值得到器件所處環(huán)境的壓力。通常用壓力-頻率特性曲線的線性度表示傳感器的壓力系數(shù)，即傳感器的壓力靈敏度。

校準裝置主要由標準壓力源系統(tǒng)、控溫裝置、壓力腔、網(wǎng)絡(luò)分析儀和計算機終端組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。被校SAW壓力傳感器為帶有溫度補償功能的某種型號，其外形如圖5所示。校準過程中為保證對壓力量的單一測量，通過控溫裝置保持傳感器的環(huán)境溫度恒定，減小溫度波動對壓力校準數(shù)據(jù)的影響。

圖4 校準裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the calibration apparatus

圖5 被校SAW壓力傳感器Fig.5 Calibrated SAW pressure sensor

為傳感器設(shè)計了圓柱體外形的密封壓力腔，壓力腔由兩部分組成，一端連接壓力源系統(tǒng)，另一端帶有專門設(shè)計的耐壓、密封絕緣插頭，兩部分通過螺紋連接。將傳感器連接到腔內(nèi)的插頭，插頭的另一端通過密封裝置伸出腔外，與天線或網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。壓力腔置于控溫裝置內(nèi)，如圖6所示。

圖6 密封壓力腔Fig.6 Pressure seal cavity

壓力校準在常溫下進行，溫度控制在22℃±0.5℃，相對濕度為45% ±2%。在傳感器測量范圍(0～2)MPa內(nèi)每隔0.2 MPa選取一個校準點，壓力穩(wěn)定后記錄每點處傳感器的峰值頻率，重復(fù)5次測量取平均值。正行程和反行程校準往返一次為一個循環(huán)，進行6個循環(huán)的校準。

4 結(jié)果分析

4.1 分析方法

網(wǎng)絡(luò)分析儀與壓力傳感器正常連接后，掃頻讀取傳感器的S11參數(shù)。根據(jù)諧振器設(shè)計方式的不同，有的傳感器在掃頻范圍內(nèi)只顯示一個峰值，有的傳感器有多個峰值。本文校準用的傳感器掃頻信號顯示有三個諧振峰，其中左邊兩個為參考峰，最右邊為壓力對應(yīng)峰值。當外界壓力變化時，壓力對應(yīng)峰值位置會隨之變化。校準發(fā)現(xiàn)隨著壓力增加，壓力諧振峰將明顯的向高頻移動，壓力傳感器的校準即是將諧振峰值的變化與壓力變化相聯(lián)系。圖7為0MPa和1MPa下掃頻信號的對比。以正行程0MPa下的壓力峰示值434351103Hz為基準，某次循環(huán)的峰值數(shù)據(jù)與基準的差值見表1。

圖7 不同壓力下傳感器掃頻信號的變化Fig.7 Changes of sweep signal under different pressures

表1 某次循環(huán)的諧振頻率數(shù)據(jù)Tab.1 Data of resonant frequency in a calibration loop

使用最小二乘法擬合出傳感器的工作直線，按公式(1)計算

式中：fLS——頻率擬合值，Hz；p——壓力傳感器在其測量范圍內(nèi)的壓力值，Pa；a——直線截距；b——直線斜率。

壓力傳感器的滿量程輸出值按公式(2)計算

式中：pmax——測量范圍上限壓力值，Pa；pmin——測量范圍下限壓力值，Pa。

為進一步減小誤差，提高校準精度，本文將使用最小二乘法擬合壓力傳感器輸入輸出的二次多項式曲線關(guān)系，與一次擬合直線的結(jié)果對比。二次曲線按公式(3)計算

式中：c——曲線二次項系數(shù)。

相應(yīng)的傳感器滿量程輸出值按式(4)計算

依據(jù)JJG860-2015計算SAW壓力傳感器的其他測試參數(shù)，包括重復(fù)性 ξR，遲滯 ξH，線性 ξL，傳感器系統(tǒng)誤差ξLH以及傳感器的基本誤差A(yù)。

最后，針對本文所使用SAW壓力傳感器的特點，使用修正后的諧振頻率峰值對校準結(jié)果再次進行分析，與單純壓力峰的分析結(jié)果對比。修正峰值按公式(5)計算

式中：FP——修正后的壓力峰，Hz；fP——壓力對應(yīng)諧振峰值，Hz；fR——參考諧振峰值，Hz。

4.2 分析結(jié)果

依照上一節(jié)介紹的分析方法，分別使用最小二乘一次擬合和二次擬合對修正前后的諧振頻率數(shù)據(jù)進行處理，計算結(jié)果見表2。測量點和擬合曲線如圖8所示。

表2 校準數(shù)據(jù)的處理結(jié)果Tab.2 Analysis of calibration results

圖8 壓力傳感器校準的實際測量點及其擬合曲線Fig.8 Test data and corresponding fitting curves during a pressure sensor calibration

計算結(jié)果顯示，無論是使用原始的壓力峰數(shù)據(jù)還是被參考峰修正過的壓力峰數(shù)據(jù)，使用最小二乘法二次擬合的結(jié)果在線性、傳感器系統(tǒng)誤差和基本誤差上都要優(yōu)于一次擬合的結(jié)果。和原始數(shù)據(jù)的處理結(jié)果相比，修正后壓力數(shù)據(jù)的重復(fù)性和遲滯更好，擬合二次曲線的線性、傳感器系統(tǒng)誤差和基本誤差也更優(yōu)。根據(jù)該款SAW壓力傳感器廠家提供的設(shè)計資料，該類型傳感器使用的算法即為修正峰值的二次擬合曲線，這點在本文的校準結(jié)果中得到很好體現(xiàn)。

4.3 測量不確定度分析

4.3.1 測量模型

SAW壓力傳感器的輸出誤差可表示為

式中：Δf——傳感器輸出誤差；ξS——傳感器重復(fù)性誤差；ξH——傳感器遲滯誤差；ξL——傳感器線性誤差；ξLH——傳感器系統(tǒng)誤差；ΔP——標準壓力計誤差；ΔN——網(wǎng)絡(luò)分析儀誤差；ΔAN——天線傳輸誤差；ΔT——溫度變化引入的誤差。

4.3.2 A類標準不確定度評定

JJG860-2015中給出壓力傳感器的基本誤差由兩部分組成，一是傳感器的重復(fù)性，二是傳感器的系統(tǒng)誤差。在不確定度評定中將二者作為A類標準不確定度。

由重復(fù)性引起的單個循環(huán)測量不確定度分量定義為壓力傳感器在整個測量范圍內(nèi)的標準偏差s，依據(jù)JJG860-2015第7.3.8.3條，經(jīng)計算得s

u=s=1039.7Hz

傳感器的滿量程輸出值yFS為1 086 741.5Hz，因此相對不確定度為

本文校準的壓力傳感器采用最小二乘法二次擬合的直線為工作直線，計算各校準點正行程輸出值的算術(shù)平均值和反行程輸出值的算術(shù)平均值，找出其分別與工作直線相應(yīng)值之差的絕對值最大值作為系統(tǒng)誤差。認為該誤差服從均勻分布(k=)，則相對不確定度為

4.3.3 B類標準不確定度評定

將0.01級活塞壓力計(0.01%)帶來的不確定度分量視為均勻分布(k=，uB1=0.01%/=0.006%。

將網(wǎng)絡(luò)分析儀帶來的不確定度分量視為均勻分布(k=，uB2=0.0001%/≈0，可忽略。

將天線傳輸帶來的不確定度分量視為均勻分布(k=，uB3=0.008%/=0，.005%。

由于傳感器帶有溫度修正功能 校準溫度變化對傳感器輸出值的影響引入的不確定度分量也很小，在常壓下觀察傳感器輸出頻率隨溫度波動的改變量，認為其服從均勻分布，uB4=0.014%/=0.008%。

表3 標準不確定度分量一覽表Tab.3 Table of standard uncertainty components

4.3.4 合成標準不確定度

4.3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則校準結(jié)果的擴展不確定度U=k×uc=1.2%。

5 結(jié)束語

本文介紹了SAW壓力傳感器的幾種類型及其工作原理，并介紹了針對這種傳感器的校準裝置和校準方法。針對某種商業(yè)SAW壓力傳感器的校準結(jié)果顯示，其基本誤差約為1.3%，線性約為0.7%，重復(fù)性較好，約為0.3%，但有1.1%的遲滯。這種傳感器能夠滿足一般用途的使用，如胎壓監(jiān)測。

后續(xù)工作將對更多不同類型的SAW壓力傳感器進行校準，積累數(shù)據(jù)，同時考慮復(fù)雜環(huán)境對校準結(jié)果的影響，如振動、旋轉(zhuǎn)、高低溫等，研究SAW壓力傳感器的綜合評價方法及其指標判定，以校準技術(shù)為基礎(chǔ)探索SAW傳感器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用方向，為解決航天產(chǎn)品未來傳感器小型化、智能化、集成化的需求提供技術(shù)途徑。