对置磁耦合双梁液体中微量物质感测机理研究

作     者：马梓航 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王东方

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：耦合悬臂梁 微量物质传感器 流体动力载荷 传感机理 灵敏度 

摘      要：微量物质传感器是一种专门设计用于检测和测量极低浓度或含量的物质传感器,在医学、环境、工业生产等多个领域都有广泛应用。传统的谐振式微量物质传感技术受限于液体环境的耗散阻力,会大幅降低灵敏度和分辨率,亟需探究高灵敏、高分辨、宽量程的液体中微量物质感测机理。本论文设计了一种以磁耦合悬臂梁结构为核心的谐振式液体中微量物质传感器,研究了对置磁耦合双梁液体中微量物质感测机理,提出了基于磁力耦合的液体中微量物质感测新方案,实现高灵敏、高分辨、宽量程的物质检测。 首先从流固耦合出发,推导了悬臂梁在液体中的流体动力载荷,将液体对悬臂的作用分解为附加质量和附加阻尼。建立了磁耦合双梁的集总参数模型,利用复数解法和拉普拉斯变换法推导并求解了气-液-力二自由度耦合运动方程的振动响应和共振频率,分析了附加质量、附加阻尼和微量物质扰动对响应的影响规律。为了验证传感方案的可行性,构建了数值仿真模型,结果表明该方案可以实现液体中微量物质高灵敏、高分辨、宽量程的传感。 其次为明晰对置磁耦合双梁带来的传感性能提升,对磁耦合双梁感测方案进行灵敏度、分辨率和量程理论分析。分别推导了磁耦合双梁质量传感的灵敏度、分辨率和量程表达式,分析了附加质量和附加阻尼对传感性能的影响规律。提出灵敏度结构参数和量程结构参数,分析了磁耦合双梁结构参数对传感性能的影响规律。 最后进行了实验验证工作。设计并制造了磁耦合双悬臂梁样件和特制夹具,搭建了实验验证平台,模拟了三种不同的液体环境,开展了对置磁耦合双梁液体中微量物质感测机理验证实验。第一检测高频检测梁响应输出,分析磁耦合双梁传感特性,实验结果表明本研究提出的对置磁耦合双梁液体中微量物质感测方案可以实现液体中微量物质检测。第二对比传统单梁,可以实现液体中微量物质高灵敏、高分辨、宽量程的传感。在纯净水中灵敏度提升3.03倍,在浓盐水中灵敏度提升6.63倍,在甘油水溶液中灵敏度提升20.74倍。