封闭球型壳体狭缝间作用力监测方法研究

本项目针对"明确目标课题"－ 26．封闭球型壳体狭缝间作用力监测方法研究，探索一种无线监测狭缝间局部弹性介质上作用力的技术，同时实现球体温度和球壳端面间距的非接触测量，采用便于微型化的声表面波（SAW）器件作为收发器，通过电磁波孔缝耦合建立阻抗型无线传感通道，利用阻抗型敏感元件实现无线传感，采用箔型压阻式力敏元件、热阻式温敏元件完成球壳狭缝间的无线检测任务，同时采用数字摄影和图形处理方法实现缝隙间距的非接触检测，据此建立系统结构模型并进行参数优化设计，制作无线检测介质作用力、球体温度和球壳端面间距的实验装置，搭建金属和非金属球壳狭缝原型实验系统进行试验研究，验证方案的可行性，检验量程和测量精度，形成一套适应球壳狭缝环境无线监测的可行方法，为开发与课题类似的极端环境下的实用无线监测系统提供技术依据，所采用的基于SAW的阻抗型无线传感技术，为解决狭窄空间极端环境下的无线检测问题提供了新思路。

针对金属球壳狭缝间的作用力测量问题，首先进行了球壳狭缝间局部弹性介质受力情况的仿真，得出了被测作用力的大小、分布及非线性特点。接着研究了基于SAW器件的金属封闭球壳狭缝间作用力测量方案，确定采用以直接型SAW单端谐振器为核心力敏感元件，利用无线射频天线传输和获取信号的作用力测量系统。以中心频率为基准，作用力的大小将反映在反射信号的频率偏移之中，从而实现无源无线作用力测量。. 在作用力测量系统的传感器端，以谐振器的频率域模型仿真结果为依据，设计了单端谐振器的各项尺寸参数，其中谐振器的理论中心频率为1GHz，叉指换能器与反射栅的指条宽度为0.79um。此外，还研究了以MEMS工艺为基础的器件加工工艺，在保证器件性能的基础上尽可能减小器件尺寸，分析了各工艺环节对器件性能的影响情况。受狭缝空间限制，采用了以柔性薄膜材料作为支撑基底的封装方式来组成周边固支圆膜片的力敏结构，既减小了传感器的厚度，又缓解了作用力分布不均匀情况。与此同时，研究了狭缝间的信号传输问题。将柔性微带线与传感器端进行键合，通过印刷偶极子天线实现信号的发射与接收。微带线的制作采用PCB柔性电路板工艺，厚度可达到120um，满足狭缝空间要求。. 加工完成的谐振器裸芯片进行了测试，其谐振点在990MHz左右，Q值偏小，误差受工艺影响较大。而天线的谐振频率可以保证在1GHz，但是其传输性能相对于仿真结果而言效果欠佳。作用力监测系统的最终测试未能进行，主要是由于谐振器件的加工误差、器件与传输线的匹配以及整体封装工艺限制等。除此之外，提出了一种应变式作用力测量方案。其力敏结构是利用带孔支撑基底将应变片的敏感栅部分悬空，垂直方向作用力导致敏感栅的弯曲。应变信号通过柔性传输线连接于信号发射电路之中，外围信号接收电路接收到信号之后显示出作用力的值，实现作用力无线监测。经过反复测试，这种测量方案的平均误差可以达到±0.98%FSO（Full-Scale Output），可以满足误差在5%以内的要求。. 通过对利用SAW进行无源无线作用力测量方法的探索和研究，已经形成并逐步完善了基本的测量方法框架，测量系统的各个环节均已得到了理论方面的详细论证，可以为进一步的制作封装工艺研究提供可靠的理论保证。并且，应变式测量方案的探索也可以为用传统的低频电路方式解决极端环境下物理量测量问题提供一定的参考。