【摘 要】
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应变检测广泛应用于航空航天、石油化工、装备制造、轨道交通等现代工业、国防领域的结构安全和工况监控,对保障装备安全高效运行,预防和减少安全事故,保护人民生命财产安全具有重大意义。中国制造2025和工业4.0对大量的在线、原位、动态监测需求变得日益迫切,随着微机电、智能制造、物联网、大数据、人工智能等一系列新技术、新模式、新思想的出现以及传统装备制造业与信息产业的深度融合,对应变检测的需求范围和方式也
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应变检测广泛应用于航空航天、石油化工、装备制造、轨道交通等现代工业、国防领域的结构安全和工况监控,对保障装备安全高效运行,预防和减少安全事故,保护人民生命财产安全具有重大意义。中国制造2025和工业4.0对大量的在线、原位、动态监测需求变得日益迫切,随着微机电、智能制造、物联网、大数据、人工智能等一系列新技术、新模式、新思想的出现以及传统装备制造业与信息产业的深度融合,对应变检测的需求范围和方式也提出了新的要求。传统应变监测难以满足新的应用要求,研制新型无线无源、微型、适用于各种特殊环境下的应变检测技术,成为先进制造、物联网、大数据、智能装备等新技术发挥实质作用的前提和基础。声表面波（SAW）应变检测技术由于其独特的无线无源特点可以满足一些特殊环境下的应变检测需求,其基本原理和可行性已被领域内研究人员所熟知。但目前的研究主要集中SAW应变检测技术的应用层面,缺乏对其建模设计方法和杂波模式抑制的深入研究。随着传感器微型智能化和多阵列融合的发展趋势,对SAW应变敏感单元的性能和优化设计理论提出了更高的需求。本文围绕高性能SAW应变敏感单元快速智能优化设计问题开展SAW应变敏感单元建模方法与横向模抑制研究。主要的工作内容如下:（1）基于有限元法（FEM）对SAW应变敏感单元的总体结构参数进行了优化设计。基于COMSOL有限元软件,以石英作为压电基底材料建立了SAW谐振器的准三维周期模型,研究了谐振器的压电基底切型、电极材料和厚度等总体结构参数对其性能参数包括相速度（Vp）、机电耦合系数（K~2）、温度系数（TCF）和应变敏感系数（SCF）的影响,并对总体结构参数进行了优化设计。（2）基于耦合模（COM）理论、P矩阵和粒子群（Partical Swarm Optimization,PSO）算法提出一种SAW应变敏感单元结构参数的自动优化设计算法,并对SAW应变敏感单元的电极常规参数（包括IDT对数、孔径、反射栅对数、IDT与反射栅间隙等）进行了优化设计。通过分析SAW谐振器模型明确PSO算法的种群输入、目标输出和约束型条件,联合COM理论和P矩阵得到适应度函数完成PSO算法的建立,将建立的优化设计算法应用于SAW谐振器结构参数的自动优化设计,进行SAW谐振器最优结构参数的探索与分析,并和实验结果进行了对比,证实了该优化算法的有效性。（3）基于Piston模式对SAW应变敏感单元的横向波导结构进行了优化设计和横向模抑制研究。基于标势理论和抛物线近似给出了Piston模式激励机理以及一个新的理论设计准则;通过建立Al/ST-quartz SAW谐振器的三维有限元周期模型,研究了孔径间隙Gap宽度对SAW谐振器性能的影响;采用“Hammer-IDT”型结构对SAW谐振器横向波导结构进行了优化设计,并研究了该结构的引入对SAW谐振器应变灵敏度的影响。（4）对现有二维耦合模（2D COM）理论进行了扩展,提出了一种新型广义化的2D COM理论模型并将其应用于SAW应变敏感单元横向模的进一步抑制研究。基于声表面波二维波动方程和泰勒近似建立了新型2D COM方程,给出了2D COM参数的详细提取方法和基于COMSOL有限元软件的偏微分方程求解模块（Partial differential equation,PDE）的求解方法;将建立的新型2D COM理论模型分别应用于以ST切石英和YX-42°钽酸锂（Li Ta O3,LT）为压电基底的SAW谐振器仿真实例中,通过与一维耦合模、常规二维耦合模、薄板理论、有限元法等仿真结果和实验测试结果的对比,验证了所提出的新型2D COM理论模型的准确性及其求解方法的实用性;将该理论模型应用于SAW应变敏感单元的横向模抑制研究,建立了“Hammer-IDT”型SAW谐振器的COMSOL PDE模型并进一步地优化了“Hammer”结构的尺寸。（5）基于本文的仿真设计制作了三种不同横向IDT横向结构的SAW谐振器,完成了其自身性能和无线信号传输能力的测试分析,并将其作为SAW应变敏感单元,基于等强度悬臂梁搭建了SAW应变敏感单元的无线测试实验平台,完成了SAW应变敏感单元的实验测试和结果分析。
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