一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置与流程

本发明涉及便携式探测传感器技术领域，具体说是一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置。

背景技术：

压电悬臂梁式微质量传感器是一种集激励、传感于一体的新型传感器，已广泛应用于空气粉尘、微生物病菌的检测与识别等领域。压电悬臂梁传感器由压电薄膜和弹性元件两部分组成。

目前，微质量的测量主要通过频率偏移检测的方法实现，其工作原理是将探测区吸附的微小质量变化转化为谐振频率的变化，根据吸附质量前后的频率差推导出微质量变化，即δm＝-δfme/fn，其中fn为对应第n阶模态的结构谐振频率，me为悬臂梁等效质量，δm为被探测物质量，δf为谐振频率变化量。大量现有技术以频差法为基础，例如，美国专利us6389877b1，wo2005/043126a2国内专利cn1250156a，cn2011101177772，cn201110216323.0，zl2013100145951，zl2013103177028等均通过测量不同的悬臂结构的频率差来识别微小质量。另外，文献“highermodesofvibrationincreasemasssensitivityinnanomechanicalmicrocantilevers”和“analternativesolutiontoimprovesensitivityofresonantmicrocantileverchemicalsensors:comparisonbetweenusinghigh-ordermodesandreducingdimensions”根据频差法测量原理可知，需要通过一定范围的扫频测量才能确定微质量变化引起的频率差。通过测量高阶振动模态的频率差来识别微小质量。频率偏移检测微质量的。需要说明的是，频差法在实际应用中存在明显的不足，即其基于频差的微质量扫频测量过程严重依赖于阻抗分析仪，而阻抗分析仪的价格昂贵，且测量精度受到品质因数和分辨率均受仪器和环境阻尼影响、扫频测量过程复杂。

为了简化测量过程和提升微质量探测灵敏度，亟需一种更为有效且更容易实现的微质量测量方法，以满足空气粉尘污染、环境污染、危化品泄露及微生物如细菌或病毒等微小质量的精密测量需求。

技术实现要素：

针对传统频差式微质量检测方法存在的不足，本发明的目的是要提供一种检测准确、应用方便的一种高灵敏度微质量测试方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种高灵敏度微质量测试方法，其特征在于：以微质量传感器谐振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率，由加载质量前、后微质量传感器阻抗变化，通过计算得到加载的微质量大小，其步骤包括：

s1、以微质量传感器振频率前后一定范围内一特定频率为检测频率，测量加载质量前、后的检测电路输出电压；

s2、计算输出电压的变化通过运算处理得到加载质量前、后微质量传感器阻抗变化；

s3、根据该检测频率下微质量传感器阻抗变化与加载质量之间的线性关系，通过计算得到加载质量大小。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述质量测试方法的便携式微质量测试装置，所述微质量测试装置包括微质量传感器、信号发生模块、检测电路和阻抗读取模块；

所述微质量传感器为压电悬臂梁传感器，其包括固定块、连接于固定块的悬臂梁和粘贴于悬臂梁上且与悬臂梁等宽的压电片，所述压电片长度小于悬臂梁长度，所述悬臂梁与压电片结合构成悬臂梁与压电片复合段，悬臂梁未与压电片结合部分为悬臂梁延伸段；

所述信号发生模块包括信号发生电路和电源放大器，所述电源放大器输出端与所述微质量传感器的压电片引出线连接，所述压电片与电阻r串联后与附加电容cp并联；

所述阻抗读取模块并联与附加电容cp两端。

进一步地，所述微质量传感器各阶谐振频率为

其中，为所述悬臂梁与压电片复合段振幅函数；为所述悬臂梁延伸段振幅函数；l1为悬臂梁与压电片复合段长度；l2为悬臂梁延伸段长度；m1＝(ρptp+ρnptnp)w；m2＝ρnptnpw；ep为所述压电片的弹性模量；tp为所述压电片的厚度；ρp为所述压电片的密度；enp为所述悬臂梁的弹性模量；tnp为所述悬臂梁的厚度；ρnp为所述悬臂梁的密度；w为所述压电片和所述悬臂梁的宽度。

进一步地，通过调整附加电容cp实现装置量程和装置测量灵敏度的调节。

进一步地，所述通过调整附加电容cp实现调节的装置测量灵敏度为：

其中，rm为压电悬臂梁传感器动态电阻，cm为压电悬臂梁传感器动态电容，lm为压电悬臂梁传感器动态电感，ωn为输入电压频率，cp为附加电容，δm为加载质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明从理论角度出发，验证了阻抗测量方法的可行性，灵敏度相较于同结构频率测量法提高100倍以上。

2、本发明从便携性角度出发，设计了新的测量电路，将复杂的频率测量改为简便的电阻测量，测量设备体积小，便携性强，价格低廉。

3、本发明通过给压电悬臂梁传感器串并联外加电路的方法在不改变传感器结构及尺寸的情况下调整传感器测量范围和测量灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明质量测试方法流程图。

图2为本发明压电悬臂梁传感器结构图；

图3为本发明便携式微质量测量装置检测电路示意图；

图4为本发明便携式微质量测量装置示意图；

图5为实施例1阻抗变化曲线；

图6为实施例2阻抗变化便携式微质量测量装置曲线；

图7为实施例3阻抗变化曲线；

附图标号说明：

1、固定块，2、压电片，3、悬臂梁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当传感器输入电压ui的频率fi为各阶谐振频率fn附近一定范围内的某一特定频率时，阻抗随频率近似线性变化，通过加载质量前后阻抗变化即可得到加载质量的大小。

基于上述原理，本发明提供了一种高灵敏度微质量测试方法，其特征在于，以微质量传感器谐振频率前后一定范围内某一特定频率为检测频率，由加载质量前、后微质量传感器等效电路阻抗变化，通过计算得到加载的微质量大小，其测试流程如图1所示，步骤包括：

s1、以微质量传感器谐振频率前后一定范围内某一特定频率为检测频率，测量加载质量前、后的检测电路输出电压。所述特定的检测频率一般在设备出厂前调试好，使用时不需进行附加的调频工作。本实施例中使用的传感器谐振频率为：

其中，为所述悬臂梁与压电片复合段振幅函数；为所述悬臂梁延伸段振幅函数；l1为悬臂梁与压电片复合段长度；l2为悬臂梁延伸段长度；m1＝(ρptp+ρnptnp)w；m2＝ρnptnpw；ep为所述压电片的弹性模量；tp为所述压电片的厚度；ρp为所述压电片的密度；enp为所述悬臂梁的弹性模量；tnp为所述悬臂梁的厚度；ρnp为所述悬臂梁的密度；w为所述压电片和所述悬臂梁的宽度。

s2、计算输出电压的变化通过运算处理得到由加载质量前、后微质传感器阻抗差。

s3、根据该检测频率下阻抗与加载质量之间的线性关系，通过计算得到加载质量大小。

本实施例提供一种基于上述质量测试方法的便携式微质量测试装置，所述微质量测试装置包括微质量传感器、信号发生模块、检测电路和阻抗读取模块；

所述微质量传感器为压电悬臂梁传感器，所述压电悬臂梁传感器结构如图2所示，其包括连接于固定块1的悬臂梁3，以及粘贴于悬臂梁3上的压电片2，所述悬臂梁选用高弹性材料，压电片制成薄膜状紧密贴附于悬臂梁上。其中，压电片2与悬臂梁3等宽且压电片2的长度小于悬臂梁3的长度，所述悬臂梁与压电片结合构成悬臂梁与压电片复合段，悬臂梁未与压电片结合部分为悬臂梁延伸段；

所述信号发生模块包括信号发生电路和与信号发生电路连接的电源放大器，所述电源放大器输出端与所述微质量传感器的压电片引出线连接，所述所述压电片与电阻r串联后与附加电容cp并联；

所述阻抗读取模块并联与附加电容cp两端，b、d两端加载ui＝uie^jωt的正弦输入电压，a、c两端输出电压uo。

本实施例采用惠斯通电桥测量传感器的总阻抗z，如图3所示为检测电路示意图，在bd两端加载ui＝uie^jωt的正弦输入电压，ac两端输出电压uo。电桥平衡时，电桥相对臂电阻的乘积相等，即zr3＝r2r4。当传感器吸附质量δm时会引起总阻抗的变化，吸附质量后传感器的总阻抗为z'，则传感器吸附质量δm引起总阻抗的变化δz，通过检测输出电压uo的变化得到阻抗变化δz＝δuoz/ui。根据压电悬臂梁传感器阻抗变化曲线，输入电压ui的频率fi为各阶谐振频率fn附近一定范围内的某一特定频率时，阻抗随频率近似线性变化，通过加载质量前后阻抗变化δz即可得到加载质量δm的大小。

所述压电悬臂梁传感器阻抗z＝re+jxe，

其中：re为电阻分量，xe为电抗分量。

如图4所示为所述便携式微质量测量装置整体结构示意图。

进一步地，通过调整附加电容cp实现装置量程和装置测量灵敏度的调节。当加载质量之后最大阻抗频率小于原传感器最小阻抗频率时，所测质量超出该传感器的质量测量范围。在不改变传感器结构尺寸的情况下，如图4所示，通过调整附加电容cp与电阻r的方法增大其质量测量范围。其中，附加电容cp为可调电容。

通过调整附加电容cp方法改变装置灵敏度，所述测量灵敏度为

其中，rm为压电悬臂梁传感器动态电阻，cm为压电悬臂梁传感器动态电容，lm为压电悬臂梁传感器动态电感，ωn为输入电压频率，cp为附加电容，δm为加载质量。

具体实施例：

实施例一

如图5所示为二阶模态附近压电悬臂梁传感器加载质量前后阻抗、相角随频率变化曲线。以原谐振频率附近某一特定频率为检测频率，测量加载质量前后该频率处阻抗变化进而得到加载微质量的大小。本实例以压电悬臂梁传感器原谐振频率为检测频率，得到加载500μg质量前后阻抗差值为520ω，灵敏度为1.04×10⁶ω/g，为频率测量灵敏度6.43×10⁴hz/g的16.2倍。

实施例二

本实例采用调整附加电容的大小，使新的附加电容cp1＝0.5cp后，得阻抗频率变化曲线如图6所示。加载质量之前谐振频率为检测频率，在谐振频率附近，阻抗随频率近似线性变化且逐渐减小，通过特定频率处加载质量前后阻抗变化可以得到加载微质量大小。应用该装置测量得到加载500μg质量前后阻抗差为457ω，灵敏度为0.914×10⁶ω/g，为频差法测量灵敏度的14.2倍。

实施例三

本实例采用调整附加电容的大小，使新的附加电容cp2＝2cp后，得阻抗频率曲线如图7所示。压电悬臂梁传感器并联电容后测量范围增大，在转折频率fturn两侧，阻抗随频率均近似线性变化，以测量频率f＝5900hz为例，加载500μg微克质量前后阻抗差为1.233×10⁵ω，灵敏度为2.5×10⁸ω/g，为频率测量灵敏度的3888倍。

以上三实例分析得到，通过调整附加电容cp可使阻抗在各阶谐振频率两侧均随频率线性变化，大大提高了传感器的质量测量范围和测量灵敏度。

本发明从理论角度出发，介绍了阻抗测量法的可行性并给出具体测量电路，通过给传感器串、并联外加电路的方法在不改变传感器结构尺寸的情况下来调整传感器测量范围和测量灵敏度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。