基于阻抗变化的高灵敏度微质量传感器的机电耦合分析与设计

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压电微质量传感器可以通过测量结构附着微质量前后动态特征（频率或相位）的变化来称重或识别被测物，具有极高的灵敏度和分辨率，已广泛应用于微生物测量、微纳米颗粒称重、环境污染与食品安全检测等领域。然而传统的频差式微质量测量方法主要依赖于阻抗分析仪或复杂的频率捕捉电路来进行扫频和信号处理，存在耗时和检测过程繁琐的弱点，难以用于被测物质量连续变化的实时监测。近年来相关实验研究表明，测量特定频率点阻抗的变化可以来称重微小质量以避免扫频的繁琐步骤，但并未给出有效的理论探测机理分析模型。为此，本文基于压电材料BVD等效电路模型，利用建立了压电谐振式微质量传感器的机电耦合模型，给出了基于阻抗变化的微质量探测灵敏度表达式，研制长度为26.0mm的悬臂梁传感器样件，阻抗测量灵敏度（537.5?/mg）为相同外形尺寸下频率测量灵敏度（9.2HZ/mg）的58.4倍，验证了所建立的传感器机电耦合模型的正确性和特定频率处阻抗测量微质量方法的可行性，为高灵敏度微质量传感器的工程应用提供了重要的理论依据。具体工作包括：
　　（1）建立了基于定频阻抗变化的压电谐振式微质量传感器机电耦合动力学模型，推导了相应的微质量传感器灵敏度表达式。为了避免扫频测量存在的耗时问题，通过求解压电悬臂梁传感器的等效电路方程，建立了特定激励频率下压电悬臂梁传感器机电耦合动力学分析模型，计算了传感器吸附质量前后的等效阻抗变化量，得到了微质量探测的灵敏度表达新方法——阻抗灵敏度描述方法。为了获得更高的灵敏度，研究了激励频率、结构参数与输出阻抗、灵敏度之间的影响关系，给出了合理选择激励频率的方法。结果表明，阻抗输出灵敏度与悬臂梁的响应密切相关，且阻抗测量灵敏度随结构参数（如长度）的增大而增大，激励频率选择直接影响灵敏度的大小。
　　（2）压电式微质量传感器机电耦合协同设计方法。基于压电等效电路模型，建立了附加电路对压电式传感器性能的分析模型，分析了附加电容与电感器件对传感器测量灵敏度、带宽的影响关系。结果表明，通过合理设计附加测量电路，可以有效的改善谐振式微质量传感器的测量带宽和灵敏度，以满足不同环境场合的应用需求。

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作者
张淑敏;
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作者单位

大连理工大学;

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授予单位大连理工大学;
学科车辆工程
授予学位硕士
导师姓名赵剑;
年度 2017
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TP212.1;
关键词
压电传感器; 等效阻抗; 灵敏度; 机电耦合模型; 协同设计;

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