本实用新型涉及一种微纳传感器，特别涉及一种磁耦合谐振式频率检测装置及频率检测方法，尤指一种基于磁耦合同步共振，通过磁场实现两个乃至多组梁单元耦合的高灵敏度、高分辨率、大量程谐振式传感器，可以提高一切通过检测外界扰动导致的谐振梁频率偏移来实现传感的传感器的灵敏度、分辨率和量程。
背景技术：
谐振式传感器具有一体化程度高、易于批量制造、谐振频率高等特点，因此被广泛应用于各种高精度检测系统。谐振式传感器的原理一般是待测物理量改变振子的固有频率，通过扫频能检测出频率的变化量，由此反应待测物理量。而基于同步共振的谐振式传感器能利用同步共振现象导致的m/n频率比，进一步提高灵敏度和分辨率，如专利CN 105628264。由于测量环境的不确定性和现代测试装备对电磁信号的高依赖性，直接接触式传感器可能在诸如高温的热反应炉、无法直接进入测试的黑匣子、人体内信号的感测、快速运动的待测源等极端传感条件下不再适用。这些时候就需要非接触式传感。非接触式传感器能够将感应元件和测试环境分离，从而规避复杂的传感环境对感应元件和相关电子设备的影响。然而，现阶段对机械振子同步共振的研究多数是研究连续体耦合，场耦合同步的有关研究也仅限于基于电场实现的静电耦合和光耦合，如US 9,660,654 B2。不过静电耦合的耦合场是由外电场提供的，还需要复杂的反馈控制电路，实验装置复杂、昂贵，还仅仅停留在实验室阶段，并未应用于传感领域。而光耦合依靠光压实现光机耦合，往往用于信号传输而非物理量的传感领域。因此，如何找到一种结构简单、灵敏度高的谐振式传感器成为了社会的迫切需求。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种磁耦合谐振式频率检测装置，目的在于引入非接触式耦合的同步共振和多路检测信号同时检测，从而提高所有基于频率检测的谐振式传感器的分辨率、灵敏度和量程，在物联网、传感网络等领域也有着极其重大的潜在应用前景。
本实用新型采取的技术方案是：Z轴调整装置为精密压电陶瓷滑台，激振装置为PZT激振台，两者均固定在超水平不锈钢底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁体阵列通过主动梁表面的中间结合层和主动梁梁身固定在一起；被动梁梁身上部弯折成L型并固定在Z轴调整装置上端部的直角表面，被动梁单元固定后不与主动梁单元接触。
所述被动梁单元结构是：前端导体开口回路为中部开口的铜制矩形，固定在被动梁梁身的自由端，前端导体开口回路不封闭，在固定部位形成窄断口，断口部分形成一个平行板电容器；被动梁梁身为普通悬臂梁，上部弯折形成L型，固定在Z轴调整装置的上表面；下电极通过微纳加工方法沉积在被动梁梁身表面，上电极、应力应变敏感膜和下电极形成三明治结构，应力应变敏感膜采用压电薄膜，上电极、应力应变敏感膜和下电极随被动梁梁身弯折，侧电极一和侧电极二一端分别与前端导体开口回路的两个开口端固定在一起，侧电极一和侧电极二侧面分别通过绝缘材料固定在被动梁梁身侧表面，侧电极一和侧电极二另一端弯折成L型通过绝缘材料分别固定在上电极表面；上电极输出端子、下电极输出端子、侧电极一输出端子、侧电极二输出端子分别固定在上电极、下电极、侧电极一和侧电极二表面。
所述主动梁单元包括主动、中间结合层和磁体阵列，所述主动梁为普通悬臂梁，磁体阵列是34块钕铁硼永磁体形成的阵列，通过中间结合层均布在主动梁上下表面，各永磁体的充磁方向均为Z向。
本实用新型在激振装置作用下，主动梁单元会产生一个内源的周期性的时变磁场；被动梁梁身垂直延伸并固定在Z轴调整装置端部的直角表面，以提高固定牢固程度并为输出电极和端子提供固定场所。为避免两个梁单元直接接触产生干扰，通过Z轴调整装置控制被动梁单元固定后不与主动梁单元接触，此外通过Z轴调整装置可以改变主动梁单元和被动梁单元的距离，即改变两个两梁单元的耦合强度，这一点对实现同步有着重大意义，能通过协调耦合强度扩大同步区域，能增大量程并使原本频率脱离同步区域不匹配的悬臂梁再次同步。
所述前端导体开口回路形状包括而不限于矩形、圆形、摆线型等，以便和主动梁单元振动时的变形状态相对应，最大限度利用主动梁单元产生的磁场，前端导体开口回路固定在被动梁梁身自由端，且不封闭，断口部分形成一个平行板电容器，这种设计有两个优点，既能防止感应电流过快耗散，还能把感应电流产生的信号进一步用侧电极输出，提高检测精度；上电极和下电极通过微纳制造工艺沉积在梁身表面，两层上电极和下电极和应力应变敏感膜形成三明治结构，下电极沿梁身延伸并弯折到梁身末端表面，应力应变敏感膜末端用绝缘材料延伸并弯折到下电极末端表面，上电极沿梁身延伸并弯折到绝缘材料表面，既保证感应信号的完全采集，又可避免被动梁的力学特性被依附的电极和感应膜减弱；侧电极一端与前端导体开口回路开口固定在一起，侧面固定在梁身侧表面，另一自由端沿梁身延伸并用绝缘胶固定在末端弯折到上电极末端上表面，侧电极能将前端导体开口回路的电信号引入输出端；输出端子仅为方便提供信号输出，四个输出端子分别与侧电极两端，上下表面电极相连，这样可以同时得到前端导体开口回路产生的感应电信号和感应膜的应变信号，两者都能反应主动端被检测物理量的信息，因此能大幅度提高检测的灵敏度、分辨率和准确度。
所述主动梁单元包括主动梁、中间结合层、磁性材料，所述主动梁的形式包括而不限于悬臂梁、双端固支梁、简支梁，形状包括而不限于矩形梁、C型梁、T型梁，主动梁形貌可以随匹配的被动梁数目的变化而改变，使磁场有效利用率提高；中间结合层是高粘接性能且退让性小的材料，既能紧紧固定表面磁体，也能防止剧烈振动导致的中间结合层弹塑形变形；磁性材料是多块永磁体的阵列，永磁体通过中间结合层粘接在主动梁上、下表面，各永磁体的充磁方向均垂直于主动梁上表面；因为磁性材料一般较脆，机械性能很差，无法作为悬臂梁，因此本实用新型采用多个磁体阵列，保证主动梁既有强磁性又不失去良好的力学性能。主动梁单元产生的磁场也会随主动梁单元的振动而改变，形成一个内源的时变磁场，由于是内源的，无需像光耦合、电耦合一样利用昂贵的外部仪器维持耦合场，简化了结构，节省能源。
所述主动梁单元和被动梁单元组成磁耦合磁耦合磁耦合同步共振系统，主动梁和被动梁的固有频率比满足m/n，其中m、n均为正整数，并在设计中将表面电极、磁体等因素纳入考虑，构成磁耦合磁耦合磁耦合同步共振系统后，主动梁单元的频率变化将在被动梁单元上达到m/n倍，设计时保证m<n，则能提高灵敏度，此外，由于同步共振的特性，相位噪声也会被削弱，进一步提高检测性能。
所述主动梁单元和被动梁单元组成的磁耦合磁耦合磁耦合同步共振系统中，主动梁单元数目可以是多个、被动梁单元数目可以是多个，通过Z轴调整装置调整耦合强度，可以实现一个感应端(主动梁单元)匹配多个检测端(被动梁单元)，也可以让多个感应端(主动梁单元)匹配一个检测端(被动梁单元)，降低检测成本，还使得传感器具有良好的互换性。保持耦合强度不变，则只有相匹配的梁单元才能检测到同步信号，可以广泛应用于物联网中的相互识别。此外，各组梁单元还能进行阵列，形成传感网络，各单元的信号可以进行串并联，进一步提高检测的精度和灵敏度。
本实用新型的优点是：
1.通过磁场实现两个振子的非接触式同步共振，有着同步共振耦合强度可控、减少相位噪声、同步区域大小可控的特点，此外由于耦合强度可控本实用新型具有放大倍数可控，量程可控，互换性强的特点，这些都是连续体同步共振结构无法实现的。
2.本实用新型实现的磁耦合同步共振，其耦合场相比电场耦合和光耦合，无需外围设备维持耦合场，本实用新型的耦合场是系统内部利用主动梁单元的振动产生的，极大简化了检测装置的结构和成本。
3.本实用新型的主动梁单元巧妙利用磁体的阵列，既使得主动梁单元拥有类似整块条形磁铁的磁场分布，又保留了主动梁自身良好的机械性能，磁性材料一般较脆，机械性能差，本实用新型大大降低了加工成本和对材料的要求。
4.侧电极和被动梁梁身表面的感应电极同时产生输出，提高检测的精度。
综上所述，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是能提高谐振式传感器的灵敏度、分辨率、检测精度并减少相位噪声，降低成本，具有良好的互换性和通用性，能用于检测所有能让梁结构的振动频率产生偏移的待检测物理量，如电流、磁场、质量等。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型被动梁单元结构示意图；
图3是本实用新型被动梁单元末端结构放大图；
图4是本实用新型主动梁单元结构示意图；
图5a是主动梁单元磁场分布的轴测图；
图5b是主动梁单元磁场分布的左视图；
图5c是主动梁单元磁场分布的俯视图；
图5d是主动梁单元磁场分布的主视图；
图6是本实用新型主动梁和被动梁之间的磁场示图；
图中，1、底座，2、激振装置，3主动梁单元，301、主动梁梁身，302、中间结合层，303、磁体阵列，4、被动梁单元，401、下电极，402、应力应变感应薄膜，403、上电极，404、被动梁梁身，405、下电极输出端子，406、侧电极一输出端子，407、侧电极二，408、侧电极二输出端子，409、上电极输出端子，410、侧电极一，411、前端导体开口回路，5、Z轴调整装置。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明，仅为说明本实用新型，而非限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，磁耦合谐振式频率检测装置包括：底座1、Z轴调整装置5，激振装置2，主动梁单元3和被动梁单元4，还有用于提供一定频率激励的函数信号发生器和用于检测输出的示波器，所述Z轴调整装置5为精密压电陶瓷滑台，激振装置2为PZT激振台，两者均固定在超水平不锈钢底座1上；主动梁单元3固定在激振装置2上，主动梁单元3的磁体阵列303通过主动梁表面的中间结合层302和主动梁301梁身固定在一起；被动梁梁身404上部弯折成L型并固定在Z轴调整装置5上端部的直角表面，被动梁单元4固定后不与主动梁单元3接触，主动梁梁身301和被动梁梁身404均采用微纳加工工艺由单晶硅加工得到；函数信号发生器与PZT激振台相连接，提供满足要求的激励频率，示波器与两组输出端子相连，用于检测输出的信号。
如图2和图3所示，被动梁单元4包括前端导体开口回路411、被动梁梁身404、上电极403、下电极401，应力应变敏感膜402、侧电极一410、侧电极一输出端子406、侧电极二输出端子408，上电极输出端子409、下电极输出端子405，所述前端导体开口回路411为中部开口的铜制矩形，固定在被动梁梁身404的自由端，前端导体开口回路411不封闭，在固定部位形成窄断口，断口部分形成一个平行板电容器；被动梁梁身404为普通悬臂梁，上部弯折形成L型，固定在Z轴调整装置5的上表面；下电极通过微纳加工方法沉积在被动梁梁身404表面，上电极403、应力应变敏感膜402和下电极401形成三明治结构，应力应变敏感膜402在本实施例中选为压电薄膜，本实施例的电极均选用镀金电极，上电极403、应力应变敏感膜402和下电极401随被动梁梁身404弯折，
侧电极一410和侧电极二407一端分别与前端导体开口回路411的两个开口端固定在一起，侧电极一410和侧电极二407侧面分别通过绝缘材料固定在被动梁梁身404侧表面，侧电极一410和侧电极二407另一端弯折成L型通过绝缘材料分别固定在上电极403表面；上电极输出端子409、下电极输出端子405、侧电极一输出端子406、侧电极二输出端子408分别固定在上电极、下电极、侧电极一和侧电极二表面，仅为方便提供信号输出，选用圆形，方便连接后续检测元件如示波器等。
如图4所示，主动梁单元3包括主动梁301、中间结合层302和磁体阵列303，所述主动梁301为普通悬臂梁；中间结合层是高粘接性能且退让性小的道康宁7920晶片粘结剂；磁体阵列是34块钕铁硼永磁体形成的阵列，通过中间结合层均布在主动梁301上下表面，各永磁体的充磁方向均为Z向，最终主动梁单元3形成的磁场如图5所示，和整块磁性悬臂梁形成的磁场一致。
工作原理：
(1)、将示波器a的输入端口和下电极输出端子405以及上电极输出端子409相连，将另一个示波器b的输入端口和侧电极一输出端子406以及侧电极二输出端子408相连；
(2)、主动梁单元3被激振装置2激励，以频率ω1振动；
(3)、当待测物理量被施加在主动梁单元3端部后，在本实施例中是质量扰动，主动梁单元3振动频率会发生变化，主动梁单元3振动频率记为ω2，频率变化量记为ωc；
(4)、通过示波器a和示波器b的傅里叶变换得到两路待测信号的频率，分别记为ω3和ω4；
(5)、其中ω3是压电片输出的应变信号频率，由于两根悬臂梁组成同步共振系统，m/n为频率的放大倍数，m、n均为整数，所以这路信号可得到的频率变化量ωca＝ω3/(m/n)-ω1，另外一路ω4是侧电极输出的电流信号的频率，这路信号能得到的频率变化量ωcb，ωcb＝ω4-ω1
(6)、对得到的ωca、ωcb进行数据处理，这两个通过两个示波器测得的压电片输出的应变信号频率和侧电极输出的电流信号的频率能相互应证，当这两个值得到的频率变化信号相差过大时，说明系统出现硬件故障，当ωca、ωcb接近时，说明系统没出现功能性缺陷，计算得到因质量扰动得到的频率变化量为ωc＝(ωca+ωcb)/2；
求出了ωc之后，通过计算出质量变化mc，其中ωc为主动梁单元频率变化量，L为矩形悬臂梁的长度，E为杨氏模量杨氏模量，I为惯性矩，ρc为悬臂梁材料的密度，A为梁的横截面积，λ为与谐振模态有关的常数可取λ＝1.857，mc为悬臂梁所受的质量扰动，m0为主动梁单元自身质量。
本检测方法仅仅通过被动梁单元4的上电极输出端子409和下电极输出端子405的输出就能将灵敏度提高m/n倍；另外由于同步共振的相位锁定特性，相位噪声会大大减小，提高检测精度。同时，侧电极一输出端子406和侧电极二输出端子408形成另外一路输出，配合应变信号一起作为输出来检测，可以大大提高检测综合性能，如灵敏度、分辨率和准确度等。
此外，由于本实用新型耦合强度可通过距离调控，而同步区域主要和耦合强度有关，本实用新型能达到最佳的同步区域，即尽可能扩大传感器的量程或称为调控量程。
除了图1提到的典型结构外，得益于本实用新型的磁耦合实现的同步共振结构，用于感应的主动梁单元3和用于检测的被动梁单元4属于感测分离式结构，且耦合强度可通过距离调控，因此一种感应单元(本例的主动梁单元3)可以和两个乃至多个不同固有频率不同被动梁单元匹配，实现多种放大倍数，也可以直接将不同被动梁单元的信号叠加，进一步提高检测精度，还能让整个装置拥有良好互换性。
磁耦合同步共振和质量检测的具体理论推导如下：
通过综合考虑梁身的磁铁和电极、应变片等因素的影响，设计两根悬臂梁的频率比分别为ω主、ω被，使之满足m×ω主＝n×ω被，其中m,n均为正整数，并通过Z轴调整装置5调整耦合强度，使两根悬臂梁实现同步共振。
(1)首先主动梁单元3被PZT激振台2激振，以频率ω1进行振动，悬臂梁上任意一点y处的形变量g为：
(2)然后如图6所示，主动梁单元3产生的磁场会斜着穿过被动梁单元的前端导体开口回路411，主动梁单元3振动的时候，主动梁单元3产生的磁场也会随主动梁单元3的振动而改变，形成一个内源的时变磁场，时变磁场的分布用多重微元法推导，由于主动梁保持着周期性振动，振动频率为ω1，引入时间变量，得到任意时刻由AB、CD段在空间任意点P(x,y,z)处的磁场大小表达式：
其中，矩形悬臂梁长度为a，宽度为b，厚度为h，主动梁单元3振幅为A,主动梁3振动频率在此公式中为ω1，分别为x、y、z方向的方向向量。
(3)接着，时变磁场会在被动梁单元4的前端导体开口回路411中诱发感应电流，由于断口的窄缝电容的存在，电流不会瞬间消耗掉，根据法拉第电磁感应定律，可得到最终导体开口回路411中的电流密度为：
其中，ρ代表铍青铜电阻率，S0是铍青铜回路的纵向截面面积，L是回路的总周长。
(4)由图6可知，在主动梁单元3的磁场斜穿过导体开口回路411，因此导体开口回路411中的电流最终会在主动梁单元3的磁场分量中受到安培力的作用，产生的安培力大小为：
其中Jcx、Jcy、Jcz分别为感应电流密度在三个平行于坐标轴方向上的分量，Bx、By、Bz为磁性悬臂梁在微电流元处磁场强度的三个分量。被动梁单元4因此被安培力驱动振动,同时被动梁单元4会给主动梁单元3一个反作用力，即形成反馈，最终实现两根悬臂梁的相位锁定和频率同步，实现同步后，两根梁的频率始终在一定范围内保持
(5)第(3)步的电流通过侧电极一输出端子406和侧电极二输出端子408输出，并由示波器b能观测到输出电流的频率。同时，由电流的推导公式可知，求得的频率ω4后，能得到感应电动势也为ω4，由感应电动势的频率能求得磁场的频率也为ω4，由的频率ω4可知，的计算公式只存在积分，三角函数积分后周期不变，因此被动梁单元振动频率即为ω4，在无干扰状态ω4＝ω1，施加干扰后的示波器b能观测到输出电流的频率ω4为ω4＝ω1+ωcb，此时ωcb＝ω4-ω1。
(6)主动梁单元3端部施加质量扰动后，主动梁单元3的振动频率会发生变化，频率变化量由此反求出
其中ωc为主动梁单元频率变化量，L为矩形悬臂梁的长度，E为杨氏模量杨氏模量，I为惯性矩，ρc为悬臂梁材料的密度，A为梁的横截面积，λ为与谐振模态有关的常数可取λ＝1.857，mc为悬臂梁所受的质量扰动，m0为主动梁单元自身质量。