微悬臂梁传感器流固耦合振动特性研究

微悬臂梁传感器是探索微观世界的重要工具，被广泛应用于微观领域形貌探测和参数测量。由于频率参数容易测量，通过微悬臂梁传感器谐振频率变化，间接探测被测对象的方法成为研究热点。近期研究发现，微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 "尺度效应"和"频率效应"。考虑到微悬臂梁传感器主要工作于流体环境，这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目拟研制微悬臂梁传感器流固耦合振动特性试验平台，分析微悬臂梁传感器和流体之间的相互作用机理，建立其谐振频率与流体边界条件、粘度、密度和温度等参数之间的关系模型，发展微纳米结构流固耦合振动理论。本项目的研究对于揭示流体对微纳米结构动力学特性影响及其表现出的"尺度效应"和"频率效应"的物理机制、高灵敏微悬臂梁传感器设计和应用将具有重要意义。

微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 “尺度效应”。这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目以沉浸于流体环境中的薄板型微悬臂梁传感器为研究对象, 建立了考虑“尺度效应”的微悬臂梁传感器二维流固耦合理论模型，提出了基于等效参数提取的简化数值求解方法，并通过实验论证了理论模型的有效性和准确性，同时分析了谐振频率与粘性流体之间的关系及其 “尺度效应”。研究表明作为影响浸于流体环境中的微悬臂梁频率响应特性的主要因素，流固耦合作用将使微悬臂梁振动各阶模态谐振频率值及振动幅值显著降低，且随着微悬臂梁厚度的减小或长宽比的增大，这种影响的程度将随之增强，同时在尺寸效应及边界滑移条件的影响下，流固耦合作用对微悬臂梁频率响应的影响将出现一定程度的减弱。