压电悬臂梁式质量传感器结构设计

论文摘要

压电悬臂梁传感器是一种将微力信号转换成电信号的装置。该传感器具有尺寸小、灵敏度高、携带方便、反应速度快及易于集成等优点,所以得到极其广泛的应用。用于检测微小质量是压电悬臂梁传感器的一个极为重要的应用。压电悬臂梁传感器用于检测微小质量时,通常工作于动态工作模式。在该工作模式下,压电悬臂梁上附加的微小质量与压电悬臂梁传感器振动频率偏移量成正比,因此通过测试压电悬臂梁传感器的频率变化便可以得到附加质量的大小。由于压电悬臂梁的振动频率与它的有效质量的1／2次幂成反比,所以减小压电悬臂梁的有效质量便可以提高压电悬臂梁传感器的质量检测灵敏度。本文从减少微质量传感器的有效质量入手,分析了传感器的结构尺寸、结构形状等对传感器灵敏度的影响,提出了提高传感器灵敏度的方法,论文具体开展了如下一些工作：(1)研究了压电悬臂梁传感器的工作原理,压电悬臂梁传感器的结构、评价准则、工作方式、发展现状以及压电悬臂梁传感器在气体中和液体中的共振频率等。(2)总结了压电效应、压电材料以及压电材料的连接方式和压电悬臂梁传感器的检测方式。(3)压电悬臂梁传感器的结构优化设计。分别对压电悬臂梁传感器的结构以及传感器的延伸部分与非延伸部分的长度比进行了优化设计,提出了提高传感器灵敏度的悬臂梁结构构型以及悬臂梁延伸部分与非延伸部分的最优长度比。(4)对所设计的传感器进行实验验证。制作了优化前和优化后不同结构不同尺寸的压电悬臂梁传感器,分别进行了实验验证,实验结果和仿真结果表明,本文提出的传感器结构在同尺寸下比原有结构灵敏度提高了近150%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电悬臂梁传感器的工作原理
• 1.2.1 压电悬臂梁传感器的工作方式
• 1.2.2 双层压电悬臂梁传感器的结构及工作原理
• 1.2.3 单层压电悬臂梁的结构及工作原理
• 1.3 压电悬臂梁传感器的评价指标-品质因数
• 1.4 悬臂梁传感器的共振频率
• 1.4.1 悬臂梁在气体中的振动频率
• 1.4.2 悬臂梁传感器在液体中的共振频率
• 1.5 压电悬臂梁传感器的发展状况
• 1.6 悬臂梁传感器的应用
• 1.7 本文主要的研究工作
• 2 压电材料及压电悬臂梁传感器的检测方式
• 2.1 压电效应
• 2.2 压电材料
• 2.3 压电材料的几种连接方式
• 2.4 悬臂梁传感器的检测方法
• 3 压电悬臂梁传感器的结构优化设计
• 3.1 悬臂梁传感器灵敏度推导
• 3.2 压电悬臂梁传感器的优化设计
• 2进行优化'>3.2.1 对延伸部分的长度l₂进行优化
• 3.2.2 压电悬臂梁传感器结构优化设计
• 4 压电悬臂梁传感器的实验测试与分析
• 4.1 压电悬臂梁传感器的动态性能测试原理
• 4.2 实验结果与理论对比
• 4.2.1 矩形梁的实验
• 4.2.2 0.5mm厚的工字型梁实验
• 4.2.3 0.4mm厚工字型梁实验
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢