تعيين جرم با استفاده از تحليل تئوري و تجربي پاسخ فركانسي عملگرهاي پيزوالكتريك خمشي

Mass Detection by Theoretical and Experimental Frequency Response Analysis of Bending Piezoelectric Actuators

در اين پژوهش به بررسي فرآيند تعيين جرم به كمك تحليل پاسخ فركانسي عملگرهاي پيزوالكتريك پرداخته شده است. براي تقويت خاصيت عملگري، كاهش اثرات غيرخطي و كوپلينگ ارتعاشات، از عملگرهاي پيزوالكتريك دو لايه استفاده شده است. براي اين منظور، ابتدا تئوري تعيين جرم توسط تحليل پاسخ فركانسي عملگرهاي پيزوالكتريك خمشي، مورد بررسي قرار گرفته است. سپس معادله ديناميك حاكم بر رفتار عملگرهاي دو لايه پيزو استخراج و پاسخ فركانسي سيستم در حالت آزاد مورد تحليل قرار گرفته است. در ادامه، اثر افزدون جرم بر پاسخ فركانسي عملگر دولايه و نحوه استخراج مقدار جرم، بصورت تحليلي ارائه گرديده است. در نهايت، نتايج شبيه سازي توسط آزمايش هاي تجربي صحه گذاري شده است. نتايج حاصل شده نشان مي دهد اگر جرم هاي اندازه گيري شده در مرتبه ميلي گرم در بازه 0/01 تا 0/2 جرم عملگر باشد، اندازه گيري داراي خطاي تقريبي كمتر از 13 درصد بوده و مي توان از اين عملگرها با دقت مناسبي براي اندازه گيري جرم استفاده نمود.

In this study, mass detection by frequency reponse analysis of piezoelectric actuators has been investigated. Bimorph piezoelectric actuators have been applied to increase the actuation force and decrease the nonlinear effects and vibrational coupling. In this regard, the theory of mass detection was investigates by analyzing the frequency response of piezoelectric actuators. For this purpose, first, the dynamic equation of bimorph piezoelectric actuators was calculated. Then, the natural frequency response of actuator without any added mass was analyzed. In addition, the effect of added mass on the frequency response and its behavior analysis were investigated to find the amount of mass. Finally, experiments were carried out to confirm the validity of the simulation results. The results reveals that if the measured masses, in the milligram order, are in the range of 0.01 to 0.2 times of the actuator mass, the measument’s error is less than 13%, therefore, this setup has appropriate accuracy.