基于声表面波传感技术的智能刀具的建模仿真研究

【摘要】：声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件是用于信号处理的一种微机械电子系统,它利用压电基底上的叉指换能器(IDT)来激发和接收表面波。由于其具有多功能性,尺寸小以及易于加工等有优点,被广泛应用于雷达、电视、移动电话以及传感器等领域。声表面波SAW传感器是声表面波SAW器件的一个新的重要分支,具有高精度、高分辨率、重量轻、体积小、功耗低、抗干扰、耐噪声、可以工作在恶劣环境中等独特优点。声表面波SAW器件应用广泛,本论文把声表面波SAW传感技术应用在刀具在线状态智能检测的领域内,做了基础性的探索研究。 本文在对声表面波传感技术研究的基础上提出的。首先对压电理论及声表面波理论进行了研究,随后分析了SAW器件的工作原理,在此基础上进一步系统地论述了SAW传感器的一些基本概念,对SAW传感器进行了分类,对各类SAW基本原理进行了分析,比较了各类SAW传感器的主要结构类型并进行了举例说明。 然后设计了一个应用于刀具切削应力监测的高频无线无源的SAW传感器,确定了材料和尺寸结构,为SAW传感器的建模仿真提供了一个具体的分析对象。针对设计的SAW传感器,对其IDT(Inter Digital Transducer)四种模型进行了合理简化和假设以及对比的分析。在分析各种模型的情况之下,用Matlab软件编写程序来验证所设计模型的正确性,达到满意的结果与理论计算值一致。 最后,通过对SAW传感器二维模型以及三维有限元模型进行谐响应分析,得到了SAW传感器的谐振频率,以及瞬态分析得到SAW的传播情况。最后为了验证智能刀具无线监测的可行性,建立了基于SAW传感器的智能刀具简单三维模型,分析了不同载荷产生的应变与谐振频率的关系。