基于聲表面波傳感器的轉子葉片應變無線測量研究

楊正兵,肖 瀟,彭 斌,吳亞鋒

1.西北工業大學動力能源學院;2.中國航發四川燃氣渦輪研究院;3.電子科技大學集成電路科學與工程學院

0 引言

高溫、高轉速、高推重比、大功率、大負荷,是現代航空發動機的發展趨勢,對發動機零部件可承受應力水平提出了高要求。發動機的轉子葉片處于流道中,承受著離心載荷、氣動載荷以及溫度載荷的復合作用,容易出現疲勞裂紋甚至斷裂,進而導致發動機故障[1-3]。為保障發動機的安全運行,其轉子葉片的應力水平一直是工程界關注的重點。目前國內對旋轉葉片的應變及振動測量主要通過在葉片表面安裝電阻應變計,然后通過滑環引電器或遙測裝置將應變信號傳遞至后端數采系統進行分析。該方法受發動機內部結構空間狹小和轉速高等因素制約,導致發動機測試結構改裝復雜、工作量大、成本高。

基于聲表面波(surface acoustic wave,SAW)諧振器的應變傳感器具有精度高、靈敏度高、功耗低、體積小、重量輕等優點,并且制作工藝簡單、工作原理清晰,具有很大的應用潛力。特別是SAW傳感器可以無線無源工作,在旋轉部件的應變測試中具有優勢,近年來得到了人們的廣泛關注。李紅浪等設計了一種基于雙諧振器的聲表面波應變傳感器,提出了寬溫度范圍內SAW應變傳感器溫度與應變的解耦方法[4]。鄧森洋等利用測試群時延特性的方法搭建了測試系統,使用時域加窗技術,有效降低了環境反射對群時延的影響,提高了無源無線SAW 傳感器實際應用中的信噪比[5]。陳磊等采用基于數字下變頻技術測量回波信號頻率,有效提取了SAW應變測量中的諧振頻率[6]。楊小楊等采用直接式差分結構SAW應變傳感器設計方法,研究出了差分結構對溫度和應變的響應特性[7]。黃毅堅等提出了一種新型的外接負載式無線無源SAW應變傳感器的設計方法,采用雙通道的反射型延遲線結構,消除了應變測量過程中環境溫度的干擾[8]。

目前SAW應變傳感器的研究主要集中在器件結構設計、加工制備工藝、應變特性等方面,關于SAW應變傳感器在轉子葉片動應力測量方面的研究成果卻少有報道。

本文利用耐高溫的硅酸鎵鑭(LGS)壓電材料,設計并制備了高Q值的SAW諧振器,研究了SAW諧振器在不同載荷作用下的應變-諧振頻率變化特性,將該SAW諧振器作為應變傳感器,開展了SAW應變傳感器在轉子葉片應變測試中的工程應用研究。

1 SAW諧振器結構和工作原理

SAW傳感器一般分為諧振型和延遲線型,本文采用的結構為諧振型。諧振型的SAW無線無源傳感器通常由SAW諧振器和與之相連的射頻天線構成,如圖1所示。通過在壓電晶體表面制作叉指換能器(IDT)和若干反射柵即可構成SAW諧振器。當SAW諧振器受到外力而發生形變時,其諧振頻率將發生變化。通過與SAW諧振器相連的射頻天線,可以測試出SAW諧振器的諧振頻率,進而反映出被測體應變信息[9-10]。

圖1 SAW無線傳感器結構示意圖

當SAW在壓電基片內傳播時,壓電基片受到應力作用產生應變,其諧振頻率f(ε)表示為[11-12]

(1)

式中:v0、λ0、f0為基片應變為0時SAW傳播速度、波長和諧振頻率;v(ε)、λ(ε)為基片發生應變時SAW傳播速度和波長;k為與基片材料相關的常數。

可以看出,SAW諧振器發生形變時,一方面長度變化導致波長變化,另一方面材料彈性模量變化導致聲速發生變化,這體現在參數k上,最終導致諧振頻率發生變化。一般情況下應變ε遠小于1,則式(1)可簡化為

f(ε)≈f0[1+(k-1)ε]

(2)

由式(2)可見,SAW傳感器的諧振頻率f(ε)與應變ε呈線性關系。通過測量SAW傳感器諧振頻率的變化,可以得出應變大小。

SAW諧振器往往對沿著聲波傳播方向的應變更敏感[13],因此,在作為應變傳感器使用時,SAW諧振器的聲波傳播方向需要和應變方向平行。

2 SAW諧振器制備與應變特性測試

本文采用切向為(0°,138.5°,27°)的硅酸鎵鑭壓電基片設計并制備了單端口SAW諧振器。壓電基片厚度為0.5 mm。叉指電極對數為101對,寬度為3 μm,電極之間的間隔也為3 μm,器件的周期(波長λ)為12 μm。SAW諧振器的反射柵數目為400,孔徑為1.2 mm。SAW諧振器的薄膜電極采用標準的光刻-剝離微電子工藝。薄膜電極由Ti/Au構成,首先沉積厚度為10 nm的Ti薄膜,以增加電極與基片的附著力,然后沉積100 nm的Au薄膜作為電極。最后在氮氣中將制作的SAW諧振器進行400 ℃退火。最終制作出來的SAW諧振器如圖2所示,圖2(a)是SAW諧振器實物圖,從圖2(b)的電極顯微結構可以看出,所制作的SAW諧振器的線條無明顯缺陷。

(a)SAW諧振器實物

本文采用矢量網絡分析儀(型號Agilent E5071C)測試所制備的SAW諧振器的諧振頻率,并使用如圖3所示的懸臂梁方法測試SAW諧振器的應變特性。測試前采用M-Bond 610膠將SAW諧振器粘貼在懸臂梁上;測試時在懸臂梁自由端施加力,使得SAW諧振器受力產生應變,從而測試不同應變下SAW諧振器的諧振頻率。SAW器件受到的實際應變大小由SAW諧振器旁邊粘貼的一個標準電阻應變計進行測試確定。

圖3 SAW諧振器應變特性測試示意圖

圖4是所制備SAW諧振器的頻率特性測試結果?？梢钥闯?所制備的SAW諧振器具有明顯的諧振峰,由S11最小值確定其諧振頻率為217.794 MHz。由于所制備SAW諧振器的波長為12 μm,根據式(1)可以計算出SAW的聲速為2 613 m/s,這和文獻[14]接近。

圖4 SAW諧振器散射參數S11測試結果

圖4中也發現有一些雜峰,這可能是由于加工公差帶來的線條寬度不一致或某些小缺陷所致,也可能存在一些寄生峰,可以通過優化器件結構和改進制備工藝進一步減少。從測試曲線可以計算出該器件的品質因子(Q值)為5 807,滿足作為無線傳感器時Q值大于3 000的需求。

圖5是不同應變下測試得到的SAW諧振器的諧振頻率?？梢钥闯?諧振頻率隨著應變的增加而接近線性下降,這和式(2)的理論公式一致。對測試數據進行線性擬合,可以得到應變靈敏度為-317 Hz/με,這和文獻[14]結果比較接近,高于文獻[15]的結果。SAW諧振器的應變靈敏度和其厚度相關,同時與粘貼時采用的膠也密切相關,采用應變傳遞系數高的膠有助于提升器件的應變靈敏度。根據圖5的測試結果,可以得到應變測量誤差約為7.98%。

圖5 諧振頻率隨應變的變化關系

3 SAW無線傳感器工程應用驗證

本節利用所制作的SAW諧振器,進行高轉速轉子葉片的應變無線測試研究。

如圖6所示,實驗中,將SAW諧振器粘貼于轉子葉片表面,傳感器天線固定在旋轉軸的末端,SAW傳感器和傳感器天線之間采用柔性同軸線連接。在轉子葉片背面正對SAW傳感器的位置,粘貼一個電阻應變計,用于測試相同工況下轉子葉片的應變大小,該電阻應變計的測量誤差為5%。

圖6 SAW傳感器無線測試裝置圖

探測天線和傳感器天線之間的距離約10 mm,探測天線和矢量網絡分析儀連接,用于測試不同工況下SAW傳感器的諧振頻率。根據測試得到的諧振頻率以及圖5得到的應變靈敏度,可以計算出轉子葉片在不同工況下的應變大小。

圖7是當轉子葉片的轉速從3 000 r/min增加到15 000 r/min,再降低到3 000 r/min時,不同固定轉速下電阻應變計和SAW傳感器測試得到的應變結果對比。轉子葉片轉速低于3 000 r/min時應變較小,同時,在粘貼過程中器件可能存在預應力導致測試結果不準確,為了排除這些干擾,將3 000 r/min轉速下的測試數據作為應變零點。從圖7可以看出,電阻應變測試的應變值比較平穩,而SAW傳感器測試得到的應變值有較大幅度的波動。這是由于SAW傳感器容易受到環境噪音、葉片振動和環境溫度波動等因素的干擾,進而導致其諧振頻率發生波動。

圖7 不同轉速下電阻應變計和SAW傳感器測試結果對比

圖8給出了不同固定轉速下,電阻應變計和SAW傳感器測試得到的應變平均值,以及相應的有限元仿真結果。從對比結果看,電阻應變計測試結果、SAW傳感器測試結果和有限元仿真結果基本一致。這表明研制的SAW應變傳感器基本可以實現對旋轉葉片應變的無線測試。同時,圖8中測量得到的是轉子葉片離心力導致的應變,在葉片未發生共振的情況下,理論上應變ε和轉速v滿足:ε∝v2,從圖8可以發現,測試結果和理論預測結果基本吻合。

圖8 不同轉速下電阻應變計和SAW傳感器的應變平均值

同時需要說明的是,圖7只是固定轉速下的測試結果。當轉速連續變化時,由于SAW傳感器的響應頻率可以達到MHz,因此在后續工作中還可以實時無線測試轉速連續變化情況下的應變。

4 結論

采用硅酸鎵鑭壓電單晶材料,設計并制作了諧振型SAW應變傳感器,研究了其應變特性,并成功驗證了SAW傳感器在高速旋轉葉片中的無線應變測試。實驗結果表明,SAW諧振器的應變靈敏度為-317 Hz/με。在轉子葉片的工作轉速內(3 000～15 000 r/min),SAW傳感器無線測試結果和電阻應變計測試結果,以及有限元計算結果基本一致。研究的SAW應變傳感器具有結構簡單和無線無源等優點,豐富了轉動部件的應變測試手段。后續一方面將繼續優化SAW器件結構提升其Q值,另一方面將進一步研究高溫高轉速環境下SAW傳感器的溫度及應變特性,并開展相關無線測試實驗驗證,為航空發動機或燃氣輪機領域高速旋轉部件及狹小空間工件表面的應力應變測量提供新的技術參考。