并行敏感液体特征参数的声板波虚拟阵列器件研究

声板波与液体介质之间存在着多种作用机制。声板波器件用于液体传感时，检测结果受液体多个特征参数共同影响。在许多应用场合，不仅关注对液体某单个特征参数的敏感，还希望能够并行敏感液体的多个特征参数。针对这一问题，本项目基于声板波自身的频散特性，对于同一个声板波器件，可通过改变激发频率得到多个声板波模态，各个模态敏感液体时具有各不相同的频移和衰减，从而可将每个模态看作一个单独的虚拟器件。由此提出通过声板波虚拟阵列器件来并行敏感液体密度、体积弹性模量、粘度、介电常数、电导率的新思路，通过充分掌握并利用负载液体的声板波传播特性和声板波液体传感特性本身的规律，研究基于不同器件结构、不同激发模式和模态的多个声板波虚拟器件所构成的虚拟阵列器件对液体各特征参数的并行敏感机理和虚拟阵列器件的优化设计，以及相应的器件制作和测试系统搭建。其研究工作对于航空航天、生物医学工程等诸多领域的液体传感应用具有重要意义。

声板波与液体介质之间存在着多种作用机制。声板波器件用于液体传感时，检测结果受液体多个特征参数共同影响。在许多应用场合，不仅关注对液体某单个特征参数的敏感，还希望能够并行敏感液体的多个特征参数。针对这一问题，本项目基于声板波自身的频散特性，对于同一个声板波器件，可通过改变激发频率得到多个声板波模态，各个模态敏感液体时具有各不相同的频移和衰减，从而可将每个模态看作一个单独的虚拟器件，由此提出通过声板波虚拟阵列器件来并行敏感液体密度、体积弹性模量、粘度、介电常数、电导率的新思路。项目包括机理分析、优化设计、实验研究三部分内容。在机理分析方面，根据压电基片的材料对称型特征，把声板波分为常规声板波、兰姆波、水平剪切声板波三种模式来展开研究，并从材料常数上定义了三种声波模式的激发机理；根据层状介质的声波传播理论，把液体分为非粘性液体和粘性液体来分别建模，完整地建立了负载液体的声板波分析模型；研究了负载液体的声板波能量泄漏，总结了引起能量泄漏的原因；建立了漏板波的二维分析模型，采用“表面有效介电常数粗搜”和“边界条件系数行列式细搜”的方法来同时分析传播速度和衰减因子；建立了声板波液体传感的理论模型，完整地研究了三种模式声板波的传播速度和衰减因子随液体特征参数的变化规律，并总结了各模式声板波的液体传感特性。在优化设计方面，研究了声波器件用于传感器时的优化设计原则；分别以非粘性不导电液体和导电液体为例，研究了声板波器件的优化设计；设计了声板波虚拟阵列传感器系统和基于该系统的液体多特征参数检测方法。在实验研究方面，实际制作声板波器件并进行了封装；采用网络分析仪，对自由空间中和负载非粘性液体、粘性液体时的声板波器件分别进行了测试；搭建了基于扫频技术的声波传感器测试系统和相应的测试方法；研究了基于幅值比和相位差测量的声波传感器测试电路，该电路能实现网络分析仪的相应功能。项目研究较好的达到了预期目标，其研究工作对于航空航天、生物医学工程、食品安全等诸多领域的液体传感应用具有重要意义。