课题基金 / 基金详情

基于多稳态分岔控制的环境监测微质量传感器设计方法研究

批准号:
51575088
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
赵剑
依托单位:
学科分类:
机械测试理论与技术
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄毓、李锐、陈广义、尹鹏和、刘蓬勃、李明丽、冯泇铖、张淑敏、郭俊飞

项目摘要

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项目成果

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中文摘要
分岔不可控是制约参激非线性微质量传感器工程应用的瓶颈问题。以环境污染和危险品泄漏监测为应用背景,本项目提出基于多稳态结构势阱可设计性和压电控制参数协调的分岔路径控制方法,建立满足环境监测需求的新型微质量传感器设计理论与测试方法,具体包括:1) 建立集线性与非线性力学性能于一体的功能化多稳态结构创新构型设计方法,建立具有跳跃阈值递增且可调特性的多稳态结构设计方法;2) 建立考虑质量吸附膜(形状、位置)、压电材料布置和激励载荷形式(偏置电压、驱动电压幅值与频率)影响的多稳态传感器动力学设计理论与方法,研究多稳态特征参数、压电控制参数及阻尼对跳跃边界的影响关系;3) 建立压电驱动非线性参激振动的机电耦合分析模型,研究分岔拓扑结构与系统物理参数之间的对应关系,建立基于多稳态特征与压电控制参数协同微调方法的分岔路径控制方法;4) 研究稳定而高效的传感器测试方式与激励控制策略,研制新型传感器样件。
英文摘要
Uncontrollable bifurcation is the bottleneck problem for the engineering application of nonlinear parametric resonance mass sensors. The project aims to propose and establish an effective control method for guiding the bifurcation pathway through integrately modifying the multistable structure parameters and piezoelectric parameters, thus establishing the design methods and measuring strategies for multistable bifurcation based micro mass senors applicable to monitor the environment pollution and the hazardous article leakage in real time, which includes: 1) design of the multistable structures integrating the linear and nonlinear mechanical properties to fulfill the application requirements of the real time enviroment monitoring, and also propose effective design method for the multistable structures with incremental jamping thresholds which are adjustable through modifying mechanical structures. 2) establish nonlinear parametric resonance model considering the influences from the sbsorption film, piezoelectric driving materials, and external excitations, and study the influences of the key structural parameters, piezoelectric control parameters and system damping on the jamping boundaries; 3) establish the electromechanical coupling model for the parameteric vibration of piezoelectric driven nonlinear structures, and propose the bifurcation control method through the micro-modulation of the multistable structures and piezoelectric control parameters; 4) analyze the affecting factors from the multistabilities to the sensor’s sensitivity and resolution, and give the stable and efficient measuring methods and control strategies of the external excitation. Finally, the new sensor was designed and fabricated for completing and validating the proposed design methodology.
本项目建立了基于多稳态分岔的环境监测微质量传感器系统设计理论与方法,研制了一系列新型MEMS微质量传感器,可用于恶劣环境下污染物的在线测量,构建了强非线性系统用于微质量探测的新理论和新方法,具体包括:1) 集线性与非线性结构于一体的敏感结构创新设计方法;2) 基于压电参数的非线性传感器分岔动态特征调制方法,实现了分岔跳跃边界的有序控制;3) 基于压电与结构协同的灵敏度提升方法—阻抗法;4) 阻尼环境下非线性微传感器测量方法和控制策略。这些方法突破了谐振式微质量传感器敏感机制存在的测量缺陷,避免了扫频测量方法耗时的问题,同时有效抑制恶略环境噪声和干扰,实现高精度、高可靠性的室外环境在线测量,对于构建环境异常监测与预报体系具有重要的意义。成果包括:中国电子学会自然科学二等奖1项,获ASME IDETC CIE 2018 最佳论文奖1篇,ICMT2016最佳报告奖1 次,IDETC/CIE Nonlinear Dynamics最佳会议组织奖1 次;在本领域重要学术期刊发表论文 19 篇,SCI检索 12 篇,EI检索19 篇,包括ASME Transaction Journal of Applied Mechanics, Journal of Applied Physics, Int. J. Nonlin. Mech., Sensors and Actuators A, IEEE Sensors Journal, 机械工程学报、光学精密工程等期刊,申请国家发明专利12项,授权发明专利9项,参加本领域学术交流20次,大会邀请报告1次,论坛主题报告3次,与法国科学中心应用力学研究所专家联合获批国家外专局项目1项,高质量完成了本项目即定研究任务。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Piezoelectric circuitry tailoring for resonant mass sensors providing ultra-high impedance sensitivity
专为谐振质量传感器定制的压电电路,提供超高阻抗灵敏度
DOI: 10.1016/j.sna.2018.11.032
发表时间: 2019
期刊: Sensors and Actuators A: Physical
影响因子: --
作者: [Zhao Jian, Wen Xin, Huang Yu, Liu Pengbo]
通讯作者: Liu Pengbo
DOI: 10.1016/j.sna.2017.12.019
发表时间: 2018
期刊: Sensors and Actuators A: Physical (IF=2.499)
影响因子:
作者: [Renjing Gao, Mingli Li, Qi Wang, Jian Zhao, Shutian Liu]
通讯作者: Shutian Liu
Method to Further Improve Sensitivity for High-Order Vibration Mode Mass Sensors With Stepped Cantilevers
进一步提高阶梯悬臂高阶振动模式质量传感器灵敏度的方法
DOI: 10.1109/jsen.2017.2712629
发表时间: 2017-07
期刊: IEEE Sensors Journal
影响因子: 4.3
作者: [Gao Renjing, Huang Yu, Wen Xin, Zhao Jian, Liu Shutian]
通讯作者: Liu Shutian
DOI: --
发表时间: 2020
期刊: International Journal of Non-Linear Mechanics
影响因子:
作者: [Ming Lyu, Jian Zhao, Najib Kacem, Pengbo Liu, Bin Tang, Zhuang Xiong, Hongxi Wang, Yu Huang]
通讯作者: Yu Huang
共 18 条
    基于拓扑超材料的多物理量共形敏感技术
    • 批准号:
      52575612
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      50.00万元
    • 批准年份:
      2025
    • 负责人:
      赵剑
    • 依托单位:
    基于非线性变刚度智能结构的可调低频振动传感器设计
    • 批准号:
      61874019
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      16.0万元
    • 批准年份:
      2018
    • 负责人:
      赵剑
    • 依托单位:
    可用于多阈值碰撞传感器的多稳态机构研究
    • 批准号:
      51105059
    • 项目类别:
      青年科学基金项目
    • 资助金额:
      26.0万元
    • 批准年份:
      2011
    • 负责人:
      赵剑
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金