表面横波轮胎压力传感器系统的研究

论文摘要

随着交通事故的发生越来越频繁,如何提高驾驶的安全性能近年来成为关注焦点。调查研究发现,发生交通事故的原因多起于轮胎气压不标准,而目前第一代的轮胎压力监测系统（TPMS）的不足之处逐步暴露,因此需要尽快研制出第二代“智能轮胎”并稳定可靠的投入现实生活的应用。本论文中针对研究一种新型的基于表面波技术的轮胎压力传感器系统所需要涉及到的关注点进行了讨论分析。为了得到高性能的新一代TPMS将有几点要求:无源、精度高、稳定性好、适用范围广且能在恶劣环境下正常工作,基于此,这里研究分析了一款谐振式无源无线表面横波轮胎压力传感器系统。该传感器的突出优点在于:在欧拉角为（0°,38°,90°）切型的石英晶体上激发出高性能的表面横波模式;采用单端口表面横波谐振器作为敏感元件;力敏结构的设计则采用集中力作用下表面应变均匀的等强度悬臂梁;结合相应的导力机构以提高传感器的工作性能。文中利用ANSYS有限元分析软件对表面波工作机理进行了模态分析和谐响应分析,对悬臂梁结构进行了静力分析以提供理论仿真依据,这些工作都可为将来进一步对传感器整体的系统级分析奠定重要基础,并服务于传感器的优化设计。为了可以得到更精确更稳定的测频结果,通过离线仿真的形式用MATLAB将不同算法进行了对比分析,并初步确定FFT+DFT测频法作为最终可实现的频率估计方案。最后通过对设计的传感器样机进行了相关实验测试,结果表明:该传感器静态中心频率约为921MHz,在00.24MPa的压力变化范围内所表现出的精度为0.65Hz/Pa（即65kHz/bar）,且变化线性度比较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状与存在的不足
• 1.2.1 SAW 压力传感器国内外研究现状
• 1.2.2 存在的不足
• 1.3 有限元分析简介
• 1.3.1 有限元分析
• 1.3.2 ANSYS 简介
• 1.4 论文研究内容
• 第二章 基于ANSYS 的声表面波谐振器建模
• 2.1 引言
• 2.2 SAW 谐振器的有限元模型
• 2.2.1 单端SAWR 简介
• 2.2.2 SAWR 有限元模型分析
• 2.3 ANSYS 仿真结果分析
• 2.3.1 模态分析
• 2.3.2 谐响应分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 表面横波压力传感器结构分析与设计
• 3.1 引言
• 3.2 压力传感器的结构及工作原理
• 3.2.1 压力传感器的结构
• 3.2.2 STW 工作模式
• 3.2.3 力敏石英悬臂梁结构
• 3.3 力敏悬臂梁的ANSYS 仿真分析
• 3.3.1 等强度悬臂梁理论分析
• 3.3.2 ANSYS 静力分析过程
• 3.3.3 悬臂梁分析结果
• 3.3.4 槽结构分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 谐振式无线压力传感器系统的信号处理
• 4.1 引言
• 4.2 射频信号收发及检测原理
• 4.2.1 无线查询原理
• 4.2.2 无线收发平台
• 4.2.3 检测原理及仿真过程
• 4.3 几种测频法简介
• 4.3.1 瞬时测频法介绍
• 4.3.2 经典测频法[39]
• 4.3.3 现代谱估计
• 4.4 回波信号检测
• 4.4.1 测频算法与仿真实现
• 4.4.2 算法分析及改进
• 4.4.3 估计精度分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 压力传感器系统实验与分析
• 5.1 实验测试设备介绍
• 5.2 传感器静态特性测试
• 5.3 恒温下压力传感器实验与分析
• 5.3.1 实验测试方案
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录1 材料参数坐标变换
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文