摘要：使用超声导波（GUW）进行结构健康监测（SHM）是一种成熟的板材和板状结构无损检测技术。然而，针对纤维-金属层压板（FML）的结构健康监测仍是当前的研究主题。特别是，它需要结构集成的传感器来监测FML的内层。虽然压电晶片主动传感器（PWAS）能够分辨甚至超过1

使用超声导波（GUW）进行结构健康监测（SHM）是一种成熟的板材和板状结构无损检测技术。然而，针对纤维-金属层压板（FML）的结构健康监测仍是当前的研究主题。特别是，它需要结构集成的传感器来监测FML的内层。虽然压电晶片主动传感器（PWAS）能够分辨甚至超过100 kHz范围的表面波，但它们在FML中的集成能力受到声阻抗不匹配和这些传感器典型尺寸的限制。

惯性MEMS传感器是土木结构健康监测中的常用选择。然而，MEMS加速度计的带宽通常限制在几kHz范围内，因此不适用于基于GUW的结构健康监测。然而，利用一种被称为 “MEMS测振仪”的新型传感器类别（见图1），可以在准自由激发状态下记录由结构传播GUW引起的高频位移。目前已开发出结构可集成的MEMS测振仪，可分辨中心频率为100 kHz的GUW脉冲。

由于MEMS测振仪体积小，仅为2.2 mm× 2.2 mm × 410 µm，因此可集成到FML板的层压中，而不会影响GUW的线性波传播。由于MEMS传感器与周围结构具有良好的声阻抗匹配，因此也减少了传感器与GUW之间的非线性相互作用。然而，在之前的这些研究中，尚未对MEMS测振仪的连续核心谐振器的固有结构动态行为进行研究。

图1 MEMS测振仪（左）和硅悬臂谐振器（右）

据麦姆斯咨询报道，近日，德国布伦瑞克工业大学（Technische Universität Braunschweig）和不莱梅大学（Universität Bremen）的研究人员组成的团队开发了一种新型MEMS测振仪，并深入研究了其动力学特性，为基于GUW的FML的结构健康监测提供了一种创新的MEMS解决方案。研究涉及对具有多个聚合谐振器的连续谐振器进行分析建模，对传感器的100 kHz超声波脉冲的响应进行数值模拟，并使用激光扫描微测振仪装置进行实验验证，从而深入理解MEMS测振仪在超声波监测中的动力学特性，并展示其适用性。上述研究成果以“MEMS vibrometer: Dynamic modeling of multimodal inertial transducers”为题发表于Scientific Reports期刊。

MEMS测振仪设计和制造

与单自由度（1-DOF）弹簧-质量-阻尼系统模型不同，真实的谐振器结构是连续的，因此具有无限的谐振模式。这可以建模为多个叠加的1-DOF弹簧-质量-阻尼系统，每个系统具有一个谐振频率，如图2中的悬臂结构所示。

图2 多模态谐振器（2D悬臂）的动力学模型

该谐振器设计为悬臂结构，采用两根细长的悬杆（带有压阻路径），以提供在GUW频带内几乎恒定的灵敏度。与早期的设计相比，机械应力集中在杆上。此外，在扭转变形的情况下，杆内的应力值具有相反的符号，并在惠斯通电桥的读数中相互抵消。因此，第一个扭转谐振模式不会对传感器信号产生影响。悬臂结构的尺寸如图3所示，基于有限元模态分析进行设计。

图3 SOLIDWORKS中的核心谐振器的代表性3D模型

MEMS测振仪是按照之前工作中所述方法制造的，只调整了p型和p+型掺杂方案以及激光切割路径，以形成由两根细长杆悬挂的结构。悬臂变形由位于两根细杆中的p型掺杂压阻轨道感测。这些压阻轨道与位于主体框架上的参考压阻路径连在一起，形成一个由两个应变相关电阻RA和两个应变无关互补电阻RB组成的惠斯通电路。图4展示了调整后的传感器机电结构。

图4 MEMS测振仪的示意图

谐振器的数值模态分析方法及模拟结果

为了进行模态和瞬态分析以验证所需的动态特性，研究人员使用了ANSYS 2022R2（ANSYSGmbH）软件。对于数值模态分析，研究人员使用了ANSYS的模态响应模块。基于模态分析的数值瞬态分析使用了ANSYS的瞬态结构模块。

图5 数值模拟获得的细杆谐振器的三个位置处（节点1至3）的位移和应力频率响应

实验模态分析的设置及实验结果

为了验证MEMS测振仪的概念并表征其动态响应特性，研究人员使用图 6所示的实验设置进行了模态分析和瞬态分析。MEMS测振仪（A）被固定在高频振动台（B）上，由信号发生器（C）驱动，并可选择连接压电放大器（D）（PD200，PiezoDrive，SI Scientific Instruments GmbH）进行瞬态分析。谐振器的局部位移由光学测振仪（E-H）（SmarAct GmbH的PicoScale测振仪）测量，该仪器包括一个与共聚焦显微镜集成的激光迈克尔逊干涉仪，可在 x、y、z 方向上相对于样品定位。位移的振幅和相位通过集成的锁相放大器捕捉。传感器的惠斯通电路由信号调节模块（I）（DAQP-BRIDGE-B，DEWETRON GmbH）驱动和评估。

图6 用于模态和瞬态分析的实验设置的示意图

图7 实验获得的示例性传感器的点1和点2位置处的位移谱以及传感器的电输出谱

图8 数值模态分析（顶部）和实验模态分析（底部）获得的前三个振动模式

模态分析和瞬态分析结果证实，本文所提出的MEMS测振仪适用于将通过GUW引起的位移转换为电信号。谐振器结构的谐波模式频率与GUW频带充分分离，因此谐振器在100 kHz的中心频率下与GUW的谐振耦合极小。

小结

总之，惯性MEMS测振仪可以将超声导波脉冲引起的位移转换为电信号。然而，它们复杂的多模态传输行为需要事先了解输入信号的频率和带宽，以便调节谐振器的模式，使其在某一个模式的准自由频带内提供足够的响应。即使对于经过优化调整的谐振器，也必须考虑其它模式的寄生影响。通过有限元分析和实验模态及瞬态分析方法，可以实现微机械设计的模态调整和评估。从所研究的传感器中观察到的伪非线性可以认为对于结构健康监测应用并不关键。在未来的工作中，必须研究是否必须提高灵敏度，以记录在相关应用中产生的长距离超声导波，在这些应用中，位移预计至少比振动台小一个数量级。

论文链接：

来源：小辰看科技