基于構(gòu)型優(yōu)化的高靈敏度微質(zhì)量傳感器設(shè)計(jì)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(jì)與分析DesignandAnalysisofAHighSensitivityMicro—massSensorBasedonConfigurationOptimization學(xué)號(hào)：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(lì)與傳感一體的新

2、型傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)分析以及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，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(cè)等領(lǐng)域。探測(cè)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(cè)量環(huán)境要求和檢測(cè)設(shè)備昂貴等問(wèn)題極大的影響了其實(shí)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(jià)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(jì)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(cè)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(jì)模型，研制了高靈敏度新型傳感器樣件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了所提出的傳感器設(shè)計(jì)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(jì)模型。分別建立了面向集中質(zhì)量和均布質(zhì)量測(cè)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(jì)的高靈敏度微質(zhì)量傳感器設(shè)計(jì)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(duì)于集中質(zhì)量探測(cè)靈敏度而言，槽型變截面梁自由端寬度的變化對(duì)于分布質(zhì)量探測(cè)靈敏度的影響并不大。研制了傳感器實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了設(shè)計(jì)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(jì)模型。研究表明，通過(guò)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(zhǎng)度方向懸臂梁階梯數(shù)及各段結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，提出了多階梯梁式微質(zhì)量傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，分析了階梯數(shù)對(duì)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(shí)，新型傳感器的