梯形变截面悬臂梁式质量传感器设计与分析

摘要

谐振式微质量传感器的灵敏度取决于弹性元件的几何尺寸和结构形式。单纯依靠结构尺寸微型化方法已难以满足传感器工程实用性的要求,因而需要探索新的改善传感器性能的方法。在保证传感器外形尺寸不变的基础上,提出通过改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型)来进一步提升传感器灵敏度的新方法,建立了基于槽型变截面弹性梁的传感器灵敏度分析模型,分析了影响传感器灵敏度的关键设计因素,得到了结构设计参数、自振频率及灵敏度之间的关系表达式。仿真结果表明,在相同外形尺寸参数下,矩形截面悬臂梁传感器的自振频率和质量检测灵敏度为1 254.2 Hz和9.8×103Hz/g,槽型变截面悬臂梁传感器的自振频率和灵敏度为1 776.1 Hz和38.0×103Hz/g。相对于矩形截面梁传感器,灵敏度提高了287.8%,从而验证了提出的灵敏度提升方法的有效性和可行性。