基于構型優(yōu)化的高靈敏度微質量傳感器設計與分析.pdf

1、碩士學位論文基于構型優(yōu)化的高靈敏度微質量傳感器設計與分析DesignandAnalysisofAHighSensitivityMicro—massSensorBasedonConfigurationOptimization學號：21122011完成日期：2Q!壘生墨旦晝目大連理工大學DalianUniversityofTechnology大連理工大學碩士學位論文摘要壓電微質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與傳感一體的新

2、型傳感器，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，開展微質量傳感器靈敏度提升方法的研究具有重要的工程應用價值。在綜合分析影響傳感器靈敏度關鍵因素的基礎上，本文提出基于構型優(yōu)化的高

3、靈敏度壓電式微質量傳感器設計方法，分析影響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量傳感器和多階梯懸臂梁式微質量傳感器的優(yōu)化設計模型，研制了高靈敏度新型傳感器樣件，實驗結果充分驗證了所提出的傳感器設計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量傳感器優(yōu)化設計模型。分別建立了面向集中質量和均布質量測量的變截面槽型懸臂梁式微質量傳感器的靈敏度分析模

4、型，獲得了影響靈敏度指標的關鍵因素。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型協同設計的高靈敏度微質量傳感器設計模型。采用有限元分析方法分析了傳感器彈性梁結構參數、諧振頻率、集中質量靈敏度和均布質量靈敏度之間的關系。研究結果表明，相對于集中質量探測靈敏度而言，槽型變截面梁自由端寬度的變化對于分布質量探測靈敏度的影響并不大。研制了傳感器實驗樣件，結果表明，在相同結構尺寸下，所提出的新型傳感器集中質量靈敏度較傳統等

5、截面懸臂梁傳感器提升了2878％，均布質量靈敏度提升了2052％，驗證了設計方法的有效性。(2)多階梯梁式微質量傳感器優(yōu)化設計模型。研究表明，通過調整微質量傳感器懸臂梁結構的剛度與有效質量分布狀態(tài)可以有效地提升其靈敏度。借助結構優(yōu)化思想，以靈敏度最大化為目標，以沿長度方向懸臂梁階梯數及各段結構參數為設計變量，提出了多階梯梁式微質量傳感器的優(yōu)化設計模型，分析了階梯數對優(yōu)化結果的影響程度。數值仿真結果表明，當階梯數為9或13時，新型傳感器的