微薄膜多场耦合非线性振动分析

将微谐振压力传感器谐振薄膜简化为微薄膜多场耦合系统,给出考虑分子力作用时微薄膜多场耦合动力学方程,利用Linz Ted-Poincaré方法求得其非线性振动固有频率与振型方程,研究了分子力对薄膜非线性固有频率及自由振动的影响规律,利用微加工技术制作出谐振薄膜,利用静电激励-电容检测方法对薄膜非线性固有频率进行了测试。结果表明:当薄膜尺寸较小时,分子力对于微薄膜多场耦合非线性振动的固有频率具有较大影响。研究结果对于压力传感器进一步微型化具有指导意义。     

十字型微谐振梁多场耦合非线性振动分析

为了提高电容检测传感器的检测精度,提出了一种十字型微谐振梁。将其简化为多场耦合振动模型,在考虑分子力与电场力的情况下建立动力学方程。求得其非线性振动固有频率及其变化规律,分析了不同参数对位移响应的影响。利用微加工技术制作十字型微谐振梁,采用静电激励—电容检测方法对其测试。创新性地将激振端与拾振端采用隔离带分开,使输出的电压信号不掺杂激励信号,结果更加真实准确。使用Owen交流电桥进行检测。结果表明：谐振梁尺寸较小时,分子力对谐振梁非线性振动影响较大。在忽略与考虑分子力时,相对误差分别为4.706%与1.971%,考虑分子力时理论值更加贴近于实测值。十字型微谐振梁的品质因数为105.8,较传统一字梁,检测信号更为明显。     

谐振筒式液体密度传感器的设计

短筒谐振式密度传感器是以短筒谐振管为核心,基于正反馈原理,由激振元件、拾振元件、谐振子和放大电路组成的高品质闭环谐振系统．采用有限元法分析方法,研究计算了圆筒谐振子的静力学特性和模态响应等动力学特性;设计了短筒谐振管传感器和闭环振荡电路及单片机信号处理系统;分析了温度、压力、黏度等因素对测量结果的影响,对传感器进行了标定,并采用温度补偿方法提高了传感器的测量精度．实验表明20℃时传感器测量结果的不确定度为0.96kg／m3．圆筒谐振燃油密度传感器测量精度达到0.4kg,m3．     

用于挥发性有机化合物探测的微悬臂梁传感器

在研制成功的用于化学气体探测的热驱动微悬臂梁谐振器的基础上,提出了基于这种微悬臂梁谐振器,并以聚合物涂层作为挥发性有机化合物吸附敏感层的谐振式气体传感器.利用3种聚合物材料：聚氧化乙烯（PEO）、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇乙醚醋酸酯（PEVA）,在微悬臂梁谐振器上制备气体敏感层,探测6种挥发性有机化合物：甲苯、苯、乙醇、丙酮、己烷和辛烷.通过有限元分析估计了聚合物涂层的工作温度.用喷射法制备了PVA和PE-VA涂层,用点滴法制备了PEO涂层.测试了传感器的开环幅频特性,实验检测了气体传感器的谐振频率变化与分析物蒸气浓度的关系以及传感器对相对湿度的响应,分析了传感器的灵敏度和线性度.实验结果表明,这种涂覆聚合物敏感层的热驱动微悬臂梁谐振器为探测挥发性有机化合物提供了良好的平台.根据实验结果,可开发几种基于不同聚合物敏感层的高灵敏度微型气体传感器.     

微谐振式低速气体流速传感器的有限元模拟

提出一种基于昆虫风速接受器的微谐振式仿生传感器,用以测量低速气体流动.由于设计的复杂性,使用有限元模拟对其进行评估.基于有限元模拟得到流体雷诺数与其绕流无限长梁的粘滞系数的数值关系,从而有助于确定该传感器的线性工作范围.使用有限元模拟进行流体结构耦合分析,得到气体流速与固有频率偏移的数值关系.有限元模拟结果证实当雷诺数小于1时,传感器的输入与输出呈现线性关系,其灵敏度为1.6 Hz/(cm·s-1).     

基于单端口多模态微悬臂梁的谐振式大量程智能气体传感器(英文)

基于悬臂梁的谐振气体传感器可以通过测量悬臂梁谐振频率的偏移而检测相应气体分子.本文介绍了一种使用自激励自检测(SAD)电路驱动单端口多模态微悬臂梁的智能谐振式气体传感器.这种激励模式简化了悬臂梁结构和微加工过程.另外,还可以通过便捷地改变悬臂梁谐振模态实现大量程的气体浓度检测.通过仿真分析了不同模态下悬臂梁的模型和敏感度.通过测量这种基于单端口多模态悬臂梁的气体传感器对于气体的响应情况,展示了这种多模态SAD系统以及其改变模态增加测量量程的功能.     

自溯源型MOEMS加速度计谐振子设计仿真研究

MOEMS加速度计是加速度传感器未来的发展趋势之一,光学位移检测手段是决定测量精度的核心因素,与之配套的谐振子设计、匹配关系是充分发挥其性能的关键要素。自溯源光栅干涉仪是一种超精密位移测量方法,具有测量直接溯源、精度高、小型化等优势,非常契合MOEMS加速度计的位移测量需求。结合自溯源光栅干涉仪特性,计算、设计并仿真了自溯源型MOEMS加速度计谐振子。基于谐振子力学理论模型,计算了谐振子刚度和固有频率,采用COMSOL软件仿真了谐振子谐振模态、不同轴向的灵敏度与应力分布,设计了位移灵敏度高达10.01μm/g,同时具有超低横向串扰的谐振子,对直接溯源型高精度加速度测量方案的技术研发与性能优化具有重要意义。     

基于不确定度分析方法的硅微传感器设计方法研究

基于谐振式硅微压力传感器敏感结构设计原理,结合不确定度分析方法,分析了各结构尺寸对敏感结构固有频率以及检测灵敏度的影响.建立基于样本的随机模型在考虑尺寸加工误差的同时,评估了谐振敏感结构各个结构尺寸传感器固有频率以及检测灵敏度的影响大小并进行了比较,从而获得了对传感器性能起关键作用的影响因素.以上的结果可以为相应传感器敏感结构设计与优化提供参考.     

基于微型杠杆结构谐振式差分微加速度传感器的理论建模

为了提高灵敏度和消除交叉轴串扰,提出了一种包括有效的微型杠杆结构的谐振式差分微加速度传感器,分析了该结构差分检测和消除交叉轴干扰的原理．推导了该设计的理论模型,包括结构建模和轴向力作用下谐振微梁的固有频率偏移的推导,得到了待测加速度与输出固有频率偏移的关系．使用有限元模拟来证实理论模型．模拟结果说明,该设计的灵敏度每重力加速度g高于4kHz．探讨了具体结构参数的选取与输出频差的关系,说明通过调整微型杠杆的尺寸可以进一步提高本设计的灵敏度．     

考虑气体扩散表面应力的纳米梁非线性振动分析

工业有毒有害气体泄漏检测存在传感器灵敏度不高、检测时间长的问题。为解决该问题,提出一种基于气体吸附应力的浓度分析方法。考虑纳米梁表面气体扩散产生的表面应力敏感效应,通过分析纳米梁非线性振动性质的变化,得到泄漏气体相关信息。以Euler-Bornoulli梁为非线性振动模型,建立考虑气体扩散表面应力的纳米梁非线性振动方程,利用多尺度方法研究气体扩散表面应力影响下的纳米梁非线性振动。通过分析幅频响应曲线,研究了扩散气体浓度、偏摩尔体积、扩散时间、阻尼、直流激励电压和交流激励电压等参数与纳米梁振动之间的关系,分析了改变参数来减弱系统非线性的方法。研究结果表明:不同的扩散气体、浓度、扩散时间会对纳米梁振动产生不同的影响,检测纳米梁的振动可以进行扩散气体信息的检测;通过改变系统参数可以降低系统的非线性振动,增强系统的稳定性。该研究工作从振动角度为检测气体浓度以及扩散速度提供一种物理检测方法和检测理论。     

微型碳纳米管低压传感器工作性能研究

对于X射线管等小型真空器件,其内部真空监测还缺乏可靠的方法.基于碳纳米管的气体吸附影响场电子发射的特性,我们开发了一种微型低压传感器,本工作是对该传感器的场发射性能、传感性能、重复性和应用性进行研究.实验结果表明:合金材料制备的碳纳米管分布均匀、晶体性高,有良好的场发射性能;传感器对氮气和水汽具有传感效应,场发射电流能...     

基于表面等离子共振GGBP胺耦合绑定的葡萄糖浓度测量影响因素

人体组织液中的葡萄糖浓度与血糖浓度密切相关,微创血糖检测通过测量组织液中的葡萄糖浓度来预测血糖浓度,而组织液中成分复杂,利用对葡萄糖有特异性吸附作用的D-半乳糖／D-葡萄糖结合蛋白（GGBP）胺耦合绑定修饰表面等离子共振（SPR）传感器可以实现葡萄糖选择性测量．但是由于测量过程复杂,需要对影响测量精度的因素进行评价,确定最佳测量条件,以微型SPR传感器为核心搭建了一套葡萄糖浓度测量系统,系统地分析研究了GGBP胺耦合绑定SPR葡萄糖浓度测量过程中的各种影响因素,在不同实验条件下进行了测量实验,获得了蛋白质纯化、蛋白质活性、基线、流速、传质效应、温度和气泡等对测量结果的影响机制,提出了相应的解决方案,优化了测量流程．为标准化和小型化仪器开发提供重要依据．     

飞艇主气囊结构湿模态分析与试验研究

为研究飞艇主气囊结构模态特性,将飞艇内、外气体假设为势流体,基于流固耦合理论和势流理论,建立薄膜与内外空气流场共同作用的理论模型。建立充气膜结构数值分析方法,在内、外流场的单面耦合和内、外流场的双面耦合三种情况下,对薄膜充气管和模型飞艇进行湿模态分析,对比分析单面和双面气固耦合的分析结果,并通过模态试验对分析方法进行验证,结果表明采用双面耦合分析方法分析充气膜结构湿模态最合理;采用此方法对艇长5 m、25 m、50m和100 m以及长细比为1∶3、1∶3.5和1∶4的双轴椭球外形飞艇主气囊在多种内压条件下进行湿模态分析,表明固有频率与艇长成反比,而长细比与内压对固有频率影响小。分析结果可以为飞艇的结构设计以及复杂充气膜结构模态分析提供参考。     

无线电能传输系统中超磁致材料负载多场耦合建模研究

以超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)作为接收端负载的磁耦合谐振式(magnetically coupled resonant,MCR)WPT系统中存在电-磁-机多场耦合问题,由此增加了系统数学和电路建模复杂度。为解决上述问题,分析以GMM为负载的MCR WPT系统,构建其电路模型,采用多场耦合理论分析MCR WPT接收端负载GMM的阻抗特性。由分析结果可知,电磁线圈缠绕下的GMM阻抗特性为感性,其数值由电气部分和机械部分转换后共同组成。基于GMM的电气阻抗模型,对MCR WPT系统接收端模型进行仿真分析,并构建MCR WPT系统进行实验验证,实验结果与建模结果吻合,表明所提出的GMM负载多场耦合建模方法的正确性和有效性。     

微型传感器在汽车工程中的应用

近几年来,从半导体集成电路（IC）技术发展而来的微机电系统（microelectromechnicalsystem,MEMS）技术日渐成熟。微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件,主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器;此外,还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等,这些微型传感器的面积大多在1mm2以下。     

压电谐振传感器机理在超低频振动中的研究

提出了利用压电谐振机理实现超低频振动传感器的实用方法,通过对压电谐振式传感器机理分析研究,得出可测超低频范围可以在0～3Hz.对该超低频振动传感器的具体电路、工作原理以及模拟结果进行了系统的分析与阐述.     

微半球壳谐振子高温吹制工艺仿真及形貌影响机理研究

基于传统半球陀螺仪精度高、寿命长、可靠性高的优点以及MEMS器件体积小、重量轻、可批量生产、易于数字化等特点,微半球谐振陀螺仪兼备微小体积与中高精度的潜力,是当下微型陀螺仪的研究热点。微半球壳谐振子的高温吹制法制备工艺具有实现高性能的潜力和可批量化生产的优势,是谐振子制备工艺的重要方向。但是,此工艺方法下谐振子为一次成型,且难以后期修调。本文基于高温吹制法工艺原理建立了工艺仿真模型,可以直观地揭示微半球壳成型过程并准确地预测微半球壳的最终形貌;此外,结合形貌影响因素分析,详细探讨了玻璃厚度、基底环形槽几何参数、环形槽腔体内外压强比等主要因素对谐振子形貌的影响机理,可为微半球壳谐振子形貌控制提供重要依据。     

谐振子耦合型热声驱动脉管制冷机研究

热声驱动脉管制冷机通常采用直接或者长管耦合的方式,但是因为耦合后的发动机和制冷机难以达到最佳的工作状态,耦合长管的损失也比较大,因此整体效率较低。本文提出一种热声驱动脉管制冷机结构,利用谐振子耦合热声发动机和脉管制冷机,能够显著减小声功传递损失,提升整机效率。全文针对在900 K加热温度、80 K空气液化温区下的热声驱动脉管制冷机展开理论研究,首先分析了谐振子耦合机理,并对谐振子参数进行了优化设计;其次,研究了加热温度、制冷温度和机械阻尼对系统性能影响;最后,将谐振子耦合型与长管耦合型两种方式的热声驱动制冷机进行了对比分析。结果表明:在平均压力为3MPa,加热温度为900 K,制冷温度为80 K时,谐振子耦合的热声驱动制冷机可获得整机22.5%的效率,而长管耦合的热声驱动脉管制冷机获得11.6%的效率。     

谐振加速度计的非线性分析

描述了谐振加速度计的工作原理，分析表明，谐振加速度计的特征参量FS是设计谐振加速度计的理论基础；频率相对变化量与梁的厚度无关，增加频率的相对变化量也同时增加了输出信号的非线性度．对由激励振幅产生的谐振传感器非线性特性进行了理论分析，指出振幅Am和非线性因子γ-起构成了类谐振子的非线性项，为了避免谐振器的非线性特性，要求谐振传感器激励振动的振幅不宜过大。     

电动机-弹性连杆机构系统谐振机理研究

以三相交流电动机-弹性连杆机构系统为研究对象，考虑三相交流电机转子振动偏心时不均匀气隙的气隙磁场对系统的影响，用有限单元法建立了系统的耦合动态方程，并将驱动电机和机构作为一个完整的系统对其谐振机理进行了研究。研究表明：该系统的谐振现象不仅与系统转速有关，而且还与电动机的同步转速有关；该系统的低阶临界转速不仅与系统的固有频率有关，也与电动机的同步转速有关。