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基于构型优化的高灵敏度微质量传感器设计与分析

朱传月  
【摘要】:压电微质量传感器是主要由弹性元件及压电薄膜组成的一种集激励与传感一体的新型传感器,具有结构简单,成本低,实时、快速检测分析以及测量精度高等特点,已经普遍应用于化学、生物医学、环境及安全检测等领域。探测灵敏度是衡量传感器性能的关键指标之一,虽然借助几何尺寸微型化方法可以有效地提升传感器的灵敏度,但由此引起的测量环境要求和检测设备昂贵等问题极大的影响了其实用性。因此,在特定尺寸约束下,开展微质量传感器灵敏度提升方法的研究具有重要的工程应用价值。在综合分析影响传感器灵敏度关键因素的基础上,本文提出基于构型优化的高灵敏度压电式微质量传感器设计方法,分析影响传感器灵敏度的关键因素,研究弹性元件构型与探测灵敏度之间的关系,以灵敏度提升为目标,建立了槽型变截面悬臂梁式微质量传感器和多阶梯悬臂梁式微质量传感器的优化设计模型,研制了高灵敏度新型传感器样件,实验结果充分验证了所提出的传感器设计模型的有效性和可行性。具体工作如下: (1)槽型变截面悬臂梁式微质量传感器优化设计模型。分别建立了面向集中质量和均布质量测量的变截面槽型悬臂梁式微质量传感器的灵敏度分析模型,获得了影响灵敏度指标的关键因素。在保证传感器外形尺寸不变的前提下,提出基于悬臂梁表面形状和横截面构型协同设计的高灵敏度微质量传感器设计模型。采用有限元分析方法分析了传感器弹性梁结构参数、谐振频率、集中质量灵敏度和均布质量灵敏度之间的关系。研究结果表明,相对于集中质量探测灵敏度而言,槽型变截面梁自由端宽度的变化对于分布质量探测灵敏度的影响并不大。研制了传感器实验样件,结果表明,在相同结构尺寸下,所提出的新型传感器集中质量灵敏度较传统等截面悬臂梁传感器提升了287.8%,均布质量灵敏度提升了205.2%,验证了设计方法的有效性。 (2)多阶梯梁式微质量传感器优化设计模型。研究表明,通过调整微质量传感器悬臂梁结构的刚度与有效质量分布状态可以有效地提升其灵敏度。借助结构优化思想,以灵敏度最大化为目标,以沿长度方向悬臂梁阶梯数及各段结构参数为设计变量,提出了多阶梯梁式微质量传感器的优化设计模型,分析了阶梯数对优化结果的影响程度。数值仿真结果表明,当阶梯数为9或13时,新型传感器的灵敏度可达到原有构型的13.9倍,验证了所提出的高灵敏度微质量传感器设计方法的有效性。 本论文得到国家自然科学基金项目(11372063,51105059)的资助,在此表示感谢。


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