基于構(gòu)型優(yōu)化的高靈敏度微質(zhì)量傳感器設(shè)計與分析.pdf

1、碩士學(xué)位論文基于構(gòu)型優(yōu)化的高靈敏度微質(zhì)量傳感器設(shè)計與分析DesignandAnalysisofAHighSensitivityMicro—massSensorBasedonConfigurationOptimization學(xué)號：21122011完成日期：2Q!壘生墨旦晝目大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要壓電微質(zhì)量傳感器是主要由彈性元件及壓電薄膜組成的一種集激勵與傳感一體的新

2、型傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，實時、快速檢測分析以及測量精度高等特點，已經(jīng)普遍應(yīng)用于化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境及安全檢測等領(lǐng)域。探測靈敏度是衡量傳感器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，雖然借助幾何尺寸微型化方法可以有效地提升傳感器的靈敏度，但由此引起的測量環(huán)境要求和檢測設(shè)備昂貴等問題極大的影響了其實用性。因此，在特定尺寸約束下，開展微質(zhì)量傳感器靈敏度提升方法的研究具有重要的工程應(yīng)用價值。在綜合分析影響傳感器靈敏度關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，本文提出基于構(gòu)型優(yōu)化的高

3、靈敏度壓電式微質(zhì)量傳感器設(shè)計方法，分析影響傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素，研究彈性元件構(gòu)型與探測靈敏度之間的關(guān)系，以靈敏度提升為目標(biāo)，建立了槽型變截面懸臂梁式微質(zhì)量傳感器和多階梯懸臂梁式微質(zhì)量傳感器的優(yōu)化設(shè)計模型，研制了高靈敏度新型傳感器樣件，實驗結(jié)果充分驗證了所提出的傳感器設(shè)計模型的有效性和可行性。具體工作如下：(1)槽型變截面懸臂梁式微質(zhì)量傳感器優(yōu)化設(shè)計模型。分別建立了面向集中質(zhì)量和均布質(zhì)量測量的變截面槽型懸臂梁式微質(zhì)量傳感器的靈敏度分析模

4、型，獲得了影響靈敏度指標(biāo)的關(guān)鍵因素。在保證傳感器外形尺寸不變的前提下，提出基于懸臂梁表面形狀和橫截面構(gòu)型協(xié)同設(shè)計的高靈敏度微質(zhì)量傳感器設(shè)計模型。采用有限元分析方法分析了傳感器彈性梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、諧振頻率、集中質(zhì)量靈敏度和均布質(zhì)量靈敏度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，相對于集中質(zhì)量探測靈敏度而言，槽型變截面梁自由端寬度的變化對于分布質(zhì)量探測靈敏度的影響并不大。研制了傳感器實驗樣件，結(jié)果表明，在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，所提出的新型傳感器集中質(zhì)量靈敏度較傳統(tǒng)等

5、截面懸臂梁傳感器提升了2878％，均布質(zhì)量靈敏度提升了2052％，驗證了設(shè)計方法的有效性。(2)多階梯梁式微質(zhì)量傳感器優(yōu)化設(shè)計模型。研究表明，通過調(diào)整微質(zhì)量傳感器懸臂梁結(jié)構(gòu)的剛度與有效質(zhì)量分布狀態(tài)可以有效地提升其靈敏度。借助結(jié)構(gòu)優(yōu)化思想，以靈敏度最大化為目標(biāo)，以沿長度方向懸臂梁階梯數(shù)及各段結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計變量，提出了多階梯梁式微質(zhì)量傳感器的優(yōu)化設(shè)計模型，分析了階梯數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響程度。數(shù)值仿真結(jié)果表明，當(dāng)階梯數(shù)為9或13時，新型傳感器的