新型聚合物石英压电传感器振动特性分析与数值模拟

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本文研究了一种新型聚合物石英压电传感器的振动行为。新型聚合物石英压电传感器是以具有压电效应的AT切型石英压电晶片作为基体,采用“真空电子束色散(EBD)镀膜技术”在基体表面蒸镀聚合物薄膜涂层而组成的具有聚合物圆环-石英晶体圆盘-聚合物圆环的三层薄板结构。通过聚合物薄膜材料对待测物质的吸-脱附特性采集特征信息,并利用模式识别系统模拟人类的嗅觉系统,达到对待测物质的检测功能,具有结构简单、快速检测和成本低等优点。新型聚合物石英压电传感器的工作原理是基于石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance, QCM)原理中的Sauerbrey方程,其基于传感器表面聚合物薄膜的吸附特性引起传感器质量的变化导致其固有频率发生变化,并通过AT切型石英压电晶体的压电效应输出含有其固有频率值的电信号。本文所研究的主要内容包括以下几个部分:(1)基于对聚合物材料、待测物质挥发性气体物理化学性质的分析,研究了不同种类的聚合物与挥发性气体中的特征识别物亲和性,得到针对待测物质具有特异性吸-脱附性能的薄膜配方;通过实验研究,得到了“真空电子束色散(EBD)镀膜技术”下不同聚合物材料的最佳制备工艺,研制出对待测物质具有特异性吸附性能的聚合物石英压电传感器。(2)针对新型聚合物石英压电传感器振动行为的理论研究,建立了其圆环-圆盘-圆环三层复合材料层合板力学模型;基于Kirchhoff薄板理论,通过假定三层复合薄板中性面竖向位移方程,研究力学模型的位移场和电势场分布,得到具有压电效应的石英基体在力电耦合作用下的弯矩和剪力,并得到了力学模型在固定支撑条件下的固有频率特征方程。(3)基于MATLAB软件平台,以聚四氟乙烯聚合物薄膜为例,对力学模型几何尺寸、材料属性赋值,计算得到了力学模型的1-100阶固有频率理论值。通过ANSYS有限元软件对聚合物石英压电传感器力学模型进行模态分析得到1-100阶固有频率和振型。通过新型聚合物石英压电传感器力学模型1-100阶固有频率理论值与模拟值进行对比,得出基于Kirchhoff薄板理论的新型聚合物石英压电传感器力学模型符合所制备的新型聚合物石英压电传感器,该力学模型为优化新型聚合物石英压电传感器的设计提供了理论支持。
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