基于壓電驅(qū)動(dòng)預(yù)應(yīng)力雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)參激分岔的微質(zhì)量傳感器.pdf

1、品質(zhì)因數(shù)低是制約諧振式微質(zhì)量傳感器應(yīng)用于阻尼環(huán)境測(cè)量的重要因素。與傳統(tǒng)的線彈性諧振式微質(zhì)量傳感器不同，本文提出借助非線性結(jié)構(gòu)參激振動(dòng)分岔跳躍現(xiàn)象來(lái)避免阻尼影響品質(zhì)因數(shù)的思想，引入壓電材料作為驅(qū)動(dòng)單元，建立了基于線彈性與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)組合的壓電式微質(zhì)量傳感器設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了微質(zhì)量稱重與閾值感應(yīng)開(kāi)關(guān)的功能集成，研究了非線性結(jié)構(gòu)參激振動(dòng)力學(xué)特性，分析了激勵(lì)幅值、頻率和微質(zhì)量吸附位置對(duì)傳感器微質(zhì)量感應(yīng)閾值和靈敏度的影響，具體工作包括：
　　（

2、1）研究了非線性預(yù)應(yīng)力雙穩(wěn)態(tài)余弦梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，分析了軸壓位移、激勵(lì)載荷和余弦梁構(gòu)型對(duì)結(jié)構(gòu)參激分岔特性的影響，提出了基于激勵(lì)幅值變換的余弦梁分岔頻率調(diào)節(jié)方法，為非線性微質(zhì)量傳感器的設(shè)計(jì)提供了重要支撐。
　?。?）利用線性和預(yù)應(yīng)力雙穩(wěn)態(tài)組合結(jié)構(gòu)的參激振動(dòng)分岔現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了壓電驅(qū)動(dòng)的非線性稱重型微質(zhì)量傳感器，建立了傳感器吸附微質(zhì)量前后非線性余弦梁分岔頻率的偏移量與微質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到了其探測(cè)靈敏度和品質(zhì)因數(shù)。設(shè)計(jì)了線性彈性梁尺寸為長(zhǎng)

3、58.0mm，寬4.0mm，厚為0.2mm，雙穩(wěn)態(tài)余弦梁的跨度為22.0mm的新型分岔式微質(zhì)量傳感器，其靈敏度和品質(zhì)因數(shù)分別為542.0Hz/g和192，較同尺寸線性諧振式微質(zhì)量傳感器的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)提升了3.31倍和6.91倍。研究了電壓激勵(lì)幅值和吸附質(zhì)量位置對(duì)分岔頻率的影響關(guān)系，得到了具有最高靈敏度的吸附膜位置。
　?。?）利用預(yù)壓雙穩(wěn)態(tài)梁結(jié)構(gòu)的閾值跳躍現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了具有質(zhì)量閾值感應(yīng)功能的新型微質(zhì)量開(kāi)關(guān)，即利用傳感器響應(yīng)幅值的

4、突變現(xiàn)象檢測(cè)微小質(zhì)量閾值。當(dāng)外界附加質(zhì)量達(dá)到閾值時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生幅值突變，研究了激勵(lì)載荷（幅值、頻率）和微質(zhì)量吸附位置對(duì)開(kāi)關(guān)最小感應(yīng)閾值的影響關(guān)系。在與稱重傳感器相同的幾何尺寸下，微質(zhì)量開(kāi)關(guān)的最小探測(cè)閾值為0.2mg。
　?。?）非線性微質(zhì)量傳感器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，制備了傳感器實(shí)驗(yàn)樣件，搭建了包括壓電激勵(lì)系統(tǒng)、激光位移傳感器、Labview和計(jì)算機(jī)組成的微質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)到傳感器的稱重靈敏度為575.0Hz/g，作為微質(zhì)