基于阻抗變化的高靈敏度微質(zhì)量傳感器的機(jī)電耦合分析與設(shè)計.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、壓電微質(zhì)量傳感器可以通過測量結(jié)構(gòu)附著微質(zhì)量前后動態(tài)特征(頻率或相位)的變化來稱重或識別被測物,具有極高的靈敏度和分辨率,已廣泛應(yīng)用于微生物測量、微納米顆粒稱重、環(huán)境污染與食品安全檢測等領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)的頻差式微質(zhì)量測量方法主要依賴于阻抗分析儀或復(fù)雜的頻率捕捉電路來進(jìn)行掃頻和信號處理,存在耗時和檢測過程繁瑣的弱點(diǎn),難以用于被測物質(zhì)量連續(xù)變化的實(shí)時監(jiān)測。近年來相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明,測量特定頻率點(diǎn)阻抗的變化可以來稱重微小質(zhì)量以避免掃頻的繁瑣步驟,但

2、并未給出有效的理論探測機(jī)理分析模型。為此,本文基于壓電材料BVD等效電路模型,利用建立了壓電諧振式微質(zhì)量傳感器的機(jī)電耦合模型,給出了基于阻抗變化的微質(zhì)量探測靈敏度表達(dá)式,研制長度為26.0mm的懸臂梁傳感器樣件,阻抗測量靈敏度(537.5?/mg)為相同外形尺寸下頻率測量靈敏度(9.2HZ/mg)的58.4倍,驗(yàn)證了所建立的傳感器機(jī)電耦合模型的正確性和特定頻率處阻抗測量微質(zhì)量方法的可行性,為高靈敏度微質(zhì)量傳感器的工程應(yīng)用提供了重要的理論

3、依據(jù)。具體工作包括:
 ?。?)建立了基于定頻阻抗變化的壓電諧振式微質(zhì)量傳感器機(jī)電耦合動力學(xué)模型,推導(dǎo)了相應(yīng)的微質(zhì)量傳感器靈敏度表達(dá)式。為了避免掃頻測量存在的耗時問題,通過求解壓電懸臂梁傳感器的等效電路方程,建立了特定激勵頻率下壓電懸臂梁傳感器機(jī)電耦合動力學(xué)分析模型,計算了傳感器吸附質(zhì)量前后的等效阻抗變化量,得到了微質(zhì)量探測的靈敏度表達(dá)新方法——阻抗靈敏度描述方法。為了獲得更高的靈敏度,研究了激勵頻率、結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸出阻抗、靈敏度之

4、間的影響關(guān)系,給出了合理選擇激勵頻率的方法。結(jié)果表明,阻抗輸出靈敏度與懸臂梁的響應(yīng)密切相關(guān),且阻抗測量靈敏度隨結(jié)構(gòu)參數(shù)(如長度)的增大而增大,激勵頻率選擇直接影響靈敏度的大小。
 ?。?)壓電式微質(zhì)量傳感器機(jī)電耦合協(xié)同設(shè)計方法?;趬弘姷刃щ娐纺P?,建立了附加電路對壓電式傳感器性能的分析模型,分析了附加電容與電感器件對傳感器測量靈敏度、帶寬的影響關(guān)系。結(jié)果表明,通過合理設(shè)計附加測量電路,可以有效的改善諧振式微質(zhì)量傳感器的測量帶寬和

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