乐甫波液体粘度传感研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:xutao6310794
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乐甫波粘度传感器件因为符合传感器微型化、集成化、高灵敏度的发展趋势,因而有着广阔的应用前景和研究价值。同时,由于其理论模型复杂,所以一直是乐甫波液体传感领域的研究难点。论文从理论建模、机理分析、器件设计、外围电路设计与测试系统搭建几个方面,对乐甫波粘度传感进行了深入而全面的研究。首先,论文介绍了乐甫波传感器的工作原理,叉指换能器的特性,重点阐述了压电介质的耦合波方程,引出分离求解压电介质中各振动分量的部分波理论及研究乐甫波激发传播特性常用的表面有效介电常数法。在上述理论的基础上,论文根据声波在层状介质中的传播规律,推导了不同介质中乐甫波振动位移、法向应力及电位移矢量的部分波形式。针对“粘性液体/非压电薄膜/压电基底”的三层乐甫波器件,论文推导了其对应的边界条件,解出各个部分波对应的加权系数。然后,通过表面有效介电常数法,以及加入衰减因子的二维搜索模型,结合乐甫波器件的实际制作条件,以“粘性液体/二氧化硅薄膜/36°钽酸锂”为例,分析了乐甫波的传播特性,并得出了一些有意义的结论。在负载粘性液体乐甫波的传感特性中,分析了薄膜厚度增加时,乐甫波器件对液体密度、粘度的灵敏度变化;叉指换能器叉指周期增加时,乐甫波传播损耗与粘度灵敏度变化;不同密度下,声速相对于粘度的线性度。基于上述对负载粘性液体乐甫波的机理分析和数值仿真,设计了一组用于液体粘度传感的乐甫波器件,并测试了其对液体密度、粘度的灵敏度。为了提高器件性能,对乐甫波器件的叉指换能器进行了改进优化,设计了三种方案的乐甫波器件,并测试对比了其幅频特性,表明了论文中对负载粘性液体的乐甫波器件理论建模及数值分析的正确性,以及乐甫波器件用于液体粘度传感的有效性。在测量电路部分,介绍了三种常用的测量方法及电路设计,对比了三种方法的测试效果,最终选择幅值比与相位差结合的测量方法,并着重阐述了如何将两种方法结合运用到乐甫波器件中心频率的测量中。最后,在此基础上,搭建了双通道乐甫波粘度传感系统,用以剔除环境变化对测量结果带来的影响,并通过实验表明了其用于液体粘度传感的可行性,验证了双通道结构在温度变化时测试的稳定性。最后,对论文的主要工作进行了总结。归纳了创新点和特色,指出了不足之处,并对未来的工作进行了展望。
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