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        國內外對諧振式液位傳感器的研究成果

        文章來源:吉創儀表 作者:小艾 發布時間:2019-04-09 10:13:09 瀏覽量:
        諧振式石英晶體傳感器被廣泛應用于科技的各個領域,具有很高的靈敏度和精度、結構簡單、壽命長、功耗低、環境適應能力強等優點,是一種低成本的檢測器件。
        文本關鍵詞:諧振液位傳感器,國內外研究成果
         

        國外研究現狀

        對于石英晶體微天平(QCM)的研究,國外的學者主要集中在氣相、液相、固相的測量中,廣泛涉及生物測量、化學檢測等各個領域,對物質的鑒定、檢測以及監控起到很大的作用。

        自 1959 年,Sauerbrey 發現了諧振頻率的變化與石英晶體表面接觸的質量的變化關系以后,石英晶體微天平開始的到了基礎的研究和發展。

        60 年代中期,用于氣相檢測的傳感器被系統的研究,最主要的應用方面是對化學性質的分析,最主要的代表有 King與 J.F.Alde。

        70 年代初期,Shons 等人第一個壓電免疫傳感器被研究出來,為免疫傳感器的成長奠定了堅固的基礎,對于后續的研究工作提供了理論依據。

        80 年代,壓電石英晶體微天平(QCM)原理得到了廣泛的應用于研究,Guilbault 研制出甲醛檢測的壓電傳感器;Nomura 等將壓電石英晶體微天平原理與液相測量進行有效的結合,分析出關鍵參數之間的關系;Konash 等在嚴格控制液體測試環境與條件的前提下,得到諧振頻率與電極表面質量之間的關系,石英晶體微天平在液體測量應用更為廣泛。

        近年來國外利用壓電材料作為傳感器的研究有很多。Alava 和 Mathieu 等人在液體媒質中利用壓電驅動和壓阻探測做硅基微薄膜傳感器。第一次實現了物理上壓電驅動和壓阻探測在諧振微薄膜上的結合,可以用做微重力生物傳感器。這種振動是由 PbZrxTi1−xO3 46 / 54 薄層利用逆壓電效應提供給微薄膜的。振動的振幅通過測量壓阻元件的精確變化而讀出,壓阻元件被緊緊固定在為薄膜的邊緣。

        該研究記錄了空氣和結冰的水中微薄膜共振頻率的測試。并且描述了專用的閉環電特性。當提高響應品質因數等參數時,在液體中可以利用四個微薄膜來解決共振問題。并研究了(0,1)振動模式下加至 11 層微薄膜在液體中的品質因素。

        Shuvo Roy, Alain Izad 等人做出了相關基于壓電諧振傳感器的智能冰探測系統的研究。冰探測系統是由一個諧振壓電敏感元件和一個微控制處理器組成的。能自動的感受到水和冰面的厚度為 0.5mm。傳感器表面和水面冰面的接觸改變了有效質量和傳感器振動的剛度。這些振動通過測量傳感器的共振頻率來獲得。在冰逐漸結冰層時傳感器的共振頻率平穩增加。冰層 0.06mm 厚時共振頻率 14kHz,達到 0.45mm 時共振頻率達到 28kHz。相反地,水層 0.06mm 時共振頻率為 10kHz 而達到 0.45mm 時共振頻率減小到 9.5kHz。方便、低能耗微控制處理電路用來測量共振頻率決定了水或冰面在傳感器表面的現實狀態。

        Thomas Voglhuber–Brunnmaier, Bernhard Jakoby 對于應用光譜方法側面激勵壓電陶瓷流體傳感器的建模的研究。側面激勵 LFE 和厚度方向激勵 TFE 的壓電陶瓷傳感器在振動上是不同的,特別是在液體傳感器方面。著重描述了在光譜中薄層結構的 LFE 振動模式的模型。尤其是壓電片與液體相互作用時,利用有限元分析以及其他分析方法太過復雜??梢岳媚M設置計算頻率和電學、機械特性。做出了測量液體粘度和電導率等特性的模擬對比結果。

        為提高靈敏度,Schmit 采用變分近似法分析了 AT 切割最佳溫度系數,得到最優角度,用來測量液體的機械變化。Kanazawa 建立了電-機模型,研究出既適用于穩態情況,也適用于暫態情景的模型,分析了機械性質與頻率響應之間的關系。

        國外的研究團隊主要是針對 QCM 的結構設計以及應用進行研究,主要的研究中心有德國馬德堡大學、瑞典哥德堡大學以及由美國能源部支持的美國圣地亞國家實驗室。QCM 在生物化學領域主要的研究方向有免疫傳感器、基因傳感器、蛋白質傳感器、灰塵傳感器、流體傳感器、電化學傳感器、氣體傳感器。


        國內研究現狀

        國內對于液體測量方面也有相應的研究,對于液位測量方面,主要采用了超聲波系統檢測,對于新型的液位監測系統,主要集中在某些特定的型號上,整個監測系統的靈敏度也是很高的,可以達到規定的某些量級。在液位檢測中,主要應用到油箱液位檢測和某些大型的工業生產中,對于檢測對象的質量大部分采用的是較大質量的檢測。

        對于液體密度、粘度,以及微生物檢測、氣體液體成分檢測也有相應的研究。利用壓電元件的逆壓電效應。通過對共振頻率以及阻抗特性的變化來測量。

        我國對于液位傳感器以及諧振式壓電傳感器的研究也極為重視,很多研究所與研究院對這些方面做了詳細的研究。

        1、北京航空航天大學與中國科技研究院等研究中心對諧振式壓力傳感器進行了研究,設計出精度可達到 0.37%的傳感器。采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的原理,在微加速度傳感器方面得到了重大的突破。

        2、清華大學微電子所對諧振式微加速度傳感器進行研發,設計出了新型的結構。

        3、西安交通大學研究利用厚度剪切原理制作了一種微諧振式溫度傳感器。

        4、清華大學研究所的研究內容還有力敏微傳感器的研究。

        5、王驥等人利用 Mindlin 板理論對 AT 切型石英晶體壓電材料進行了系統的設計,計算出液體性質和石英晶體設計的關系。

        6、河海大學徐群等人主要應用矩陣鍵盤掃描的方式,設計了干簧管液位傳感器,設計出價值高,結構簡單的液位傳感器。

        7、在液位傳感器系統的檢測方面,謝紅等老師對系統進行了設計與分析,作出了根本上的實驗對比,從根本上解決了傳感器的檢測問題,提出了新型的方案。

         

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