长春理工大学第五届挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书

1、附件1：长春理工大学第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称： 一种基于双压电耦合技术的传感器设计及其制备 学院全称： 生命科学技术学院 申报者代表姓名： 李晓 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文哲学 经济 社会 法律 教育 管理科技发明制作A类科技发明制作B类说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3表内项目填写时

2、一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以四号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。5确定参赛作品类别后除需要填写表格外其余表格自行删除。 A2申报者情况（集体项目）说明：1.必须由申报者本人按要求填写。 2.申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列。 3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名李晓性别男出生年月1996.11学院生命科学技术学院系别、专业、年级生物医学工程，1508112学历本科学制

3、四年入学时间2015.9作品名称一种基于双压电耦合技术的传感器设计及其制备联系方-mail1282095819其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位张莉女18本科长春理工大学生命科学技术学院冯兴家男19本科长春理工大学生命科学技术学院王春伟男19本科长春理工大学生命科学技术学院 刘佳美女 19本科长春理工大学生命科学技术学院 资格认定学院学籍管理部门意见以上作者是否为2014年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的专科生、本科生、硕士研究生。是否 （部门签章）年 月 日院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。是否负责人签名：年 月

4、日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写； 2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称一种基于双压电耦合技术的传感器设计及其制备 作品分类（A）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化

5、工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标一、作品设计、发明的目的 (1)双压电耦合式传感技术与弱目标的稳定、准确输出和抗干扰能力强的双压电耦合式传感测试技术；(2)通过分析压电材料的耦合特性，通过压电陶瓷制作工艺的合理选择、关键零部件的优化处理，解决传统压电传感器抗干扰能力低的难题；(3)分析双压电耦合式传感器的工作特性，提出了基于压电信号测试的精度修正方法，以解决双压电耦合式传感器应用于复杂多变的测试环境等难题。二、作品的基本思路1、双压电耦合式传感器设计的总体方案：本项目所研制的双压电耦合式传感器是结合传统压电传感技术和信号测试分析技术特点，通过压电

6、陶瓷的正压电效应与逆压电效应相结合的方式，以实现对被测物理量的测试，双压电耦合式传感器设计方案由图1给出。该传感器包括：1微型探针、2压电石英晶体紧固上压盖、3输出单元、4机械振动传导柱、5压电石英晶体紧固支撑座、6反馈单元、7压电石英晶体紧固下压盖、8安装支撑定位压盖、9弹性构件、10安装支撑定位底座，其结构示意图如图1所示。其中微型探针是由绝缘树脂材料制成，与置于下方的压电陶瓷表面进行胶粘，探针直接触液用于检测；压电陶瓷晶体紧固结构由上压盖、支撑座及下压盖形成紧固的方式接合而构成，压电陶瓷晶体紧固结构材料均采用绝缘树脂材料；将两个压电陶瓷晶体置于压电陶瓷晶体紧固结构内，二者与机械振动传导柱

7、进行胶接，引线焊接于压电陶瓷晶体表面引脚上；机械振动传导柱是用来在两个压电陶瓷晶体之间传递机械振动，机械振动传导柱材料采用绝缘树脂材料；弹性构件连接到所述安装支撑定位构件与压电陶瓷晶体紧固结构之间，有效的较少外界振动对传感器精度的影响，该传感器的工程图如图2所示。本项目利用压电陶瓷晶体的压电效应，把被测物理量直接转化为电信号输出，同时考虑到压电陶瓷晶体频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，灵敏度高、分辨率高等特点，设计了一种基于双压电耦合技术的传感器，并且本传感器具有自动测量程度高、长距离输出、精度高、可靠性好、便于携带及低成本等特点，该传感器实物图如图3所示。图1 双压电耦合式传感器设计方案

8、 图2 双压电耦合式传感器的工程图 图3 双压电耦合式传感器的的实物图2、双压电耦合式传感器测试系统的总体方案：本项目所设计的双压电耦合式传感器测试系统总体方案如图4所示。该测试系统包括计算机控制系统、数字示波器、函数信号发生器及自行研制的双压电耦合式传感器，其工作原理为由计算机控制系统与函数信号发生器共同将带有激励源的信号施加在双压电耦合式传感器上，使其正常工作，利用示波器检测传感器的反馈信号，并将数据导入至计算机控制系统，经软件对数据进行模拟仿真，最终实现测试结果的修正，搭建原理系统如图5所示。图4双压电耦合式传感器研制的总体方案图5 检测系统总体方案的实物图三、作品的创新点1、解决被测系

9、统微弱目标的稳定、准确输出问题；2、填补国内、外双压电耦合技术空白；3、研制的传感器具有自动测量程度高、长距离输出、精度高、可靠性好、便于携带及低成本等特点。四、技术关键1、双压电耦合的传感技术；2、对传感器基于ANSYS的热结构耦合动力学分析技术；3、通过改变陶瓷片的组合提高传感器的灵敏度。五、主要技术指标1、频率准确度: ±100Hz；2、温度稳定度:室温±1；3、重复测量的精度: ±0.5。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）一、作品的科学性先进性从查阅的资料看出，目前

10、国内外对压电传感技术的应用已经比较成熟，发展较为迅速，应用可靠性也较高，但相对于其相关应用领域的深入研究，已有的压电传感器就显现出了一些技术缺陷，尤其在实现较弱目标的稳定、准确输出时仍存在较大的技术难题，其关键问题在于，对实际应用的压电传感器抗干扰能力要求很高，但用于被测系统自身的抗干扰能力与压电材料的制作技术和手段却相对落后，即压电传感器自身的一些性质不能得到保证，因此可以看出，压电传感器自身的设计及压电材料制备技术很大程度的约束了其自身的进一步发展，对本项目开展的双压电耦合式传感技术研究势必成为此领域相关技术研究与应用的一个重要课题。二、参考文献资料如下：1、潘玉安，曹荣祥，曹良足，范跃农

11、，胡鸿豪；压电陶瓷传感器灵敏度的研究；压电与声光期刊；2005（04）。2、 吉德三；压电陶瓷金属双迭片弯曲型压电传感器谐振频率研究；华中科技大学；2005（04）。3、 吴拥真；微型压电陶瓷传感器拾取声学信号的实验研究；复旦大学；2009（04）。4、 梁丽娉；压电陶瓷传感器力学模型理论与试验研究；沈阳建筑大学；2010（12）。5、 王泽伟；防水式压电陶瓷传感器的设计与应用；压电与声光期刊；2012（03）。6、 杜菲，马天兵；基于无线技术的压电陶瓷传感器状态监测研究；化工自动化及仪表期刊；2014（01）。7、 余晓，周新志，代前国；基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器建模分析；仪表技术与传

12、感器期刊；2016（01）。8、 邹定华，马保国，苏晓萍；基于压电陶瓷的交通传感器的输出特性研究；武汉理工大学学报；2011（02）。9、 高栋，姚英学，袁哲俊；压电陶瓷传感器二维微量进给机构的试验研究；组合机床与自动化加工技术；2001（01）。10、 阎石，梁丽娉，王秋婧，蒙彦宇，赵乃志；埋入式压电陶瓷传感器力学模型及试验验证；沈阳建筑大学学报(自然科学版)；2012（01）。11、 李旭；基于压电陶瓷传感器宽频响应的结构损伤识别；大连理工大学；2015（12）。12、 门秀花，李舜酩；压电传感器稳定性的仿真分析；传感器与微系统；2016（10）。13、 陈伟民，管德，诸德超，李敏；压电陶

13、瓷晶片受迫振动分析及应用；北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系；2001（02）。14、 赵寿根，程伟；压电陶瓷材料电学性能参数测量研究；压电与声光；2005（04）。15、 刘相果，程晋明，祁双喜，曾祥明，刘光聪；基于压电陶瓷的平面阵列式压力传感器研究；压电与声光；2009（06）。16、 陈剑，杜慧玲，史翔；基于无铅压电陶瓷谐振传感器的振动耦合分析；压电与声光；2015（06）。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果尚无。作品所处阶 段（ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D （自填）技术转让方式预计技术入股形式合作作品可展示的形 式实物、产

14、品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测一、 使用说明本产品使用时应从输入端输入1KHz的激励源，通过示波器显示探针的振动频率来进行一系列物理量的测定。二、作品的技术特点和优势本项目基于现有技术的基础上，考虑到压电陶瓷晶体频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长等特点，利用压电陶瓷晶体振动频率对其表面质量负载(质量效应)和反应体系物理性状如密度、粘度、电导率(非质量效应)等的改变具有高度敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，通过对压电陶瓷进行适当的生物学

15、处理和结构设计，构建出具有ng 级检测能力的双压电耦合式传感器。该传感器具有自动测量程度高、长距离输出、精度高、可靠性好、便于携带及低成本等特点。三、作品的推广前景的技术性说明及市场分析和经济效应预测本作品对压电陶瓷晶体紧固件合理布局，有利于空气定向流动，减少气流对检验的影响，且压电陶瓷晶体紧固件具有绝缘和电磁屏蔽的功能，消除客观因素对测试结果的影响；本发明专利设计了圆形弹性构件，增强了系统的抗震功能，最大程度的减小机械振动，减小外界对测试结果的影响；本发明专利体积小、重量轻、方便携带，外观设计大方，方便后期传感器升级及用于其他测试装置。由于本作品有以上的技术性优势，所以在生物工程、医药学、环

16、境工程、毒理研究、化学工程及能源等领域具有广阔的应用前景，发展动力突出，能为将来市场开发打下坚实基础，具有很强的市场产品转化能力。专利申报情况提出专利申报申报号 201610895109.5 申报日期 2016 年 10 月 14 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请专家评审委员会意见 专家签字： 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。压电陶瓷传感器灵敏度的研究由于具有压电效应，压电陶瓷能直接将非电量转变为电量同时它的压电常数可通过调整配方组成或改变陶瓷片的组合方式而得到大幅度提高，从而可有效地

17、提高它的灵敏度，因此，以压电陶瓷作敏感元的传感器越来越受到人们的重视。简单介绍了压电传感器的基本原理及构成，分别从静态和动态两方面，详细讨论了影响压电传感器灵敏度的因素，在此基础上得出了提高灵敏度的有效方法。压电陶瓷金属双迭片弯曲型压电传感器谐振频率研究本文从压电陶瓷-金属双迭片压电振子的力学特性出发，在忽略辐射阻尼和损耗的条件下，将边缘固定的压电陶瓷-金属双迭片压电振子视为边缘固定的、中间部分为压电陶瓷-金属双迭片的薄圆板，导出在满足薄板小挠度变形和轴对称的条件下压电振子弯曲位移的一般解。由薄板小挠度变形和轴对称的条件下压电振子弯曲位移的一般解求得压电陶瓷-金属双迭片弯曲型压电传感器的谐振频

18、率。此外，本文对沿周边部分固支部分简支圆板固有模态的半解析计算方法进行分析。这种方法对研究存在约束缺陷的压电陶瓷金属双迭片弯曲型压电传感器的动态特性有一定的指导作用。微型压电陶瓷传感器拾取声学信号的实验研究筛选最小规格的具有良好声信号拾取能力的压电陶瓷双晶片。本实验组测试的最小规格PCBE(2.0×1.0×0.3mm)也能具有良好的信号拾取能力。本部分研究采用不同规格的PCBE，与放大降噪微型系统直接组装成9个规格的系列简易微型压电陶瓷传感器进行体外测试，了解其信号拾取能力，并筛选出能良好拾取信号的较小规格传感器，耦合于听骨链将听骨振动信号转换为电信号。压电陶瓷传感器力学模

19、型理论与试验研究本论文的目的是建立一种PZT传感器的力学模型，并进行参数分析和试验验证。分别以单片PZT晶体、粘贴式与埋入式传感器为主要研究对象，利用压电方程与振动方程，建立PZT传感器的力学模型。通过选择恰当的激励荷载对其进行激励，对监测信号进行分析以实现对激励信号、胶层厚度、PZT面积、混凝土边界条件等问题的影响进行了探讨。通过与理论推导的传感模型对比，验证了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的传播和接收的规律。防水式压电陶瓷传感器的设计与应用介绍了压电陶瓷传感器的主要性能参数和工作原理，探讨了影响压电陶瓷传感器工作的主要因素，分析相对湿度对压电陶瓷传感器的影响，提出了多种防水方

20、案，并针对其在亚麻紧密纺细纱机断纱检测器上的应用情况，成功解决了其防水问题。 基于无线技术的压电陶瓷传感器状态监测研究压电陶瓷传感器被广泛应用于结构振动控制中，其状态的正常与否直接影响着系统的稳定性。为克服传统用有线来监测传感器状态中存在的可靠性差、传输距离短的缺点和神经网络识别技术存在的实时性问题，提出以LabVIEW为平台，集合nRF905无线模块、51系列单片机、串口通信技术来设计一种新型的压电陶瓷传感器状态监测方法，实验证明该方法能有效地实现远程监控，并具有良好的实时性。基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器建模分析对基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器进行建模与分析。通过磁极化强度模

21、型，分析了弹性波机理。以波导丝和压电陶瓷拾音器为讨论核心，综合运用弹性波振动模型、磁机耦合关系、压电效应等理论，推导了传感器系统的磁机耦合模型及电压输出模型，表明了系统结果主要与磁场强度、脉冲电流、距离、材料参数等有关。通过搭建以压电陶瓷作拾音器的磁致伸缩位移传感器系统，比较模型数据和实验结果，证明了系统模型的合理性，为磁致伸缩位移传感器的研究提供了理论参考。 基于压电陶瓷的交通传感器的输出特性研究设计并制备了以PZT、PLMN压电陶瓷为敏感材料的交通传感器，比较研究了单调荷载、疲劳荷载作用下的输出特性，以及荷载作用时间、环境温度对两种传感器输出的影响。试验结果表明，虽然两种传感器在

22、疲劳荷载后应力-输出电压输出特性和初始时比较基本没有变化，但基于PZT型压电陶瓷的交通传感器在-2060温度范围内输出与荷载有很好的线性关系，且在荷载作用时间小于0.1 s时输出受荷载作用时间影响小，因此具有更好的输出特性。压电陶瓷传感器二维微量进给机构的试验研究通过试验对压电陶瓷传感器 (PZT)驱动的二维微量进给机构进行了研究 ，并给出了压电陶瓷传感器驱动电源及微量进给机构的设计方案和性能。切削实验表明 ，采用二维微量进给机构能有效提高加工精度。埋入式压电陶瓷传感器力学模型及试验验证目的验证采用集总质量法建立PZT晶体简化传感模型并进行数值模拟的正确性。方法以压电陶瓷晶体为研究对象，以压电

23、本构方程为出发点，推导出PZT传感器正压电效应的电荷表达式，进行简谐荷载激励下传感效应数值分析及试验验证.结果根据压电方程和振动方程建立的智能骨料的传感力学模型与试验误差为12.18%，在工程应用中是可行的。PZT片在混凝土包围下作用力越大，传感信号也越大。PZT主要沿轴向振动，在径向受力较小基本忽略，骨料的径向尺寸对PZT信号影响不大证明了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的正压电规律，同时PZT片的电压输出特性与作用力的大小、PZT尺寸以及边界条件有关。结论在PZT传感模型中，由压电方程和振动方程的联合求解，可以快速得到PZT的传感信号，通过试验对比证明了力学模型的正确性。基于压

24、电陶瓷传感器宽频响应的结构损伤识别本文进行了基于压电陶瓷传感器在300kHz内宽频响应的结构损伤识别技术研究，主要内容如下：(1)针对粘贴式压电陶瓷传感器与结构的耦合体系，提出了一种“压电陶瓷粘结层被测结构”考虑层状介质剪切应变传递的动态力学模型。(2)分析了宽频激励下，嵌入式压电陶瓷传感器的动态性能，提出了一种“保护层防水层压电陶瓷”结构的动态力学模型。(3)分析了压电陶瓷传感器低频响应“拍”信号的形成机理，通过旋转矢量法分析了结构的阻尼效应、荷载冲击方向、传感器位置对“拍”信号的影响。根据压电陶瓷传感器“拍”信号，提出了一种荷载冲击方向的识别方法，并通过悬臂钢柱的冲击试验验证了方法的有效性

25、。(4)提出了一种应用压电陶瓷传感器低频应力响应的结构损伤识别方法，即基于互相关函数幅值和支持向量机的损伤识别方法，该方法仅需要压电陶瓷传感器测得的结构应力响应信号，且适用于任意荷载激励。(5)基于压电陶瓷传感器宽频响应特性，提出了一种应用压电陶瓷传感器低频的结构振动响应信号和高频声发射信号的多功能监测方法。压电传感器稳定性的仿真分析针对传感器测量高温体振动信号的稳定性问题，提出了将温度与结构特性相结合的仿真方法，讨论了温度场对压电陶瓷传感器稳定性产生的影响。根据压电陶瓷的正逆压电效应，采用ANSYS软件进行有限元仿真，得出了传感器稳定工作的频率范围和固有频率随温度变化的规律，并获得了固有频率

26、和机电能量转换特性相对稳定的温度范围，由此为理论和试验分析提供了依据。分析实例体现了所采用的数值仿真方法在压电陶瓷传感器稳定性分析中的有效性和实用性。压电陶瓷晶片受迫振动分析及应用从基本压电方程出发 ，推导了压电陶瓷晶片面内受迫振动计算公式 ，并结合共振实验 ，提出了一种直接测量压电陶瓷晶片压电常数的方法 .与传统的压电常数测量方法相比较 ，本方法具有许多优点。由于减少了中间环节 ，测量结果的精度也得到了提高。压电陶瓷材料电学性能参数测量研究从双层压电梁在电场作用下的位移响应与电场的关系式出发，借助于试验数据逆推导出压电陶瓷材料的电学性能参数。位移响应的试验数据采用非接触激光测振仪得到。该文方

27、法相对压电参数测量的静态法、动态线路传输法和动态电容法减少了许多中间测量环节和等效处理手段，且易于具体实施，相对于动态位移法又有更好的精度，为压电陶瓷类材料电学性能参数测量提供了一种全新的测量方法。基于压电陶瓷的平面阵列式压力传感器研究利用压电陶瓷技术，设计并制备整体式多阵列压力传感器，并用于爆炸冲击波压应力的测试。结果表明，阵列传感器可测试爆炸冲击波的压应力及其分布、体密度分布、面密度分布等参数，其静态电容分布偏差小于±1%，压电常数d33分布偏差小于±3.3%，动态响应频率约为2.3MHz，冲击破坏阈值为100MPa量级。基于无铅压电陶瓷谐振传感器的振动耦合分析针对0.

28、8NBT-0.2KBT无铅压电陶瓷应用于谐振式传感器，研究其薄方片振子厚度伸缩振动与其他振动的耦合情况，通过计算关键技术参数分析其在微天平传感器上的应用性。确定峰形激发最高、耦合最小的压电振子长厚比为9.51，与同尺寸石英晶体微天平(QCM)相比，该谐振体应用于传感器理论灵敏度降低70.1%，理论有效测量范围提高129%。经查阅文献，与现存在的传感器相比较，本项目所设计的传感器具有的优点是自动测量程度高、可长距离输出、精度高、可靠性好、便于携带以及低成本等，后期传感器可进一步升级及应用于其他测试装置，可应用于在生物工程、医药学、环境工程、毒理研究、化学工程及能源等领域具有广阔的应用前景，发展动力突出，具有很强的市场产品转化能力。D.推荐者情况及对作品的说明说明： 1. 由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有中级以上专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）； 3推荐者填写此部分，即视为同意