一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置制造方法及图纸

技术编号:15760497 阅读:285 留言:0更新日期:2017-07-05 14:43
本发明专利技术公开了一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置,所述微质量测试方法为:以微质量传感器谐振频率前后一定范围内某一特定频率为检测频率,在检测频率下测量加载质量前、后的微质量传感器等效电路阻抗差值,通过计算将差值转换得到加载的微质量。应用此方法的便携式微质量测试装置包括微质量传感器、信号发生模块和阻抗读取模块,所述微质量传感器为压电悬臂梁传感器。本发明专利技术所述的测量方法相对于频率测量法灵敏度提高100倍以上,测量原理简单,所需设备价格低廉,便携性强,因而可广泛用于空气粉尘污染、环境污染、危化品泄露及微生物如细菌或病毒等微小质量的精密测量。

High sensitivity micro quality testing method and portable quality testing device

The invention discloses a high sensitivity micro quality testing methods and quality of portable testing device, the micro quality testing method: after micro mass sensor resonant frequency within a certain range of a specific frequency for the detection of frequency, micro mass sensor equivalent circuit impedance difference in detection frequency measurement quality before and after loading, through the calculation of micro quality difference conversion loading. A portable micro quality testing device using the method comprises a micro mass sensor, a signal generation module and an impedance reading module, wherein the micro mass sensor is a piezoelectric cantilever beam sensor. Compared with the measuring method of the invention the method of frequency measurement sensitivity is improved by more than 100 times, the measuring principle is simple, the equipment required low price, portability, and can be widely used in air pollution, dust pollution, leakage of hazardous chemicals and microorganisms such as bacteria or viruses and other small micro quality precision measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置
本专利技术涉及便携式探测传感器
,具体说是一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置。
技术介绍
压电悬臂梁式微质量传感器是一种集激励、传感于一体的新型传感器,已广泛应用于空气粉尘、微生物病菌的检测与识别等领域。压电悬臂梁传感器由压电薄膜和弹性元件两部分组成。目前,微质量的测量主要通过频率偏移检测的方法实现,其工作原理是将探测区吸附的微小质量变化转化为谐振频率的变化,根据吸附质量前后的频率差推导出微质量变化,即Δm=-ΔfMe/fn,其中fn为对应第n阶模态的结构谐振频率,Me为悬臂梁等效质量,Δm为被探测物质量,Δf为谐振频率变化量。大量现有技术以频差法为基础,例如,美国专利US6389877B1,WO2005/043126A2国内专利CN1250156A,CN2011101177772,CN201110216323.0,ZL2013100145951,ZL2013103177028等均通过测量不同的悬臂结构的频率差来识别微小质量。另外,文献“Highermodesofvibrationincreasemasssensitivityinnanomechanicalmicrocantilevers”和“Analternativesolutiontoimprovesensitivityofresonantmicrocantileverchemicalsensors:comparisonbetweenusinghigh-ordermodesandreducingdimensions”根据频差法测量原理可知,需要通过一定范围的扫频测量才能确定微质量变化引起的频率差。通过测量高阶振动模态的频率差来识别微小质量。频率偏移检测微质量的。需要说明的是,频差法在实际应用中存在明显的不足,即其基于频差的微质量扫频测量过程严重依赖于阻抗分析仪,而阻抗分析仪的价格昂贵,且测量精度受到品质因数和分辨率均受仪器和环境阻尼影响、扫频测量过程复杂。为了简化测量过程和提升微质量探测灵敏度,亟需一种更为有效且更容易实现的微质量测量方法,以满足空气粉尘污染、环境污染、危化品泄露及微生物如细菌或病毒等微小质量的精密测量需求。
技术实现思路
针对传统频差式微质量检测方法存在的不足,本专利技术的目的是要提供一种检测准确、应用方便的一种高灵敏度微质量测试方法。为了实现上述目的,本专利技术技术方案如下:一种高灵敏度微质量测试方法,其特征在于:以微质量传感器谐振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率,由加载质量前、后微质量传感器阻抗变化,通过计算得到加载的微质量大小,其步骤包括:S1、以微质量传感器振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率,测量加载质量前、后的检测电路输出电压;S2、计算输出电压的变化通过运算处理得到加载质量前、后微质量传感器阻抗变化;S3、根据该检测频率下微质量传感器阻抗变化与加载质量之间的线性关系,通过计算得到加载质量大小。本专利技术的另一目的是要提供一种基于上述质量测试方法的便携式微质量测试装置,所述微质量测试装置包括微质量传感器、信号发生模块、检测电路和阻抗读取模块;所述微质量传感器为压电悬臂梁传感器,其包括固定块、连接于固定块的悬臂梁和粘贴于悬臂梁上且与悬臂梁等宽的压电片,所述压电片长度小于悬臂梁长度,所述悬臂梁与压电片结合构成悬臂梁与压电片复合段,悬臂梁未与压电片结合部分为悬臂梁延伸段;所述信号发生模块包括信号发生电路和电源放大器,所述电源放大器输出端与所述微质量传感器的压电片引出线连接,所述压电片与电阻R串联后与附加电容Cp并联;所述阻抗读取模块并联与附加电容Cp两端。进一步地,所述微质量传感器各阶谐振频率为其中,为所述悬臂梁与压电片复合段振幅函数;为所述悬臂梁延伸段振幅函数;l1为悬臂梁与压电片复合段长度;l2为悬臂梁延伸段长度;m1=(ρptp+ρnptnp)w;m2=ρnptnpw;Ep为所述压电片的弹性模量;tp为所述压电片的厚度;ρp为所述压电片的密度;Enp为所述悬臂梁的弹性模量;tnp为所述悬臂梁的厚度;ρnp为所述悬臂梁的密度;w为所述压电片和所述悬臂梁的宽度。进一步地,通过调整附加电容Cp实现装置量程和装置测量灵敏度的调节。进一步地,所述通过调整附加电容Cp实现调节的装置测量灵敏度为:其中,Rm为压电悬臂梁传感器动态电阻,Cm为压电悬臂梁传感器动态电容,Lm为压电悬臂梁传感器动态电感,ωn为输入电压频率,Cp为附加电容,Δm为加载质量。与现有技术相比,本专利技术的有益效果:1、本专利技术从理论角度出发,验证了阻抗测量方法的可行性,灵敏度相较于同结构频率测量法提高100倍以上。2、本专利技术从便携性角度出发,设计了新的测量电路,将复杂的频率测量改为简便的电阻测量,测量设备体积小,便携性强,价格低廉。3、本专利技术通过给压电悬臂梁传感器串并联外加电路的方法在不改变传感器结构及尺寸的情况下调整传感器测量范围和测量灵敏度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术质量测试方法流程图。图2为本专利技术压电悬臂梁传感器结构图;图3为本专利技术便携式微质量测量装置检测电路示意图;图4为本专利技术便携式微质量测量装置示意图;图5为实施例1阻抗变化曲线;图6为实施例2阻抗变化便携式微质量测量装置曲线;图7为实施例3阻抗变化曲线;附图标号说明:1、固定块,2、压电片,3、悬臂梁。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。当传感器输入电压Ui的频率fi为各阶谐振频率fn附近一定范围内的某一特定频率时,阻抗随频率近似线性变化,通过加载质量前后阻抗变化即可得到加载质量的大小。基于上述原理,本专利技术提供了一种高灵敏度微质量测试方法,其特征在于,以微质量传感器谐振频率前后一定范围内某一特定频率为检测频率,由加载质量前、后微质量传感器等效电路阻抗变化,通过计算得到加载的微质量大小,其测试流程如图1所示,步骤包括:S1、以微质量传感器谐振频率前后一定范围内某一特定频率为检测频率,测量加载质量前、后的检测电路输出电压。所述特定的检测频率一般在设备出厂前调试好,使用时不需进行附加的调频工作。本实施例中使用的传感器谐振频率为:其中,为所述悬臂梁与压电片复合段振幅函数;为所述悬臂梁延伸段振幅函数;l1为悬臂梁与压电片复合段长度;l2为悬臂梁延伸段长度;m1=(ρptp+ρnptnp)w;m2=ρnptnpw;Ep为所述压电片的弹性模量;tp为所述压电片的厚度;ρp为所述压电片的密度;Enp为所述悬臂梁的弹性模量;tnp为所述悬臂梁的厚度;ρnp为所述悬臂梁的密度;w为所述压电片和所述悬臂梁的宽度。S2、计算输出电压的变化通本文档来自技高网
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一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置

【技术保护点】
一种高灵敏度微质量测试方法,其特征在于:以微质量传感器谐振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率,由加载质量前、后微质量传感器阻抗变化,通过计算得到加载的微质量大小,其步骤包括:S1、以微质量传感器振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率,测量加载质量前、后的检测电路输出电压;S2、计算输出电压的变化通过运算处理得到加载质量前、后微质量传感器阻抗变化;S3、根据该检测频率下微质量传感器阻抗变化与加载质量之间的线性关系,通过计算得到加载质量大小。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度微质量测试方法,其特征在于:以微质量传感器谐振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率,由加载质量前、后微质量传感器阻抗变化,通过计算得到加载的微质量大小,其步骤包括:S1、以微质量传感器振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率,测量加载质量前、后的检测电路输出电压;S2、计算输出电压的变化通过运算处理得到加载质量前、后微质量传感器阻抗变化;S3、根据该检测频率下微质量传感器阻抗变化与加载质量之间的线性关系,通过计算得到加载质量大小。2.一种基于权利要求1所述微质量测试方法的便携式微质量测试装置,其特征在于:其包括微质量传感器、信号发生模块、检测电路和阻抗读取模块;所述微质量传感器为压电悬臂梁传感器,其包括固定块、连接于固定块的悬臂梁和粘贴于悬臂梁上且与悬臂梁等宽的压电片,所述压电片长度小于悬臂梁长度,所述悬臂梁与压电片结合构成悬臂梁与压电片复合段,悬臂梁未与压电片结合部分为悬臂梁延伸段;所述信号发生模块包括信号发生电路和电源放大器,所述电源放大器输出端与所述微质量传感器的压电片引出线连接,所述压电片与电阻R串联后与附加电容Cp并联;所述阻抗读取模块并联与附加电容Cp两端。3.根据权利要求2所述的微质量测试装置,其特征在于:所述微质量传感器各阶谐振频率为其中,为所述悬臂梁与压电片复合段振幅函数;为所述悬臂梁延伸段振幅函数;l1为悬臂梁与压电片复合段长度;l2为悬臂梁延伸段长度;m1=(ρptp+ρnptnp)w;m2=ρnptnpw;Ep为所述压电片的弹性模量;tp为所述压电片的厚度;ρp为所述压电片的密度;Enp为所述悬臂梁的弹性模量;tnp为所述悬臂梁的厚度;ρnp为所...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵剑高仁璟张淑敏温芯
申请(专利权)人:大连理工大学
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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