高靈敏度微質(zhì)量E+E傳感器設計與分析 
壓電微質(zhì)量E+E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型E+E傳感器,具有結構簡單,成本低,實時、快速檢測分析以及測量精度高等特點,已經(jīng)普遍應用于化學、生物醫(yī)學、環(huán)境及安全檢測等領域。探測靈敏度是衡量E+E傳感器性能的關鍵指標之一,雖然借助幾何尺寸微型化方法可以有效地提升E+E傳感器的靈敏度,但由此引起的測量環(huán)境要求和檢測設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E+E傳感器靈敏度提升方法的研究具有重要的工程應用價值。

高靈敏度微質(zhì)量E+E傳感器設計與分析                  在綜合分析影響E+E傳感器靈敏度關鍵因素的基礎上,提出基于構型優(yōu)化的高靈敏度壓電式微質(zhì)量E+E傳感器設計方法,分析影響E+E傳感器靈敏度的關鍵因素,研究彈性元件構型與探測靈敏度之間的關系,以靈敏度提升為目標,建立了槽型變截面懸臂梁式微質(zhì)量E+E傳感器和多階梯懸臂梁式微質(zhì)量E+E傳感器的優(yōu)化設計模型,研制了高靈敏度新型E+E傳感器樣件,實驗結果充分驗證了所提出的E+E傳感器設計模型的有效性和可行性。具體工作如下：槽型變截面懸臂梁式微質(zhì)量E+E傳感器優(yōu)化設計模型。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E+E傳感器的靈敏度分析模型,獲得了影響靈敏度指標的關鍵因素。在保證E+E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型協(xié)同設計的高靈敏度微質(zhì)量E+E傳感器設計模型。采用有限元分析方法分析了E+E傳感器彈性梁結構參數(shù)、諧振頻率、集中質(zhì)量靈敏度和均布質(zhì)量靈敏度之間的關系。研究結果表明,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E+E傳感器實驗樣件,結果表明,在相同結構尺寸下,所提出的新型E+E傳感器集中質(zhì)量靈敏度較傳統(tǒng)等截面懸臂梁E+E傳感器提升了287.8%,均布質(zhì)量靈敏度提升了205.2%,驗證了設計方法的有效性。多階梯梁式微質(zhì)量E+E傳感器優(yōu)化設計模型。研究表明,通過調(diào)整微質(zhì)量E+E傳感器懸臂梁結構的剛度與有效質(zhì)量分布狀態(tài)可以有效地提升其靈敏度。借助結構優(yōu)化思想,以靈敏度zui大化為目標,以沿長度方向懸臂梁階梯數(shù)及各段結構參數(shù)為設計變量,提出了多階梯梁式微質(zhì)量E+E傳感器的優(yōu)化設計模型,分析了階梯數(shù)對優(yōu)化結果的影響程度。數(shù)值仿真結果表明,當階梯數(shù)為9或13時,新型E+E傳感器的靈敏度可達到原有構型的13.9倍,驗證了所提出的高靈敏度微質(zhì)量E+E傳感器設計方法的有效性。