基于多频声表面波传感器阵列的车内颗粒物测量方法研究

作     者：陆佳楠 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨坚;易书新

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：多频声表面波传感器阵列 耦合模型 频率改变 粒径灵敏度 

摘      要：随着生活水平的提升,人们对车内空气质量的要求越高,进行车内颗粒物浓度和粒径分布测量方法研究,为开发新型车用颗粒物测量方法及提升车内空气质量提供了依据与可能。传统的颗粒物测量方法大多体积大、价格高,难以直接用于车内颗粒物测量;而采用谐振型传感器的颗粒物测量方法,具有体积小、结构简单、灵敏度高、功耗低等优点。声表面波传感器（SAW）作为高频谐振器件,具有频率选择性好、成本较低、工艺一致性好、易于集成等优势。本文基于多频声表面波传感器阵列展开用于车内颗粒物测量的频率扰动理论及应用研究。首先,研究了声表面波传感器对单一颗粒物粒径相关灵敏度。建立了单一颗粒物—声表面波传感器耦合系统的物理模型,并使用有限元方法将其简化为接触界面激励下颗粒物—声表面波传感器耦合系统的受迫振动模型。利用接触面应力积分与位移的关系,推导了声阻抗虚部,由此计算出不同粒径的球形颗粒物对传感器的频率扰动。研究了颗粒粒径、接触尺寸、形状和材料对颗粒物—声表面波传感器相互作用的影响。其次,在单—颗粒物粒径相关灵敏度分析的基础上,建立了粒径分布下颗粒物—声表面波传感器的耦合扰动模型,揭示颗粒物浓度、粒径分布与传感器频率改变的关系。计算了不同粒径分布下,1ng PTFE对声表面波传感器造成的频率改变,并分析了颗粒物材料和器件谐振频率对灵敏度的影响。使用声表面波传感器对小麦粉和滑石粉颗粒进行了实验测量,验证了耦合理论的正确性。使用315MHz声表面波传感器对不同名义尺寸的PTFE粉尘颗粒进行了实验测量,验证了声表面波传感器对不同粒径分布下的颗粒物具有不同灵敏度的特性。最后,搭建了模拟车内环境的实验平台,采用谐振频率为315MHz、433 MHz、868 MHz的声表面波传感器组成阵列对蚊香、香烟、亚利桑那A4粉、汽车尾气共计4中粒径分布不同的颗粒物气溶胶进行了测量。以频率改变为特征,对测量值进行了主成分分析,结果表明:不同浓度、不同粒径分布的颗粒物在主成分空间中呈现为差异明显的聚类,多频声表面波传感器阵列能够同时提取颗粒物的浓度与粒径分布信息。