Topology optimization design of micro-mass sensors for maximizing detection sensitivity

Micro-mass sensors have attracted increasing attention in the field of biomolecular and chemical detec- tion. It has been found that the size, shape, and geometry of the structure may affect the performance of the sensor. As a result, a topology optimization methodology is proposed in this paper for the design of micro-mass sensors. A phase- field function controlled by nodal variables and finite element shape functions is used to describe the configuration of a sen- sor in the constructed optimization problem. The design goal is to maximize the mass detection sensitivity. On the basis of these formulations, an optimization algorithm is constructed using the finite element method and the method of moving asymptotes. Numerical examples are presented to demon- strate the validity of the proposed problem formulation. The results suggest that the performance of the micro-mass sensor can be improved by using the proposed approach.

Analytical Solution of Vibration Analysis on Fixed-Free Single-Walled Carbon Nanotube-Based Mass Sensor

Fixed-free single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have attracted a lot of interest in recent years due to their suitability for a wide range of applications, such as field emission and vacuum microelectronic devices, nanosensors, and nanoactuators. Based on a cantilever beam-bending model with a rigid mass at the free end and mode analysis, an analytical solution is developed in the present study to deal with the resonant frequency and mode shapes of a SWCNT- based mass sensor. The resonant frequency shift and mode shape of the fixed-free SWCNTs caused by the addition of a nanoscale particle to the beam tip are examined in order to explore the suitability of SWCNTs as a mass detector device. The simulation results reveal that the volume of the added particle has little effect on the first resonant frequency. In contrast, the second resonant frequency decreases with increasing the volume of the added particle. Furthermore, the resonant frequency shift of the first mode is very obvious for the amount of added mass, and the second resonant frequency decreases rapidly with increasing volume of added particle. Therefore, the first and second resonant frequencies can be used in the measurement of the mass of added particle and its volume, respectively.

Design and Fabrication of a Bio-inspired Acceleration Sensor Using Liquid Mass Blocks

A linear acceleration sensor,which is inspired by the human balance organ,is designed and prepared. It uses a liquid mass-block and a symmetrical-electrodes metal-core polyvinylidene fluoride fiber(SMPF)as the sensor element. The output signal of the sensor has an exponential relationship with the excitation amplitude of the impacting vibration. It is capable of detecting the amplitude and the correct frequency for sinusoidal excitations using an exponential correlation. The experiments indicate that both the output signal of the sensor and the resonance frequency increase substantially with increasing diameter of the metal core. The first-order resonance frequencies of the sensors with 40,60,and 80 μm diameter metal wires are below 10 Hz,which is near the range of human body motion frequencies.

Design of fan beam optical sensor and its application in mass flow rate measurement of pneumatically conveyed solids

The fan-beam optical sensor is made up of many semiconductor lasers and detectors fixed around the wall alternately at a cross section of pneumatically conveying pipe. When the sensor works, a scanning light source emits a 50° lamellar fan-beam through the gas-solid two phase flow, and the projection data resulting extinction effect of solid particles are detected at the same time. With the projection data, the flow rate mass can be calculated, and then the flow image can be reconstructed. In this paper, the design of the sensor including spatial arrangement of the structural parts, basic principle and measurement sensitivity distribution are introduced. The mathematical measurement model of solid mass flow rate is presented together with the testing results.

基于自适应陷波与重复控制的主动磁悬浮轴承系统谐波振动抑制

由转子质量不平衡和传感器跳动引起的谐波振动是磁悬浮转子系统中的主要扰动。为了抑制这些干扰,提出了一种基于重复控制和可变相位自适应陷波反馈的谐波振动抑制的复合控制方法。首先通过建立磁悬浮转子系统模型,分析了不同干扰振动力的产生机理。然后,设计了插入式重复控制器,抑制传感器跳动引起的谐波振动,利用自适应陷波滤波器在线提取同频信号自适应补偿不平衡,通过改变不同频率下的相位角来保持系统的稳定性,并对同频位移刚度进行补偿,使系统在较宽的速度范围内自抑制谐波振动。最后,通过仿真和实验对提出的控制方法进行了验证。实验结果表明,一次、三次和五次谐波振动分别减少94.4%,90.4%和85.9%,采用所提出的复合控制方法可以有效抑制谐波振动。验证了所提控制方法的有效性。

基于CBAM-CNN和压电悬臂梁的温度解耦质量感知方法

悬臂梁结构广泛用于微小质量测量,而温度变化会引起测量结果漂移。传统测量方法需要在温度稳定的环境中进行,但实际应用中通常难以满足此要求,且温度漂移对测量的影响难以直接解耦。本文提出了一种基于数据驱动,CBAM-CNN和压电悬臂梁的自适应温度解耦质量感知方法。首先,搭建谐振式压电悬臂梁温控测量平台采集不同质量负载下的阻抗响应信号,设计自适应加权预处理方法以增强结构特征并突出有限样本中的关键信息;其次,设计基于混合领域注意力机制的CBAM-CNN网络来评估信号中多个谐振峰的相对关系,实现温度解耦和质量感知。实验结果表明,该方法在25℃至55℃的温度范围内的对0.1~1 g的质量感知准确率高达99.70%,无需进行温度补偿即可实现大跨度温度下的精确质量感知。

惯性传感器测试质量质心测量装置及方法研究

惯性传感器是空间引力波探测的核心载荷,惯性传感器内的测试质量是惯性和测量基准。测试质量质心、形心偏移会产生杂散力噪声,空间引力波探测对测试质量质心、形心偏移的技术指标要求小于3.75μm。由于需要获得测试质量精确的质心位置,并且商用质心测量装置无法满足测试质量质心测量精度需求,因此设计了一种基于五线摆的新型质心测量装置,根据测得的五线摆自由振动频率得到测试质量质心位置。实验结果表明,质心测量精度优于±1μm,满足空间引力波探测惯性传感器测试质量质心测量的精度需求。

基于正弦法的力传感器动态灵敏度校准的研究

为了校准预紧的压电式力传感器动态灵敏度并研究其频响特性和预紧结构的设计,首先介绍了正弦力激励的方法并建立校准数学模型;分别在传感器正立和倒立安装方式下进行测试;通过对比试验研究传感器端部等效质量引入的惯性力对传感器动态灵敏度的影响;然后将传感器和附加质量块安装于振动系统;通过白噪声激励得到系统安装谐振频率,研究传感器有效频率范围和测量精度与安装谐振频率的关系;通过理论分析,研究传感器两端等效质量不同,预紧结构非对称设计原因;最后对力传感器灵敏度进行不确定度评定分析;试验结果表明,当附加质量块质量约为传感器质量的120倍时,可忽略端部等效质量对灵敏度标定的影响;压电式力传感器固有频率高达46 kHz,但其有效使用频率范围受安装谐振频率限制,当试验频率与安装谐振频率比f/f0≤0.1时,压电式传感器精度等级为1%;动态测试时将传感器端部等效质量轻的一端连接被测物体。

马铃薯农药残留检测技术研究进展

马铃薯作为我国第四大粮食作物,食用安全性备受关注,了解马铃薯中农药残留水平,评价其中存在的安全风险十分重要。本文综述了检测马铃薯农药残留的色谱-质谱技术、酶联免疫吸附技术、传感器技术的研究进展,展望了未来马铃薯农药残留的检测方法。

基于科氏质量流量计的微米级煤尘和岩尘颗粒分类方法

【目的】岩尘的粒径比煤尘的小得多,更容易被吸入到肺中,危害较大。为了解决煤尘和岩尘混合颗粒的分类问题,提出一种微米级煤尘和岩尘混合颗粒的测量方法。【方法】首先采用环形静电传感器进行前端流体流量的测定,根据科氏质量流量计的测量原理,研究测量管两侧的时间差和流体的质量流量的关系;其次采用ANSYS有限元软件进行双向流固耦合,验证对煤尘和岩尘混合颗粒进行分类的可行性;最后对测量管进行静力学分析以及数值模拟分析,实现科氏质量流量计对微米级煤尘和岩尘混合颗粒的分类判别。【结果】在科氏质量流量计的同一个测量管道入口处,颗粒的流入速度与测量时间差正相关;谐振式U型管的激振频率应为二阶振型对应的固有频率113.11 Hz;当煤尘和岩尘颗粒混合粒径不同时,静力学参数和时间差随着煤尘的体积分数的增大而减小,并且全岩尘和全煤尘的时间差明显与混合颗粒的不同;当煤尘和岩尘混合颗粒粒径相同时,时间差随着煤尘的体积流量增大而增大,关系曲线的陡度也随着增大。当煤尘体积分数<50%时,煤尘和岩尘的混合颗粒的粒径越大时间差越大;当煤尘体积分数≥50%时,煤尘和岩尘的混合颗粒的粒径越大时间差越小。【结论】煤尘颗粒和岩尘颗粒具有鲜明且不同的分类判别特征,微米级煤尘和岩尘混合颗粒分类具有可行性,可实现科氏质量流量计对煤尘和岩尘混合颗粒的实时在线精确分类。

Micromotion质量流量计在成品油输送中的应用探讨

科里奥利质量流量计(下面简称质量流量计)作为一种用于精确测量流体质量流量的仪器,它可以直接测量流体的质量流量,不受温度、压力、密度等参数的影响,具有较高的测量精度和稳定性。在成品油计量中,质量流量计得到了广泛的应用,可以准确地测量成品油的质量流量,为贸易结算提供可靠的依据。本文介绍了Micromotion质量流量计的工作原理和特点,及其在成品油计量中的应用,并对原有的计量方式进行经济、可靠的改进。

高压天然气质量流量计的测量管选型及校核方法

测量管是科里奥利质量流量传感器的核心部件,其选型和校核对于流量计的准确性和稳定性至关重要。主要探讨了高压天然气质量流量计的测量管选型及校核方法。确定了测量管管型,包括单管型、双管型和连续管型,并比较了它们的优缺点。依据流量计的流体流量、压降等因素,进行了测量管规格的选型。分析了测量管选型过程中应考虑的其他因素,如气体的流速和典型流速范围等。研究结果为高压天然气质量流量计的测量管选型提供了依据,有助于提高流量计的准确性和稳定性。

基于轮胎径向压力动态特征实现整车质量估计

为了估计整车质量,将MEMS传感器嵌入轮胎内部,以此获取轮胎的径向加速度、轮胎压力及温度等状态信息,再结合车速信息构建轮胎载荷与接地印痕长度的算法模型。基于轮胎径向压力动态特征估算接地印痕长度,利用已构建的数学模型对轮胎垂向载荷进行估计,进而得到整车质量。经多工况下的实车测试验证,整车质量估计误差均小于4%。结果表明:文中方法对整车质量的估计具有较好的精度。

正弦法的压电式力传感器动态特性的研究

采用基于正弦激励的方法校准压电式力传感器,首先通过试验研究了传感器端部等效质量引入的惯性力对灵敏度标定的影响,进而建立传感器受力数学模型,推导计算传感器端部等效质量,考虑端部质量的影响后,实现了灵敏度数值的稳定和统一性。最后把传感器和质量块同时安装在振动台上,通过白噪声激励,确定系统的频响特性,分析了传感器有效使用频率的范围随其安装谐振频率的变化,及压电式力传感器精度等级受系统固有频率的影响程度。

含水率对静电耦合电容传感器颗粒浓度测量的影响

针对颗粒含水率变化影响颗粒浓度测量的问题,在重力输送实验装置上,利用圆环状静电耦合电容传感器获得了不同含水率下的颗粒质量浓度和电容信号,定量评价了含水率变化对颗粒浓度测量的影响,进而提出了基于含水率的颗粒质量浓度测量修正方法,并对其进行了验证与评价。结果表明:若使用干颗粒条件下标定的质量浓度和电容信号之间的关系进行浓度计算,3%、6%、9%和12%四种含水率引起的颗粒质量浓度测量相对偏差分别可达16.23%、35.99%、58.86%和86.07%,测量结果将会明显偏高;提出的基于含水率对颗粒质量浓度-电容信号之间的标定系数进行修正后,在7%和15%含水率下颗粒质量流量测量平均偏差分别从修正前的46.7%和99.7%降低至修正后的0.44%和-3.61%,证明所提修正方法可显著降低颗粒质量浓度和流量测量偏差。

不同热源分布对热式气体质量流量计毛细管温差分布的影响

该文根据热式气体质量流量计的工作原理,通过建立传热方程,对流量计毛细管不同热源模型条件下的流量与温度分布变化开展仿真研究。基于单热源、双热源与四热源加热方式,对热式气体质量流量计的传感器布置方式进行设计与仿真,得到了不同布置方式带来的温差分布影响,分析了影响热式气体质量流量计的主要因素及变化规律。

食品卫生检测技术与方法的研究与应用分析

本文系统探讨了传统和现代检测技术在食品检测中的应用。特别关注了分子生物学方法、传感器技术、质谱和光谱技术等先进方法在确保食品安全性方面的作用。深入分析了针对微生物、农药残留、食品添加剂以及重金属等特定食品安全挑战所采用的检测技术,强调了技术创新和跨学科合作在保障食品安全中的重要意义。

基于Wi-Fi与MQTT的光散射粉尘传感器网络节点研究

传统粉尘传感器测量区域小,通常以有线形式采集和传输粉尘质量浓度数据,在安装成本和多传感器数据采集上存在较大的局限性。以无线通信方式对生产场所进行粉尘质量浓度监测是一种较简便的方案。以ESP12为无线通信模块和微控制器,设计了一种基于Mie光散射理论的粉尘传感器;使用4G-DTU模块实现传感器网络与云服务器之间的MQTT通信,完成大面积区域的粉尘质量浓度信息收集。实验结果表明:所设计的粉尘传感器网络节点具有通信便捷、可靠性高的优点,在粉尘质量浓度50~800 μg/m^(3)范围内的测量误差约为8%,对大面积生产场所的粉尘质量浓度监测具有较高的应用价值。

全氟和多氟烷基化合物的检测技术研究进展

全氟烷基和多氟烷基化合物是一类高度氟化的脂肪族有机化合物并且其化学性质非常稳定,这些有机化合物对人和动物存在毒性。目前较为成熟的全氟烷基和多氟烷基化合物的分析技术有液相色谱-质谱法和气相色谱-质谱法,而基于传感器法的检测技术则具有较大潜力。简单介绍几种关于全氟烷基和多氟烷基化合物检测技术的发展情况。