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        聲表面波扭矩檢測系統(tǒng)的分段環(huán)狀天線設(shè)計(jì)

        2021-01-05 03:43:46熊志強(qiáng)陳智軍朱衛(wèi)俊郭佳佳
        壓電與聲光 2020年6期
        關(guān)鍵詞:輸入阻抗轉(zhuǎn)軸環(huán)狀

        熊志強(qiáng), 陳智軍, 孫 聰, 朱衛(wèi)俊, 郭佳佳

        (1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院,江蘇 南京 211106;2.中電科技德清華瑩電子有限公司,浙江 德清 313200)

        0 引言

        扭矩檢測是對各種非旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件上扭轉(zhuǎn)力矩的檢測。目前扭矩檢測常采用導(dǎo)電滑環(huán)、電磁耦合或有源無線等方式供給能量和傳輸信號,存在測量精度低、使用壽命短、高溫高壓條件下易燃易爆等問題[1-3]。聲表面波(SAW)傳感技術(shù)以其無源本質(zhì)和無線功能進(jìn)行扭矩檢測,在閱讀器和天線的配合下可以實(shí)現(xiàn)能量的可靠供給和信號的有效傳輸[4]。閱讀器天線是SAW扭矩檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

        本文針對轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)展開閱讀器天線的仿真設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了一種適用于圓柱轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的水平全向性環(huán)狀天線。環(huán)狀天線按輻射體尺寸大小可分為電大環(huán)和電小環(huán)[5],根據(jù)SAW扭矩檢測系統(tǒng)的工作頻段和轉(zhuǎn)軸大小選擇電大環(huán)天線進(jìn)行設(shè)計(jì),但電大環(huán)在環(huán)內(nèi)各處導(dǎo)體的電流幅值和相位差異較大,天線的全向性將受到影響[6]。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種用于SAW扭矩檢測的電大環(huán)天線,調(diào)諧電容將兩段輻射體連接構(gòu)成圓環(huán),全向性較差。本文將天線導(dǎo)體分割成若干段,各段重疊一定角度以代替電容,這樣可以通過調(diào)整重疊角度的方式減小電流相位變動[8],從而增強(qiáng)天線的全向性。仿真與測試結(jié)果均表明,分段環(huán)狀天線具有較好的全向性,滿足無線無源SAW扭矩檢測系統(tǒng)的需求。

        1 聲表面波扭矩檢測原理

        SAW扭矩傳感以SAW諧振器作為傳感器感應(yīng)扭矩產(chǎn)生的彈性應(yīng)變。SAW諧振器主要由壓電基底、叉指換能器(IDT)和反射柵組成,SAW扭矩檢測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。閱讀器產(chǎn)生高頻激勵信號經(jīng)閱讀器天線、傳感器天線傳輸?shù)絀DT上,再通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)出SAW沿壓電基底表面向兩側(cè)傳播;SAW經(jīng)過多次相干反射疊加,在反射柵和壓電基底共同構(gòu)成的聲學(xué)諧振腔內(nèi)形成駐波反射回IDT,再經(jīng)壓電效應(yīng)后通過傳感器天線將回波信號以電磁波形式發(fā)射出去;閱讀器收到后進(jìn)行信號處理,得到與應(yīng)變相關(guān)的諧振頻率,進(jìn)而得到相應(yīng)扭矩值。

        圖1 SAW扭矩檢測系統(tǒng)

        當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到扭矩M作用時(shí),傳感器與轉(zhuǎn)軸的軸向呈±45°粘貼,可以將轉(zhuǎn)軸橫截面受到的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)換成傳感器受到的正應(yīng)力[9]。扭矩測量采用差分方案,在轉(zhuǎn)軸的相對位置粘貼兩組差分型共4個(gè)SAW傳感器,以提高靈敏度并消除彎矩影響[10],1#、2#、3#、4#傳感器粘貼位置示意圖如圖2所示。由于SAW扭矩傳感器和傳感器天線固定在轉(zhuǎn)軸兩側(cè),為使閱讀器能在轉(zhuǎn)軸靜態(tài)或動態(tài)工作條件下有效地接收傳感器回波信號,本文擬設(shè)計(jì)水平全向性分段環(huán)狀天線作為閱讀器天線。

        圖2 傳感器粘貼方案示意圖

        2 分段環(huán)狀天線仿真

        根據(jù)SAW扭矩檢測系統(tǒng)需求,4個(gè)傳感器中心頻率分別為431 MHz、433 MHz、435 MHz和437 MHz,且各占2 MHz帶寬。本文擬設(shè)計(jì)中心頻率約為434 MHz的分段環(huán)狀天線,帶寬能夠覆蓋430~438 MHz頻段,輸入阻抗約為50 Ω,天線所在平面應(yīng)具有良好的全向性。

        使用三維電磁仿真軟件HFSS對分段環(huán)狀天線進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),天線結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。為便于采用PCB工藝制作天線,基底材料選用環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸直徑為?25 mm,為與該尺寸相匹配,設(shè)置分段環(huán)狀天線的基底內(nèi)徑(d1)為?100 mm、外徑(d2)為?160 mm,厚度(H)為0.8 mm。天線的輻射體材料選用金屬銅,輻射體厚度(h)為0.035 mm。由于距輻射體饋電點(diǎn)1/4波長處電流相位會產(chǎn)生突變[11],因此每段輻射體長度應(yīng)小于波長的1/4。本文選擇把天線輻射體分為6段,相鄰的輻射體段重疊一定角度,即θ1、θ2、θ3、θ4、θ5。為使天線工作在特定頻率,輻射體周長需要與天線的波長對應(yīng)。所需設(shè)計(jì)的天線中心頻率為434 MHz,分別只在自由空間和基底介質(zhì)中傳播,對應(yīng)的波長約為691 mm和346 mm。因此,天線輻射體的周長應(yīng)為346~691 mm,輻射體半徑(r)為55~110 mm,仿真優(yōu)化前初步設(shè)置r=62.5 mm,輻射體寬度w=4 mm。

        圖3 分段環(huán)狀天線結(jié)構(gòu)

        首先對各段輻射體重疊角度進(jìn)行仿真以優(yōu)化天線的全向性能。因?yàn)榕ぞ貦z測系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸采用金屬導(dǎo)體,且處于天線感應(yīng)場區(qū),天線和轉(zhuǎn)軸將發(fā)生相互耦合而產(chǎn)生互阻抗,所以仿真時(shí)需加入轉(zhuǎn)軸模型,如圖4所示。

        圖4 分段環(huán)狀天線和轉(zhuǎn)軸模型

        分別設(shè)置圖3中重疊角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5,在0~20°時(shí)每隔1°仿真得到xy平面的輻射方向圖。為提高對稱性,設(shè)置θ1和θ5、θ2和θ4處的角度相同。仿真過程中幾種不同重疊角度對應(yīng)的xy平面(對應(yīng)HFSS中球坐標(biāo)系下俯仰面θ=90°、0°≤φ≤360°的平面)輻射方向圖如圖5所示。由圖可知,重疊角度不同時(shí),天線的整體增益大小及增益最大值與最小值之差均不相同。當(dāng)θ1、θ2、θ3、θ4、θ5分別為10°、5°、5°、5°、10°時(shí),增益最大值約為-3.14 dB,最小值約為-3.79 dB,相差約0.65 dB,整體增益較高且增益變化最小。因此,最終將分段環(huán)狀天線的θ1、θ2、θ3、θ4、θ5設(shè)置為10°、5°、5°、5°、10°,可實(shí)現(xiàn)天線在具有高輻射效率的同時(shí)具有良好的全向性。

        圖5 輻射體段不同重疊角度對應(yīng)的xy平面輻射方向圖

        天線的中心頻率主要由輻射體長度決定,因此需對r進(jìn)行參數(shù)化掃描以仿真優(yōu)化。粗調(diào)后將r的掃描范圍設(shè)置為60.0~64.5 mm,步長為0.5 mm,回波損耗仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可知,天線的中心頻率隨r的增大而減小,當(dāng)r=60.5 mm時(shí),天線中心頻率為432 MHz,接近設(shè)計(jì)指標(biāo)。

        圖6 輻射體半徑參數(shù)化掃描回波損耗變化

        然后對w進(jìn)行參數(shù)化掃描,以調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗使其實(shí)現(xiàn)接近50 Ω的阻抗匹配要求。設(shè)置r為60.5 mm,w的掃描范圍為3.0~3.9 mm,步長為0.1 mm,輸入阻抗和回波損耗仿真結(jié)果分別如表1和圖7所示。由表1可知,天線的輸入阻抗隨w增大而增大。從圖7可看出,天線中心頻率也受到一定程度的影響,隨著w的增大而減小。當(dāng)w=3.6 mm時(shí),天線的輸入阻抗為(49.51+j1.03) Ω,接近50 Ω,中心頻率為434 MHz,基本滿足設(shè)計(jì)要求。

        表1 輻射體寬度參數(shù)化掃描輸入阻抗變化

        圖7 輻射體寬度參數(shù)化掃描回波損耗變化

        最終通過仿真優(yōu)化得到的分段環(huán)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真得到的優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)可知,天線的中心頻率為434 MHz,以-10 dB為上限可以確定天線帶寬為424~444 MHz,覆蓋了SAW扭矩檢測系統(tǒng)430~438 MHz的工作頻帶范圍;由圖8(b)、(c)可知,天線的輸入阻抗為(49.51+j1.03) Ω,對應(yīng)的歸一化阻抗為0.99+j0.02,基本滿足天線輸入阻抗的設(shè)計(jì)要求;由圖8(d)可知,天線在xy平面各方向的增益較一致,最大處與最小處相差0.67 dB,基本符合全向性的設(shè)計(jì)要求。

        表2 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果

        圖8 根據(jù)優(yōu)化的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的仿真結(jié)果

        3 分段環(huán)狀天線測試

        根據(jù)表1的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果,使用Altium Designer軟件繪制分段環(huán)狀天線并制作實(shí)物如圖9所示。

        圖9 實(shí)際制作的分段環(huán)狀天線

        將分段環(huán)狀天線的饋電端焊上射頻頭,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測試天線的回波損耗和輸入阻抗,測試時(shí)將轉(zhuǎn)軸放置到天線內(nèi)部,結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可知,天線的中心頻率為431.6 MHz,帶寬為424~440 MHz,雖然與仿真結(jié)果相比有差異,但可以覆蓋SAW扭矩檢測系統(tǒng)430~438 MHz的工作頻帶,滿足帶寬要求;由圖10(b)可知,天線的輸入阻抗為(54.31-j2.42) Ω,接近50 Ω,基本滿足輸入阻抗要求,不需要額外設(shè)計(jì)包括電容、電感的阻抗匹配電路。

        圖10 天線測試結(jié)果

        使用VNA的端口1、2分別連接分段環(huán)狀天線和SAW傳感器所采用的小型棒狀天線,將小型棒狀天線置于環(huán)狀天線中心處并保持靜止,旋轉(zhuǎn)環(huán)狀天線改變其饋電端口與初始位置的相對角度,通過測量不同角度下的傳輸系數(shù)來驗(yàn)證天線的全向性。全向性測試結(jié)果如圖11所示,分段環(huán)狀天線所在平面?zhèn)鬏斚禂?shù)最大為-24.1 dB,最小為-26.0 dB,兩者相差1.9 dB,具有較好的全向性。

        圖11 天線全向性測試結(jié)果

        4 扭矩檢測系統(tǒng)測試

        SAW扭矩檢測實(shí)驗(yàn)平臺如圖12所示。本系統(tǒng)使用表盤式雙向扭矩扳手施加扭矩,其量程為-100~100 N·m,精度±1%。將表盤示值作為轉(zhuǎn)軸扭矩的真值,用于分析扭矩檢測的誤差。閱讀器天線使用本文設(shè)計(jì)的分段環(huán)狀天線。無線測試時(shí),閱讀器測量每個(gè)傳感器在加載扭矩下的諧振頻率,并換算成相應(yīng)的扭矩值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中顯示。扭矩測量結(jié)果如表3所示。由表可知,在-80~80 N·m時(shí),實(shí)測扭矩與施加扭矩的滿量程誤差為2.5%。結(jié)果表明,包括該閱讀器分段環(huán)狀天線的SAW扭矩檢測系統(tǒng)可較準(zhǔn)確地測量扭矩。

        圖12 扭矩檢測實(shí)驗(yàn)平臺

        表3 扭矩測量結(jié)果

        5 結(jié)束語

        本文針對SAW扭矩檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種用于轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的分段環(huán)狀天線,通過HFSS仿真優(yōu)化了天線的結(jié)構(gòu)參數(shù),并實(shí)際制作與測試了天線實(shí)物和SAW扭矩檢測系統(tǒng)。測試結(jié)果表明,天線中心頻率為431.6 MHz,帶寬424~440 MHz,可以覆蓋SAW扭矩檢測系統(tǒng)430~438 MHz的工作頻帶范圍;輸入阻抗為(54.31-j2.42) Ω,接近50 Ω,基本滿足輸入阻抗要求,無需額外設(shè)計(jì)阻抗匹配電路;天線所在平面的全向性較好,不同角度下傳輸系數(shù)最大值與最小值相差1.9 dB。包括該分段環(huán)狀天線的SAW扭矩檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較好的扭矩測量效果,在-80~80 N·m時(shí)的滿量程誤差為2.5%。

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