压电微悬臂梁质敏传感器性能的研究.pdf

江苏大学
硕士学位论文
压电微悬臂梁质敏传感器性能的研究
姓名:张春娟
申请学位级别:硕士
专业:工程力学
指导教师:骆英
20100601
,采用有限元方法,数值模拟了压电微悬臂梁,并进行参数分析,为设计高灵敏度微悬臂梁提供理论依据。压电微悬臂梁作为一种高灵敏度的新型传感器件,具有体积小、成本低、响应速度快、灵敏度高、结构简单以及易于集成等优点,已广泛应用于生物、化学和环境监测等众多领域,特别是利用其动态模式检测方法具有频率变化的高灵敏性和很宽的动态范围,检测某些气体、溶液成份等成为国内外研究热点,为生化微质量检测开辟了新的空间。本文以压电悬臂梁式微质量传感器为研究对象,进行理论分析、数值仿真研究压电微悬臂梁的性能,为开发设计高灵敏度压电微悬臂梁提供理论依据。模型,理论分析了微悬臂梁在空气和液体中的共振频率和自身结构参数的定量关系,灵敏度与共振频率变化量、被测物质量的关系。,利用有限元方法数值模拟压电微悬臂梁静、动态性能。通过仿真系统研究了悬臂梁材料特性、长度、宽度、厚度及共振阶数对压电悬臂梁微质量灵敏度检测的影响;并在课题组长期研究压电传感材料的基础上,进一步提出了纵向振动的模型,数值模拟结果表明比悬臂梁品质因数奶匦裕蔽⑿哿河τ糜谝禾寤肪持惺保捎谝禾遄枘岬影响,微悬臂梁的品质因数会降低,并且随着品质因数的降低,微悬臂梁灵敏度也会降低。但如果品质因数过高,微悬臂梁系统的稳定性会降低。压电微悬臂梁作为一种新型的检测手段在现代分析测量仪器中发挥越来越重要的作用,本文工作为进一步研究高性能、高灵敏度的微悬臂梁传感器的开发应用提供理论依据。关键词:压电微悬臂梁;品质因数;微质量检测;共振频率;动态模式;有限元;首先阐述了压电基本理论,分析了压电双向耦合效应。基于微悬臂梁的振动臂梁具有更高的灵敏度。分析微悬臂梁在空气、水中的频率响应曲线,并比较微传感器
,琤,.,瑃琭,【.,,琣.,
,猵琲甤甤甉,猰琩,,.,甌Ⅱ
图清单江苏大学硕士学位论文图悬臂粱压电检测原理示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图压电元件连接方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图双层毫米悬臂梁模型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图薄膜吸附双层梁模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图窄条微质量双层梁模型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图微质量双层梁模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图品质因数定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图微悬臂梁的网格划分模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图长度对频率的影响曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图宽度对电压的影响曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图宽度对频率的影响曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图宽度对电压的影响曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。穸榷缘缪沟挠跋烨摺图璨愫穸榷云德实挠跋烨摺图璨愫穸榷缘缪沟挠跋烨摺图L治鼋峁图ざ缺浠钡钠德势魄摺图ざ缺浠钡、次谐波频率偏移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图穸缺浠钡钠德势啤图矶缺浠钡钠德势啤图窕帜P屯肌图压电元件连接方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图瓻梁示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图长度对电压的影响曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图宽度对频率的影响曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。穸榷云德实挠跋烨摺图图L治鼋峁图德氏煊η咄肌
江苏大学硕士学位论文图⑿耗┒酥柿勘浠唤灼灯淄肌图⑿≈柿勘浠钠狄屏俊图付耸叫哿汉途匦挝⑿哿和窕帜P屯肌图付耸叫哿汉推胀ㄎ⑿哿呵叭灼德势贫员韧肌图形尬⒅柿啃哿何灰普穹德氏煊η咄肌图形尬⒅柿啃哿旱缥荒苷穹德氏煊η咄肌换能器压电元件结构示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图形尬⒅柿啃哿何灰普穹德氏煊η咄肌图形尬⒅柿课⑿哿浩德氏煊η咄肌图哿涸谒心P屯肌图哿涸诳掌⑺欣砺奂扑阒刀员取图哿涸诳掌⑺蟹抡嬷刀员取图⑿哿涸诳掌⑺幸唤灼迪烨叨员取图⑿哿涸诳掌⑺灼迪烨叨员取图⑿哿涸诳掌⑺衅德剩缥荒芮叨员取图ú憬峁鼓P屯肌图髦肿楹纤ú懔呵叭灼德势贫员韧肌图哿微小质量缥荒芊植肌图图德饰钡牡缥荒芊植纪肌图赡P图笆滴锿肌图⑿哿涸谒星叭灼德氏煊η咄肌Ⅵ
表清单江苏大学硕士学位论文表压电材料种类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯表微悬臂梁的初始尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯表不带质量块和带有质量块悬臂梁ざ。叭