本發(fā)明屬于精密傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非線性結(jié)構(gòu)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器，可用于氣體濃度、微顆粒質(zhì)量及微生物等監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

線性諧振式微質(zhì)量傳感器主要有壓電薄膜和懸臂梁組成，利用懸臂梁吸附被測(cè)物前后諧振頻率的變化可以準(zhǔn)確識(shí)別被測(cè)物的質(zhì)量，即s＝δf/δm，其中s為傳感器靈敏度，δm為被測(cè)物質(zhì)量，δf為諧振頻率變化量。靈敏度是衡量諧振式微質(zhì)量傳感器的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，傳感器的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形式和工作模式等都對(duì)靈敏度有很大影響。近年來，眾多研究人員通過改變傳感器材料屬性、結(jié)構(gòu)形式和尺寸等來提升傳感器的靈敏度。

中國(guó)專利(cn103424327a)提出一種基于變厚度梁結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)微質(zhì)量傳感器及其靈敏度提升方法，該懸臂梁只有一個(gè)階梯，需要大幅值、高頻率的激勵(lì)來獲得高階振動(dòng)模態(tài)。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，高頻激勵(lì)源難以實(shí)現(xiàn)，而且靈敏度提高不多，因此實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。

中國(guó)專利(cn102954829a)提出一種v型折疊懸臂梁結(jié)構(gòu)的微顆粒稱重傳感器，v型折疊懸臂梁的引入，有效改變了傳感器的剛度和有效質(zhì)量的分布狀態(tài)，大幅度提高傳感器的靈敏度，但是壓電片與v型梁的接觸面積減小，壓電片的驅(qū)動(dòng)效率降低。

中國(guó)專利(cn102269615a)提出一種槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，在懸臂梁上加槽，可增大自振頻率和吸附面積，提高靈敏度，但該專利與專利cn103424327a相似，需要高頻激勵(lì)源，實(shí)用性低。

以上，現(xiàn)有技術(shù)中提出的傳感器屬于線性諧振式微質(zhì)量傳感器，主要結(jié)構(gòu)都是線性結(jié)構(gòu)，除了各自的缺點(diǎn)之外，還有一些共性的缺點(diǎn)，比如線性諧振式微質(zhì)量傳感器的靈敏度受環(huán)境阻尼的影響很大，而且測(cè)量設(shè)備復(fù)雜，因此該類傳感器工程實(shí)用性低，適用范圍小，僅適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

由于線性結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，近年來，眾多研究人員致力于研究非線性微質(zhì)量傳感器來提升傳感器的品質(zhì)因數(shù)和靈敏度，可有效避免環(huán)境阻尼等因素的影響。比如文獻(xiàn)“nonlinear-basedswitchtriggeredbygasusingelectrostaticallyactuatedmicrobeams”，“l(fā)inearandnonlinearmasssensingusingpiezoelectrically-actuatedmicrocantilevers”等利用結(jié)構(gòu)分岔跳躍時(shí)幅值突變現(xiàn)象來檢測(cè)微質(zhì)量，但需要激光位移傳感器等復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備，降低了其工程實(shí)用性。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的線性諧振式微質(zhì)量傳感器主要通過改變傳感器結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)和工作模式來提升傳感器靈敏度，但是測(cè)量種類單一，傳感器加工難度大，且靈敏度受環(huán)境阻尼等因素的影響很大。近年來，已有許多學(xué)者致力于研究非線性微質(zhì)量傳感器，但其測(cè)量設(shè)備復(fù)雜，工程實(shí)用性低。因此，為了提高微質(zhì)量傳感器的工程實(shí)用性，必須設(shè)計(jì)出測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單，靈敏度和品質(zhì)因數(shù)高，能避免環(huán)境阻尼等因素影響的微質(zhì)量傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的現(xiàn)有的傳感器測(cè)量種類單一，傳感器加工難度大，靈敏度差等技術(shù)問題，而提供一種基于非線性結(jié)構(gòu)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器，是一種集激勵(lì)與傳感于一體的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明主要利用在懸臂梁上開口端設(shè)置非線性梁，再通過吸附膜和探測(cè)壓電薄膜對(duì)氣體濃度、微顆粒質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)吸附膜吸附被測(cè)物時(shí)，探測(cè)壓電薄膜輸出劇烈變化，由此判斷吸附物的劑量。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、自激、自感等優(yōu)點(diǎn)，其品質(zhì)因數(shù)和靈敏度高，受環(huán)境阻尼的影響很小，且測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要阻抗分析儀等，因此工程實(shí)用性高，應(yīng)用范圍廣，可用于檢測(cè)氣體、粉塵、病毒和細(xì)菌等微生物。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于非線性結(jié)構(gòu)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器，其特征在于，包括：固定端、激勵(lì)壓電薄膜、開孔懸臂梁、探測(cè)壓電薄膜、吸附膜和非線性梁；所述開孔懸臂梁一端固定于所述固定端上，在所述開孔懸臂梁靠近與所述固定端固定的位置上連接有所述激勵(lì)壓電薄膜，在所述開孔懸臂梁的另一端自由端處設(shè)有開孔且開孔上方連接有所述非線性梁，所述探測(cè)壓電薄膜和所述吸附膜連接于所述非線性梁的上表面。

本發(fā)明所述的非線性梁剛性固接于所述開孔懸臂梁的自由端處，開孔懸臂梁的振動(dòng)對(duì)非線性梁產(chǎn)生激勵(lì)。當(dāng)開孔懸臂梁產(chǎn)生的激勵(lì)幅值和頻率達(dá)到一定值時(shí)，非線性梁發(fā)生穩(wěn)態(tài)變化，即由第一穩(wěn)態(tài)變到第二穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)幅值產(chǎn)生巨大變化，探測(cè)壓電薄膜輸出劇烈變化。非線性梁上設(shè)置的選擇性吸附膜，可以吸附特定對(duì)象。比如，特定生物吸附膜可以只吸附目標(biāo)致病菌，而其他致病菌卻不吸附，因此利用這種吸附膜可以檢測(cè)某種致病菌是否存在；而利用帶靜電的吸附膜可以檢測(cè)粉塵，靜電力大小決定吸附的微顆粒質(zhì)量大小，設(shè)定吸附的微顆粒質(zhì)量大小，超出范圍則不吸附，因此只需要觀察探測(cè)壓電薄膜輸出情況，即可知道是否存在某種微顆粒。而針對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象，該種類型傳感器只需要更換吸附膜，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同被測(cè)物的檢測(cè)，操作方便，簡(jiǎn)單，工程實(shí)用性強(qiáng)。

進(jìn)一步地，所述非線性梁的兩端固定于所述開孔懸臂梁的上表面且橫跨于所述開孔的兩側(cè)，所述非線性梁的水平跨度大于或等于所述開孔的長(zhǎng)度(開孔沿所述開孔懸臂梁的長(zhǎng)度方向設(shè)置)，所述非線性梁的寬度小于所述開孔的寬度。

進(jìn)一步地，所述激勵(lì)壓電薄膜一端連接于所述固定端，且所述激勵(lì)壓電薄膜的下表面與所述開孔懸臂梁的上表面連接，所述開孔懸臂梁與所述激勵(lì)壓電薄膜之間用導(dǎo)電膠進(jìn)行無縫連接。

進(jìn)一步地，所述激勵(lì)壓電薄膜的長(zhǎng)度小于所述開孔懸臂梁的長(zhǎng)度，所述激勵(lì)壓電薄膜的寬度等于所述開孔懸臂梁的寬度。

進(jìn)一步地，所述探測(cè)壓電薄膜粘貼于所述非線性梁的上表面，且所述探測(cè)壓電薄膜的長(zhǎng)度小于所述非線性梁的長(zhǎng)度，所述探測(cè)壓電薄膜的寬度等于非線性梁的寬度。

進(jìn)一步地，所述探測(cè)壓電薄膜的材質(zhì)采用高分子柔性壓電薄膜材料或壓電纖維復(fù)合材料。

進(jìn)一步地，所述非線性梁為余弦梁、預(yù)壓屈曲梁、v型梁、弧形梁或者拱形梁中的一種。

本發(fā)明可以作為閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器，也可以作為稱重型質(zhì)量傳感器。當(dāng)作為閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器工作時(shí)，該種類型傳感器激勵(lì)頻率要小于非線性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分岔跳躍時(shí)的頻率，非線性結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生分岔跳躍，探測(cè)壓電薄膜輸出很小。當(dāng)吸附膜吸附被測(cè)物，且被測(cè)物的質(zhì)量超過閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器的質(zhì)量閾值，則非線性結(jié)構(gòu)發(fā)生分岔跳躍，探測(cè)壓電薄膜輸出劇烈變化，由此可以檢測(cè)被測(cè)物。在一定激勵(lì)幅值下，激勵(lì)頻率越接近非線性結(jié)構(gòu)的分岔頻率，閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器的質(zhì)量閾值越小，即通過調(diào)整激勵(lì)頻率大小，就可以調(diào)整閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器的質(zhì)量閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的檢測(cè)。

當(dāng)作為稱重型質(zhì)量傳感器工作時(shí)，可以利用吸附不同質(zhì)量時(shí)分岔頻率的變化對(duì)被測(cè)物進(jìn)行精確測(cè)量。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器響應(yīng)頻率的確定不是通過阻抗分析儀等復(fù)雜的設(shè)備來測(cè)量其響應(yīng)幅值峰值點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的頻率，而只需要監(jiān)測(cè)探測(cè)壓電薄膜輸出變化即可。通過測(cè)量吸附質(zhì)量前探測(cè)壓電薄膜輸出產(chǎn)生巨大變化所對(duì)應(yīng)的頻率和吸附質(zhì)量后探測(cè)壓電薄膜輸出產(chǎn)生巨大變化所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率，利用兩者之間的差值可以標(biāo)定吸附的微質(zhì)量大小。即利用吸附質(zhì)量前后，非線性結(jié)構(gòu)分岔頻率的偏移對(duì)吸附質(zhì)量大小進(jìn)行標(biāo)定。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明所提出的基于非線性結(jié)構(gòu)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器主要由開孔懸臂梁和非線性梁組成，非線性梁發(fā)生分岔跳躍時(shí)在分岔點(diǎn)處曲線斜率不隨阻尼變化，因此，本發(fā)明具有較強(qiáng)的抵抗環(huán)境干擾的性能，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性更高。

2、該環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器作為閾值型質(zhì)量傳感器工作時(shí)，當(dāng)吸附膜吸附被測(cè)物時(shí)，探測(cè)壓電薄膜輸出劇烈變化，觀察探測(cè)壓電薄膜輸出變化，即可對(duì)被測(cè)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，操作方便簡(jiǎn)單。而且改變激勵(lì)頻率就可以改變閾值型質(zhì)量傳感器的質(zhì)量閾值，即最小檢測(cè)質(zhì)量，再配合選擇性吸附膜，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的檢測(cè)，操作方便，可用于不同被測(cè)物檢測(cè)，適用范圍廣，工程實(shí)用性強(qiáng)。

3、該環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器作為稱重型質(zhì)量傳感器工作時(shí)，通過測(cè)量非線性結(jié)構(gòu)在吸附質(zhì)量前后分岔頻率的變化，即測(cè)量探測(cè)壓電薄膜在傳感器吸附微質(zhì)量前后輸出產(chǎn)生巨大變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率，并計(jì)算兩者差值，通過此差值就可以對(duì)吸附質(zhì)量大小進(jìn)行標(biāo)定。不需要阻抗分析儀等復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備，適用范圍廣，工程實(shí)用性高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明基于非線性結(jié)構(gòu)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中非線性梁、開孔懸臂梁幅頻特性曲線圖。

圖3為本發(fā)明中非線性梁、開孔懸臂梁的響應(yīng)位移隨吸附質(zhì)量的變化情況。

圖4為本發(fā)明的傳感器在不同吸附質(zhì)量下，非線性梁的幅頻特性曲線圖。

圖5為非線性結(jié)構(gòu)分岔頻率隨吸附質(zhì)量變化而變化的曲線圖。

圖中：1、固定端；2、激勵(lì)壓電薄膜；3、開孔懸臂梁；4、探測(cè)壓電薄膜；5、吸附膜；6、非線性梁。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種基于非線性結(jié)構(gòu)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器，包括：固定端1、激勵(lì)壓電薄膜2、開孔懸臂梁3、探測(cè)壓電薄膜4、吸附膜5和非線性梁6；所述開孔懸臂梁3一端固定于所述固定端1上，在所述開孔懸臂梁3靠近與所述固定端1固定的位置上連接有所述激勵(lì)壓電薄膜2，所述激勵(lì)壓電薄膜2一端連接于所述固定端1，且所述激勵(lì)壓電薄膜2的下表面與所述開孔懸臂梁3的上表面連接，所述開孔懸臂梁3與所述激勵(lì)壓電薄膜2之間用導(dǎo)電膠進(jìn)行無縫連接；所述激勵(lì)壓電薄膜2的長(zhǎng)度小于所述開孔懸臂梁3的長(zhǎng)度，所述激勵(lì)壓電薄膜2的寬度等于所述開孔懸臂梁3的寬度。

在所述開孔懸臂梁3的另一端自由端處設(shè)有開孔且開孔上方連接有所述非線性梁6，所述探測(cè)壓電薄膜4和所述吸附膜5連接于所述非線性梁6的上表面，開孔懸臂梁3的振動(dòng)對(duì)非線性梁6產(chǎn)生激勵(lì)。所述非線性梁6的兩端固定于所述開孔懸臂梁3的上表面且橫跨于所述開孔的兩側(cè)，所述非線性梁6的水平跨度大于或等于所述開孔的長(zhǎng)度(開孔沿所述開孔懸臂梁的長(zhǎng)度方向設(shè)置)，所述非線性梁6的寬度小于所述開孔的寬度。

所述探測(cè)壓電薄膜5粘貼于所述非線性梁6的上表面，且所述探測(cè)壓電薄膜5的長(zhǎng)度小于所述非線性梁6的長(zhǎng)度，所述探測(cè)壓電薄膜5的寬度等于非線性梁6的寬度。

所述探測(cè)壓電薄膜5的材質(zhì)采用高分子柔性壓電薄膜材料或壓電纖維復(fù)合材料。所述非線性梁6為余弦梁、預(yù)壓屈曲梁、v型梁、弧形梁或者拱形梁中的一種。

實(shí)施例

采用如表1-表3的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)本發(fā)明的監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并說明效果。在激勵(lì)壓電薄膜2上施加正弦電壓進(jìn)行激勵(lì)，如圖2所示，激勵(lì)電壓幅值定為22v，在一定范圍內(nèi)，隨著激勵(lì)頻率逐漸增大，開孔懸臂梁3發(fā)生的位移一直很小，但是當(dāng)激勵(lì)頻率達(dá)到一定值，非線性梁6(本實(shí)施例中采取余弦梁為例)發(fā)生分岔跳躍，產(chǎn)生很大的位移。由圖2可知，分岔頻率為35.51hz。接下來，保持激勵(lì)電壓幅值不變，激勵(lì)頻率定為35.03hz，對(duì)激勵(lì)壓電薄膜2進(jìn)行激勵(lì)，然后逐漸增大吸附質(zhì)量，當(dāng)吸附的質(zhì)量超過閾值型質(zhì)量傳感器的質(zhì)量閾值，非線性梁6發(fā)生分岔跳躍，響應(yīng)幅值發(fā)生突變。非線性跳躍在分岔點(diǎn)處曲線斜率不隨阻尼變化，因此，本發(fā)明的傳感器具有較強(qiáng)的抵抗環(huán)境干擾的性能，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性更高。

表1非線性梁(余弦梁)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2開孔懸臂梁參數(shù)

表3激勵(lì)壓電薄膜參數(shù)

本發(fā)明當(dāng)作為閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器工作時(shí)，該種類型傳感器激勵(lì)頻率要小于非線性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分岔跳躍時(shí)的頻率，非線性結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生分岔跳躍，探測(cè)壓電薄膜輸出很小。如圖2所示，非線性結(jié)構(gòu)分岔頻率為35.51hz，此時(shí)設(shè)激勵(lì)頻率為35.03hz，則非線性結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生分岔跳躍，響應(yīng)位移很小，探測(cè)壓電薄膜輸出很小。當(dāng)吸附膜吸附被測(cè)物，且被測(cè)物的質(zhì)量超過閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器的質(zhì)量閾值，則非線性結(jié)構(gòu)發(fā)生分岔跳躍，探測(cè)壓電薄膜輸出劇烈變化，由此可以檢測(cè)被測(cè)物，如圖3所示，當(dāng)吸附質(zhì)量達(dá)到300ug，非線性結(jié)構(gòu)發(fā)生分岔跳躍，探測(cè)壓電薄膜輸出劇烈變化。且在一定激勵(lì)幅值下，激勵(lì)頻率越接近非線性結(jié)構(gòu)的分岔頻率，閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器的質(zhì)量閾值越小，即通過調(diào)整激勵(lì)頻率大小，就可以調(diào)整閾值型質(zhì)量開關(guān)傳感器的質(zhì)量閾值,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的檢測(cè)。

當(dāng)環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器作為稱重型質(zhì)量傳感器工作時(shí)，可以利用吸附不同質(zhì)量時(shí)分岔頻率的變化對(duì)被測(cè)物進(jìn)行精確測(cè)量。由于非線性結(jié)構(gòu)發(fā)生分岔跳躍時(shí)，響應(yīng)位移產(chǎn)生巨大變化，探測(cè)壓電薄膜輸出產(chǎn)生巨大變化。因此，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器響應(yīng)頻率的確定，只需要監(jiān)測(cè)探測(cè)壓電薄膜輸出變化即可。通過測(cè)量吸附質(zhì)量前探測(cè)壓電薄膜輸出產(chǎn)生巨大變化所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率和吸附質(zhì)量后探測(cè)壓電薄膜輸出產(chǎn)生巨大變化所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率，利用兩者的差值可以標(biāo)定吸附的微質(zhì)量大小。即利用吸附質(zhì)量前后，非線性結(jié)構(gòu)分岔頻率的偏移對(duì)吸附質(zhì)量大小進(jìn)行標(biāo)定。如圖4所示，當(dāng)傳感器吸附不同質(zhì)量時(shí)，非線性結(jié)構(gòu)分岔頻率發(fā)生偏移。如圖5所示，為非線性結(jié)構(gòu)分岔頻率隨吸附質(zhì)量變化而變化的曲線圖，由圖可以算出該環(huán)境異常監(jiān)測(cè)傳感器的靈敏度為0.415hz/mg。此算例算出的傳感器靈敏度低主要是由于所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸比較大，當(dāng)減小傳感器結(jié)構(gòu)尺寸，靈敏度必將極大地提升。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。