CN109358099B - 一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法，属于气体检测领域。主要包括三根耦合的双端固支梁组成的双端固支梁耦合阵列以及一根参考梁组成，在第一根和第二根的双端固支梁中部表面沉积有对两种不同气体分别敏感的特异性薄膜，并在第三根双端固支梁以及参考梁中部表面沉积等质量的非敏感薄膜，在吸附气体前后通过检测阵列的模态改变量并求取实测局部化程度参数，定性判断气体存在情况，再定量求解出两种气体各自的浓度值。优点是结构新颖、体积小、检测灵敏度高、识别效率高、有利于微量气体的检测，可应用于重要公共场合有毒有害气体的预警。

Description

一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法

技术领域

本发明属于气体检测领域，涉及一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法。

背景技术

随着物联网(IOT)技术的不断发展，在医疗诊断、环境监测、车站安检等众多应用领域对于有毒有害气体高灵敏度检测的需求越来越迫切，传统的气体传感器大多基于测量气体的光谱或是基于气体的浓度与某种电学特性(如电阻，电压等等)的关系实现感测，但在感测的过程中存在着诸多问题，如灵敏度不够高、结构复杂、体积过于庞大等。

近年来，越来越多的科研工作者将模态局部化原理引入物质检测领域，原因是基于模态局部化原理的质量传感器或力传感器可以获得很高的检测灵敏度，传感结构可以为简单的微悬臂梁耦合阵列，能有效实现器件的微型化，减少检测成本。它与传统谐振式传感器的区别在于，利用谐振模态的改变量而不是谐振频率作为传感器的输出。2006年，普渡大学首次开启了基于模态局部化原理的超高灵敏度传感检测的先河，通过在一个2自由度耦合阵列其中一根悬臂梁尖端施加154pg微小颗粒，获得的谐振模态改变量与谐振频率改变量相比，灵敏度提高了2个数量级；2008年，该团队进一步将2自由度耦合阵列扩展为15自由度耦合阵列，将灵敏度提高了3个数量级；2009年，剑桥大学团队构建了基于静电力耦合的两自由度双端固定音叉谐振子结构，通过减小耦合刚度进一步提高了检测灵敏度，同时证明了应用模态局部化的力传感器可实现共模抑制，即避免温度、湿度等环境因素的干扰；2012年，南安普顿大学设计了基于模态局部化效应的电场耦合三自由度谐振子结构，将中间谐振子的刚度设定为两侧谐振子刚度的2倍，实验证明与谐振频率改变量相比，该传感结构可将灵敏度提高3到4个数量级。由此可见，通过将模态局部化原理引入物质检测可大大提高检测的灵敏度。

但现有的基于模态局部化效应的谐振式传感器仅用于单一质量的感测定位，由于实际生活中待测物通常不唯一，一次只检测一种物质效率较低；其次，当前模态局部化相关研究对于灵敏度的提升仅针对于检测单一物质，对于多种物质检测的灵敏度尚存在提升的空间。

发明内容

本发明提供一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法，以解决目前气体传感器存在检测效率低、感测灵敏度不高、结构复杂、检测成本高的问题，

本发明采取技术方案是：谐振式气体感测装置的结构是：双端固支梁耦合感测阵列与参考梁并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的一端分别与滑动块内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的另一端分别与固定块的一边固连，该固定块的另一边与折叠弹簧固定连接，该折叠弹簧的矩形端部内嵌于外壳的尾槽中，该固定块的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构与外壳的卡槽卡接，该滑动块的外侧与预压弹簧的内侧紧密贴合，该预压弹簧的外侧紧贴于外壳的内侧面，方形叠堆式压电致动器内嵌于该预压弹簧中间的方槽中，各压电片串联结构分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近固定块一侧的根部上方，各压电片分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近滑动块一侧的根部上方；非敏感薄膜沉积于参考梁以及双端固支梁耦合感测阵列中的第三根双端固支梁中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第二根双端固支梁方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第一根双端固支梁方形结构的上表面；热电阻丝沉积于外壳基底上的凸出块的上表面，且该热电阻丝只位于双端固支梁耦合感测阵列中的第一根双端固支梁和第二根双端固支梁的正下方。

所述双端固支梁耦合感测阵列的结构是：三根双端固支梁并排排布，其中第一根双端固支梁与第二根双端固支梁之间由耦合结构一连接，第二根双端固支梁与第三根双端固支梁之间由耦合结构二连接；

所述的参考梁的等效质量和等效刚度与双端固支梁耦合感测阵列中的每根双端固支梁相同；

所述压电片串联结构是通过分割方式获得，所述分割方式为竖直分割，水平分割，以及垂直对角线分割，将分割后的各部分压电片串联；

所述非敏感薄膜的质量、对A种气体敏感的薄膜的质量和对B种气体敏感薄膜的质量三者相同。

所述预压弹簧的结构是：两根折叠弹簧并行排布，并在结构的中心位置开一个方槽；

所述方形叠堆式压电致动器为多片压电陶瓷片粘连烧结而成，从内至外分别为绝缘陶瓷片一、压电陶瓷作动器、绝缘陶瓷片二，由绝缘胶封装。

一种基于模态局部化谐振式气体感测装置的检测方法，包括下列步骤：

(1)首先利用双端固支梁耦合感测阵列中每根固支梁根部的压电片串联结构对双端固支梁耦合感测阵列激振；

(2)然后利用示波器扫频找到双端固支梁耦合感测阵列1的第一模态和第二模态对应的谐振频率f₁和f₂；

(3)依据下列公式求解出对应的耦合刚度比k_c/k：

其中：k_c表示耦合部分的刚度，k代表单根双端固支梁的刚度；

(4)根据第一模态对应的谐振频率f₁对应的时域信号记录三根双端固支梁的输出电压值v₁₀、v₂₀、v₃₀,通过无量纲化处理，将三根双端固支梁的输出电压值v₁₀、v₂₀、v₃₀转化为吸附前模态矩阵X₁₀，其中x₁₀、x₂₀、x₃₀分别代表第一根双端固支梁，第二根双端固支梁，第三根双端固支梁的无量纲化电压值：

(5)此时导入待测气体，让待测气体与双端固支梁耦合感测阵列上的对A种气体敏感的薄膜、对B种气体敏感的薄膜充分反应；

(6)再次利用示波器扫频找到双端固支梁耦合感测阵列第一模态对应的谐振频率f₁’；

(7)再次记录吸附后双端固支梁耦合感测阵列第一模态对应的谐振频率f₁’对应的输出电压值v₁₀’、v₂₀’、v₃₀’,并通过无量纲化处理，得到吸附后的模态矩阵X₁，其中x₁、x₂、x₃分别代表第一根双端固支梁，第二根双端固支梁，第三根双端固支梁的无量纲化电压值：

(8)将吸附后与吸附前得到的模态矩阵X₁和X₁₀相减得到模态矩阵改变量ΔX：

(9)定义实测局部化程度L₁’为双端固支梁耦合感测阵列在第一模态下第一根双端固支梁的无量纲变化量x₁’与模态矩阵改变量模|ΔX|的比值，将实测局部化程度L₁’通过与理论曲线比照，求取A气体与B气体的吸附扰动量之比δ_A/δ_B，用a表示两种气体吸附扰动量比δ_A/δ_B，求出两种气体吸附扰动量之比a与实测局部化程度L₁’的关系：

进行定性判断两种气体的存在情况：若L₁’等于-0.408，则说明待测气体中只有B气体；若L₁’的数值处于-0.408到0.617之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体；若L₁’等于0.617，则说明两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同；若L₁’的数值处于0.617到0.772之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体；若L₁’等于0.772，则说明待测气体中只有A气体。

(10)定性判断气体存在情况后，针对每一种情况，可根据以下公式计算该种情况下吸附气体的扰动量：

若待测气体中只有B气体，则B气体吸附的扰动量为：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体，则首先计算出B气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

δ_A＝a×δ_B

若两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同，此时：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体，则首先计算出A气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

待测气体中只有A气体，则A气体吸附的扰动量为：

(11)由于气体的吸附扰动量与气体的浓度成线性关系，故可以通过事先标定的方式将每种情况中求解的气体吸附扰动量转换为气体浓度。

本发明的有益效果是：

1、提高检测效率：利用三根耦合梁阵列一次可检测2种气体，若将三根耦合梁阵列作为一个感测单元，进一步阵列多个感测单元，可实现多种气体的检测；

2、结构新颖：三根耦合梁阵列为平面结构，无论是宏观尺度还是微观尺度该结构的加工都较为容易；

3、检测灵敏度高：与基于谐振频率检测相比，应用模态局部化原理本身可实现灵敏度的2～3个数量级的提高；

4、针对气体浓度低的情况，提出的气体感测装置可实现检测灵敏度的两级放大：第一级通过对双端固支梁耦合感测阵列施加预紧力调节固支梁等效刚度的方式提高灵敏度，第二级通过压电片串联结构倍增输出电压的方式再次提高灵敏度；

5、降低了检测成本：可通过加热解吸附的方式重复利用敏感薄膜；

6、提高传感器的信噪比：采用隔振弹簧结构降低环境中的低频振动噪声对检测信号的干扰。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明双端固支耦合梁感测阵列的结构示意图；

图3是本发明方形叠堆式压电致动器的结构示意图；

图4是理论局部化程度L₁与两种气体吸附扰动量之比a的理论曲线图；

图5是基于模态局部化的谐振式气体感测装置的检测方法流程图；

图6为不同方式压电片串联结构的示意图，其中，(a)、(b)、(c)分别对应沿竖直分割串联方式、沿水平分割串联方式、沿垂直对角线分割串联方式；

图7为未分割(U0)、竖直分割串联(U1)、水平分割串联(U2)以及垂直对角线分割串联(U3)四种方式下的压电片串联结构输出总电压随时间变化的对比图。

具体实施方式

如图1所示，谐振式气体感测装置的结构是：双端固支梁耦合感测阵列1与参考梁2并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2的一端分别与滑动块12内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2的另一端分别与固定块5的一边固连，该固定块5的另一边与折叠弹簧7固定连接，该折叠弹簧7的矩形端部内嵌于外壳10的尾槽中，该固定块5的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构6与外壳10的卡槽卡接，该滑动块12的外侧与预压弹簧(13)的内侧紧密贴合，该预压弹簧13的外侧紧贴于外壳10的内侧面，方形叠堆式压电致动器(9)内嵌于该预压弹簧13中间的方槽中，在方形叠堆式压电致动器9发生形变过程中，滑动块12可沿外壳10的内侧底面朝固定块5的方向滑动；各压电片串联结构3分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2靠近固定块5一侧的根部上方，各压电片11分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2靠近滑动块12一侧的根部上方；非敏感薄膜(4)沉积于参考梁2以及双端固支梁耦合感测阵列1中的第三根双端固支梁103中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜(14)沉积于双端固支梁耦合感测阵列1的第二根双端固支梁102方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜(15)沉积于双端固支梁耦合感测阵列1的第一根双端固支梁101方形结构的上表面；热电阻丝8沉积于外壳10基底上的凸出块1001的上表面，且该热电阻丝8只位于双端固支梁耦合感测阵列1中的第一根双端固支梁101和第二根双端固支梁102的正下方。

如图2所示，所述双端固支梁耦合感测阵列1的结构是：三根双端固支梁并排排布，其中第一根双端固支梁101与第二根双端固支梁102之间由耦合结构一104连接，第二根双端固支梁102与第三根双端固支梁103之间由耦合结构二105连接；

所述的参考梁2的等效质量和等效刚度与双端固支梁耦合感测阵列1中的每根双端固支梁相同；

如图6所示，所述压电片串联结构3是通过分割方式获得，所述分割方式为竖直分割，水平分割，以及垂直对角线分割，被分割的数量取决于加工工艺中的分割间距dm，将分割后的各部分压电片串联，输出的总电压表征相应双端固支梁的振幅。

所述非敏感薄膜4的质量、对A种气体敏感的薄膜14的质量和对B种气体敏感薄膜15的质量三者相同。

所述预压弹簧13的结构是：两根折叠弹簧并行排布，并在结构的中心位置开一个方槽；

如图3所示，所述方形叠堆式压电致动器9为多片压电陶瓷片粘连烧结而成，从内至外分别为绝缘陶瓷片一(PZT-5H)901、压电陶瓷作动器(PZT-5H)902、绝缘陶瓷片二(PZT-5H)903，由绝缘胶封装。

所述折叠弹簧7的作用为被动隔离外界环境中的中高频振动信号，提高传感器的信噪比。

所述热电阻丝8材料可以为铜或铝。

一种基于模态局部化谐振式气体感测装置的检测方法，包括下列步骤：

(1)首先利用双端固支梁耦合感测阵列1中每根固支梁根部的压电片串联结构3对双端固支梁耦合感测阵列1激振；

(2)然后利用示波器扫频找到双端固支梁耦合感测阵列1的第一模态和第二模态对应的谐振频率f₁和f₂；

(3)依据下列公式求解出对应的耦合刚度比k_c/k：

其中：k_c表示耦合部分的刚度，k代表单根双端固支梁的刚度；

(4)根据第一模态对应的谐振频率f₁对应的时域信号记录三根双端固支梁的输出电压值v₁₀、v₂₀、v₃₀,通过无量纲化处理，将三根双端固支梁的输出电压值v₁₀、v₂₀、v₃₀转化为吸附前模态矩阵X₁₀，其中x₁₀、x₂₀、x₃₀分别代表第一根双端固支梁101，第二根双端固支梁102，第三根双端固支梁103的无量纲化电压值：

(5)此时导入待测气体，让待测气体与双端固支梁耦合感测阵列1上的对A种气体敏感的薄膜14、对B种气体敏感的薄膜15充分反应；

(6)再次利用示波器扫频找到双端固支梁耦合感测阵列1第一模态对应的谐振频率f₁’；

(7)再次记录吸附后双端固支梁耦合感测阵列1第一模态对应的谐振频率f₁’对应的输出电压值v₁₀’、v₂₀’、v₃₀’,并通过无量纲化处理，得到吸附后的模态矩阵X₁，其中x₁、x₂、x₃分别代表第一根双端固支梁101，第二根双端固支梁102，第三根双端固支梁103的无量纲化电压值：

(8)将吸附后与吸附前得到的模态矩阵X₁和X₁₀相减得到模态矩阵改变量ΔX：

(9)定义实测局部化程度L₁’为双端固支梁耦合感测阵列在第一模态下第一根双端固支梁的无量纲变化量x₁’与模态矩阵改变量模|ΔX|的比值，将实测局部化程度L₁’通过与理论曲线比照，求取A气体与B气体的吸附扰动量之比(δ_A/δ_B),用a表示两种气体吸附扰动量比δ_A/δ_B，求出两种气体吸附扰动量之比a与实测局部化程度L₁’的关系：

进行定性判断两种气体的存在情况：见图4，若L₁’等于-0.408，则说明待测气体中只有B气体；若L₁’的数值处于-0.408到0.617之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体；若L₁’等于0.617，则说明两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同；若L₁’的数值处于0.617到0.772之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体；若L₁’等于0.772，则说明待测气体中只有A气体。

(10)定性判断气体存在情况后，针对每一种情况，可根据以下公式计算该种情况下吸附气体的扰动量：

若待测气体中只有B气体，则B气体吸附的扰动量为：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体，则首先计算出B气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

δ_A＝a×δ_B

若两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同，此时：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体，则首先计算出A气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

待测气体中只有A气体，则A气体吸附的扰动量为：

(11)由于气体的吸附扰动量与气体的浓度成线性关系，故可以通过事先标定的方式将每种情况中求解的气体吸附扰动量转换为气体浓度。

下面通过介绍本发明涉及的基于模态局部化的谐振式气体感测装置检测方法的理论基础来进一步说明本发明。

双端固支梁耦合感测阵列1由三根形状、体积、质量完全一致的双端固支梁以及两个耦合结构组成，其中，三根双端固支梁的质量均为m，刚度均为k，耦合结构的质量因为远小于三根双端固支梁的质量，故忽略耦合结构的质量，定义耦合结构的刚度为k_c，在双端固支梁耦合感测阵列1振动过程中，设第一根双端固支梁101的位移为z₁，加速度为第二根双端固支梁102的位移为z₂，加速度为/>第三根双端固支梁103的位移为z₃，加速度为/>根据牛顿第二定律可以写出吸附气体前双端固支梁耦合感测阵列1的振动方程：

将矩阵无量纲化：

通过求解矩阵得到三个特征值λ_0n和归一化的特征向量u_0n分别为：

气体吸附后，相当于在整个谐振系统中引入两个质量扰动δ_A和δ_B，其中，δ_A和δ_B分别表示A气体吸附的质量m_A与第一根双端固支梁101等效质量m的比值和B气体吸附的质量m_B与第二根双端固支梁102等效质量m的比值，则此时整个谐振系统的振动方程变化为：

那么第n阶模态下的特征值λ_n和特征向量u_n可以根据摄动法求解为：

质量扰动前后的特征向量改变量Δu_n定义为：

△u_n＝u_n-u_0n (8)

将n＝1,2,3分别代入上述公式中，可以得到第一模态、第二模态以及第三模态下的特征向量改变量Δu₁,Δu₂,Δu₃分别为：

考虑到一阶谐振频率对应的第一模态的信号在实际检测过程中较为容易获得，且数值明显，故定义理论局部化程度L₁为双端固支梁耦合感测阵列1在第一模态下第1根双端固支梁的无量纲改变量x₁’与第一模态矩阵改变量的模|Δu₁|的比值，同时定义实测局部化程度L₁’为双端固支梁耦合感测阵列在第一模态下第一根双端固支梁的无量纲变化量x₁’与模态矩阵改变量模|ΔX|的比值：

用a表示两种气体吸附扰动量比δ_A/δ_B，令L₁＝L₁’，联立公式(12)和公式(13)，

可求出两种气体吸附扰动量之比a与实测局部化程度L₁’的关系：

可画出理论局部化程度L₁关于两种气体吸附质量比a的理论曲线，如图4所示，由于理论局部化程度L₁与两种气体吸附扰动量比a数值上一一对应，故可以通过将实测信号转换得到实测局部化程度L₁’，将实测局部化程度L₁’通过与理论曲线比照，求取两种气体吸附扰动量比a，作为两种气体定性判断存在情况的判定依据；

如图5所示，若L₁’等于-0.408，则说明待测气体中只有B气体；若L₁’的数值处于-0.408到0.617之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体；若L₁’等于0.617，则说明两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同；若L₁’的数值处于0.617到0.772之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体；若L₁’等于0.772，则说明待测气体中只有A气体。

定性判断气体存在情况后，针对每一种情况，可根据以下公式计算该种情况下吸附气体的扰动量，如：

若待测气体中只有B气体，则B气体吸附的扰动量为：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体，则首先计算出B气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

δ_A＝a×δ_B (17)

若两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同，此时：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体，则首先计算出A气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

待测气体中只有A气体，则A气体吸附扰动量为：

求取气体吸附的质量需要确定双端固支梁感测阵列1的耦合刚度比k_c/k，可根据下列公式求取，其中，ω_n(n＝1,2)表示第n个模态下的谐振角频率，λ_n(n＝1,2)表示第n个模态的特征值，f_n(n＝1,2)表示第n个模态对应的谐振频率：

ω＝2πf (22)

由于气体的吸附扰动量与气体的浓度成线性关系，故可以通过事先标定的方式将每种情况中求解的气体吸附质量转换为气体浓度。

定义感测的灵敏度S为实测局部化程度的模|ΔX|与质量扰动δ的比值，应用附图1中的感测装置可实现灵敏度的两级放大。

第一级放大通过对双端固支梁施加预紧力，增加双端固支梁等效刚度的方式实现，如只有B气体存在的情况，根据公式15可以推导出检测灵敏度为：

当质量扰动δ_B一定，检测灵敏度与双端固支梁的耦合刚度比k_c/k线性相关，耦合刚度k_c不变，提高双端固支梁的等效刚度k可以有效提高检测灵敏度。

应用方形叠堆式压电致动器901对双端固支梁耦合感测阵列1以及参考梁预紧，由于参考梁2两端与双端固支梁耦合阵列1受到同样大小的轴向预紧力，故可通过测量参考梁2的等效刚度k_参考求取预紧后的双端固支梁耦合阵列1中每根双端固支梁的等效刚度k’：

k'＝k_参考＝16f_参1 ²ρAL+k (27)

其中，f_参1为参考梁2的一阶谐振频率，ρ为梁结构材料密度，A为梁截面面积，L为梁的长度，k为双端固支梁预紧前的等效刚度。

第一级放大后的灵敏度改变为：

第二级放大通过应用压电片串联结构3拾振输出电压信号，应用压电片串联结构放大检测灵敏度本质是通过将一个压电片沿某一方向等宽均分成h份，每一份压电片相当于一个电容，将分割后各部分压电片串联输出总电压。第二级放大后的灵敏度变为：

S₂＝hS₁ (29)

如附图6所示，压电片串联结构可以有三种方式，分别为沿竖直方向、水平方向、垂直对角线方向分割再串联。

竖直均等分割条件下输出总电压的大小等于每部分压电片输出的电压叠加，若未分割的压电片输出为V_p，单张压电片的面积P_i和未分割的压电片面积P_总存在关系：

单张压电片的电容C_i大小为：

其中，ε是相对电介质常数，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。

竖直分割串联结构的总电压V_总与未分割压电片电压的关系为：

其中，Q_i表示分割后每部分压电片的电荷量。

若按水平方向把一片压电片均分h’份，同理，可以推导出水平分割的压电片串联结构输出电压与未分割压电片电压的关系为：

V_总＝h'V_p (33)

若按垂直对角线方向把一片压电片均分h”份，由于压电片沿悬臂梁的中心对称排布，因此分割后每部分压电片的面积P_i存在关系：

P_i＝P_h”-i+1 (34)

单片压电片的电容C_i也存在关系：

C_i＝C_h”-i+1 (35)

串联后的总电压V_总为：

其中，D_p为整个压电片中心点的电荷密度。

未分割的压电片输出电压为：

垂直对角线分割串联后的总电压V_总与未分割压电片电压V_p的关系为：

V_总＝h”V_p (38)

由此可见，均等分割的条件下，无论分割方向为何，得到的输出电压都与分割的片数成正比。因此在实际生产过程中，为实现输出电压最大化，应该将压电片分割成尽量多的部分，但是压电片不可能被无限细分，因此应规定一个最小的分割间距dm，在这种情况下，压电结构的输出电压大小就与垂直于分割方向上的压电片长度有关，由于沿长方形对角线方向的距离为最大距离，大于长度和宽度，因此沿垂直对角线方向分割再串联的方式可获得最高的输出电压，如图12所示，未分割输出电压约为20V，沿竖直方向、水平方向、垂直对角线方向分割后串联输出的总电压分别为60V、80V以及100V，分别倍增了3、4和5倍。

Claims (8)

1.一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：双端固支梁耦合感测阵列与参考梁并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的一端分别与滑动块内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的另一端分别与固定块的一边固连，该固定块的另一边与折叠弹簧固定连接，该折叠弹簧的矩形端部内嵌于外壳的尾槽中，该固定块的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构与外壳的卡槽卡接，该滑动块的外侧与预压弹簧的内侧紧密贴合，该预压弹簧的外侧紧贴于外壳的内侧面，方形叠堆式压电致动器内嵌于该预压弹簧中间的方槽中，各压电片串联结构分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近固定块一侧的根部上方，各压电片分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近滑动块一侧的根部上方；非敏感薄膜沉积于参考梁以及双端固支梁耦合感测阵列中的第三根双端固支梁中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第二根双端固支梁方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第一根双端固支梁方形结构的上表面；热电阻丝沉积于外壳基底上的凸出块的上表面，且该热电阻丝只位于双端固支梁耦合感测阵列中的第一根双端固支梁和第二根双端固支梁的正下方。

2.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述双端固支梁耦合感测阵列的结构是：三根双端固支梁并排排布，其中第一根双端固支梁与第二根双端固支梁之间由耦合结构一连接，第二根双端固支梁与第三根双端固支梁之间由耦合结构二连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述的参考梁的等效质量和等效刚度与双端固支梁耦合感测阵列中的每根双端固支梁相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述压电片串联结构是通过分割方式获得，所述分割方式为竖直分割，水平分割，以及垂直对角线分割，将分割后的各部分压电片串联。

5.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述非敏感薄膜的质量、对A种气体敏感的薄膜的质量和对B种气体敏感薄膜的质量三者相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述预压弹簧的结构是：两根折叠弹簧并行排布，并在结构的中心位置开一个方槽。

7.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述方形叠堆式压电致动器为多片压电陶瓷片粘连烧结而成，从内至外分别为绝缘陶瓷片一、压电陶瓷作动器、绝缘陶瓷片二，由绝缘胶封装。

8.采用如权利要求1～7任一项所述的基于模态局部化的谐振式气体感测装置的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)首先利用双端固支梁耦合感测阵列中每根固支梁根部的压电片串联结构对双端固支梁耦合感测阵列激振；

(2)然后利用示波器扫频找到双端固支梁耦合感测阵列(1)的第一模态和第二模态对应的谐振频率f₁和f₂；

(3)依据下列公式求解出对应的耦合刚度比k_c/k：

其中：k_c表示耦合部分的刚度，k代表单根双端固支梁的刚度；

(4)根据第一模态对应的谐振频率f₁对应的时域信号记录三根双端固支梁的输出电压值v₁₀、v₂₀、v₃₀,通过无量纲化处理，将三根双端固支梁的输出电压值v₁₀、v₂₀、v₃₀转化为吸附前模态矩阵X₁₀，其中x₁₀、x₂₀、x₃₀分别代表第一根双端固支梁，第二根双端固支梁，第三根双端固支梁的无量纲化电压值：

(5)此时导入待测气体，让待测气体与双端固支梁耦合感测阵列上的对A种气体敏感的薄膜、对B种气体敏感的薄膜充分反应；

(6)再次利用示波器扫频找到双端固支梁耦合感测阵列第一模态对应的谐振频率f₁’；

(7)再次记录吸附后双端固支梁耦合感测阵列第一模态对应的谐振频率f₁’对应的输出电压值v₁₀’、v₂₀’、v₃₀’,并通过无量纲化处理，得到吸附后的模态矩阵X₁，其中x₁、x₂、x₃分别代表第一根双端固支梁，第二根双端固支梁，第三根双端固支梁的无量纲化电压值：

(8)将吸附后与吸附前得到的模态矩阵X₁和X₁₀相减得到模态矩阵改变量ΔX：

(9)定义实测局部化程度L₁’为双端固支梁耦合感测阵列在第一模态下第一根双端固支梁的无量纲变化量x₁’与模态矩阵改变量模|ΔX|的比值，将实测局部化程度L₁’通过与理论曲线比照，求取A气体与B气体的吸附扰动量之比δ_A/δ_B，用a表示两种气体吸附扰动量比δ_A/δ_B，求出两种气体吸附扰动量之比a与实测局部化程度L₁’的关系：

进行定性判断两种气体的存在情况：若L₁’等于-0.408，则说明待测气体中只有B气体；若L₁’的数值处于-0.408到0.617之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体；若L₁’等于0.617，则说明两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同；若L₁’的数值处于0.617到0.772之间，则说明两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体；若L₁’等于0.772，则说明待测气体中只有A气体；

(10)定性判断气体存在情况后，针对每一种情况，可根据以下公式计算该种情况下吸附气体的扰动量：

若待测气体中只有B气体，则B气体吸附的扰动量为：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量小于B气体，则首先计算出B气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

δ_A＝a×δ_B

若两种气体同时存在，且此时两种气体吸附的扰动量相同，此时：

若两种气体同时存在，且此时A气体吸附的扰动量大于B气体，则首先计算出A气体的吸附扰动量，依据公式：

再计算A气体的吸附扰动量，依据公式：

待测气体中只有A气体，则A气体吸附的扰动量为：

(11)由于气体的吸附扰动量与气体的浓度成线性关系，故可以通过事先标定的方式将每种情况中求解的气体吸附扰动量转换为气体浓度。