用于液相检测的谐振式电磁扭摆

提出了一种工作在扭转模态的微机械谐振器,与传统的弯曲模态相比,扭转模态能量损耗低,更适用于液相检测。通过ANSYS仿真优化了结构,针对液相中阻尼较大的特点设计可输出大电流的驱动电路,并根据扭摆的输出与速度相关的特点设计了能量补偿电路,此电路可对能量损失进行有效的补偿,扭摆在液相中的品质因数由2.65提高到了40。     

参数化方法在微机械谐振器设计中的应用

从理论上分析了微机械音叉谐振器的机械力学特性,给出了活动梳齿的工作模态频率解析解,提供谐振器结构设计的依据.利用基于MAST语言实现的MEMS宏模块建立微谐振器系统级通用参数化仿真模型,为验证外围电路提供了基础.事例仿真结果与理论模态分析相一致,验证了模型的有效性.通过减少梁固接端弹性系数、合理安排激励电极能抑制一阶模态扰动.工作模态谐振频率对结构参数的敏感性分析为优化谐振器性能提供基础,使工作模态远离其它高阶模态.敏感性仿真表明在横向振动微谐振器中,工作模态谐振频率随梁长的增加而减小;随梁宽的增加而增大;结构层厚度对横向振动频率没有影响;梳齿部分所有参数的变化造成频率的相反变化.     

扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究

研究了充水管道中扭转模态的传播特性.通过理论分析可知最低阶扭转模态T(0,1)适合用于充水管道中的缺陷检测.在实验中利用研制的传感器在充水管道中激励出T(0,1)模态,并利用频率50kHz的该模态对4m长充水管道中两种不同类型的缺陷进行了检测.结果表明,利用T(0,1)模态的超声导波可以用于充水管道的缺陷检测.     

轿车白车身骨架低阶模态特性研究

轿车白车身骨架的低阶模态特性对整车振动、噪声等各方面的性能有着重要的影响.以某型三箱轿车为例,应用有限元方法,进行了白车身自由模态的仿真计算与分析,通过各个零件的一阶扭转模态频率的灵敏度分析,得到了影响扭转模态频率的关键框架结构,并对白车身上胶结连接形式和前后风窗玻璃对于扭转模态频率的影响进行了对比分析.可为新车型在设计阶段的模态特性设计与分析提供一定的依据.     

压电式微固体模态谐振器电荷放大器负载效应的研究

文中采用串联电阻的方法,解决了传统的阻抗分析仪很难满足共振激励需求的问题,研究一种具有特殊电压激励方式的压电式微固体模态谐振器等效电路。通过绘制压电谐振器的导纳圆图,分析并获得压电谐振器在共振频率附近的等效电路参数。通过比较有无电荷放大器作为负载接入压电谐振器的实验结果,发现带有电荷放大器的压电谐振器等效电路的谐振频率从346.119 k Hz降低至344.979 k Hz。得出结论:如果电荷放大器作用于压电谐振器负载端,应该关注它对谐振频率的影响。     

新型MEMS质量传感器的研究

研究了一种新型MEMS质量传感器的设计、仿真与制造.这种用于流体中微小分子质量检测的MEMS器件,具有高度对称的中空圆盘结构,以谐振的方式工作于简并/解并模态,能在测量时实现对环境波动的自我补偿.器件的中空腔内可以流过被测流体,腔外的真空环境使得圆盘谐振器受到更小的阻尼.利用ANSYS对圆盘在质量吸附前后的模态及频率分裂进行仿真,计算结果显示对质量的测量灵敏度达pg量级.采用MEMS双牺牲层工艺方法成功制作出具有双层结构的空心圆盘谐振器.     

基于特征模型的压电悬臂板振动控制

航天器上悬臂板型挠性附件在扰动作用下将引起包括弯曲和扭转模态的振动,这将影响系统的稳定性和控制精度,尤其是在平衡点附近低频模态频率上的小幅值残余振动很难快速抑制。为了快速抑制压电智能挠性悬臂板系统,包括弯曲和扭转模态的振动,提出采用基于特征模型的非线性黄金分割自适应控制,组合非线性切换逻辑积分阻尼器算法。首先,优化配置压电传感器和驱动器实现了悬臂板的弯曲和扭转模态在检测和驱动上的解耦;其次,设计并建立压电挠性悬臂板试验平台,进行试验模态辨识并获得了悬臂板系统弯曲和扭转振动的模态频率和频响特性;最后,进行压电智能悬臂板的弯曲和扭转振动模态主动振动几种方法试验的比较研究。试验结果表明,采用的控制方法能够快速地抑制压电智能挠性悬臂板的振动。     

同基共模抑制石英晶体谐振器研究

在分析AT切石英晶体谐振器力敏特性及晶体内振动波传播特点的基础上,研究了同一晶体基片上的多个谐振器的力敏特性.根据共模抑制原理,将同一晶体基片上不同位置的谐振器对应的谐振频率作混频处理,并以差频形式输出,以此消除相关干扰因素对谐振器输出频率的影响.实验结果表明,AT切同基三电极石英晶体谐振器差频输出的力敏特性是传统的单基单电极谐振器力敏特性的1.3倍;同基四电极谐振器的力敏特性则略小,但可同时获得两组输出;同基多电极谐振器的频率稳定性均可达10-10的量级;在-50～60 ℃内,相对频率变化约为±5×10-6.     

基于微波谐振器的谷物湿度检测系统

设计和研制一种能连续测量谷物湿度的微波检测系统.提出利用微波谐振器的干扰特性测量谷物的湿度,并设计专用于谷物湿度检测的中心开通孔的微波谐振器.当谷物颗粒通过微波谐振器的中孔时,其质量和湿度都令谐振器的谐振频率产生偏移和功率衰减,谷物的质量和湿度两者所引起的谐振频率偏移和微波功率衰减是相对独立的,在同一湿度下谷物的质量仅仅与微波功率的衰减量有关.因此在得到谐振频率的偏移量和微波功率的衰减量后,就可以计算谷物的湿度.在大量试验的基础上,对试验数据进行模糊聚类,从而对微波谐振器的频偏和功率衰减特性进行建模,据此设计并研制了谷物湿度的微波连续检测系统.试验调试表明:该检测系统适宜于谷物的连续湿度检测,检测精度达到92%以上.     

三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器

为了实现对微小质量的测量,本文提出了一种基于模态局部化效应三自由度弱耦合谐振式微质量传感器,建立3个谐振器的运动方程式,获得质量扰动的系统方程,建立了三自由度耦合谐振系统的MATLAB/SIMULINK模型,得出幅值比变化相对于振幅变化和谐振频率变化来说具有最高的归一化灵敏度。最后进行传感器设计和微加工,搭建质量测量系统。实验结果表明,电压幅值比的变化产生的归一化灵敏度大约是振幅变化的4倍,大约是频移变化的两个数量级,最小可检测质量值为2 ng。仿真和实验结果表明,三自由度模态局部化弱耦合谐振器能实现对微质量的测量,具有良好的生物传感应用前景。     

基于超声波传感器的无线液位测量系统

针对诸多行业储液罐液位测量的特点和技术要求,设计了一种基于超声波传感器的无线液位测量系统.系统由液位检测模块、无线数传模块和上位机工作站组成.传感器将接收到的信号经数据处理后由无线数传模块送上位机工作站,工作站是由VC设计的一个数据处理平台,具有多路液位显示、超限报警、数据存储和打印等功能.     

Modeling and characterization of piezoelectric cantilever in fluids at different temperatures

This paper introduces measurement and modeling of a piezoelectric beam used as a sensor in different types of liquids. It is immersed in different fluids at temperatures increasing from 20 °C to 50 °C. The working principle is based on detecting different resonance frequencies of the cantilever in different solutions. The oscillation of piezoelectric beam is measured using a vector network analyzer. An electrical equivalent circuit derived from a resonator model is used to simulate the experimental data. These calculated circuit constants have been related to physical properties of liquids under test. The combination of these liquids which includes non-conducting and conducting solutions, exhibiting low and high viscosity covers a good range of common physical properties of fluids. Main focus of this research is to explore the capability of piezoelectric cantilever as a liquid sensor with the influence of temperature. The equivalent circuit model has been proved to be viable to fit experimental data in non-conducting solution but less effective in conducting solution.     

微机械氮化硅梁谐振式压力传感器

报导一种新型的电热激励、压阻拾振的氮化硅梁谐振式压力传感器。器件采用微电子机械加工技术和键合技术研制。谐振频率85kHz,空气中品质因素Q值接近1000,在真空中达到40000。采用闭环自激振荡方式测定压力传感器的压力特性,压力测试范围0－400kPa,灵敏度23．8Hz/kPa。     

Resonance-mode effect on microcantilever mass-sensing performance in air

This research investigates the air drag damping effect of the micromachined cantilevers in different resonance modes on the quality factor, which are operated in ambient air. Based on a simplified dish-string model for air drag force acting on the resonant cantilever, the air drag damping properties of the cantilevers vibrating in different modes are analyzed with theoretic vibration mechanics, which is complemented and further confirmed with finite-element simulation. Four kinds of integrated cantilevers, which resonate in the first flexural mode, the second flexural mode, the first torsional mode, and the second torsional mode, respectively, are designed and fabricated by using micromachining techniques. Finally, biomolecular sensing experiments are carried out to verify the theoretical results obtained before. From both the modeling and experimental results, it can be seen that damping characteristics of the torsional cantilever resonators are generally better than that of the flexural ones, and quality factor of the cantilever resonator in a higher-frequency mode is always superior to that in a lower-frequency one. Among the four kinds of microcantilever resonators operated in our experiments, the one operated in the second flexural modes exhibits the highest Q factor and the best biomass sensing performance.     

On-chip integration of high-frequency electron paramagnetic resonance spectroscopy and Hall-effect magnetometry

A sensor that integrates high-sensitivity micro-Hall effect magnetometry and high-frequency electron paramagnetic resonance spectroscopy capabilities on a single semiconductor chip is presented. The Hall-effect magnetometer (HEM) was fabricated from a two-dimensional electron gas GaAsAlGaAs heterostructure in the form of a cross, with a 50 x 50 microm2 sensing area. A high-frequency microstrip resonator is coupled with two small gaps to a transmission line with a 50 Omega impedance. Different resonator lengths are used to obtain quasi-TEM fundamental resonant modes in the frequency range 10-30 GHz. The resonator is positioned on top of the active area of the HEM, where the magnetic field of the fundamental mode is largest, thus optimizing the conversion of microwave power into magnetic field at the sample position. The two gaps coupling the resonator and transmission lines are engineered differently--the gap to the microwave source is designed to optimize the loaded quality factor of the resonator (Q相似文献   

乘用车发动机曲轴位置传感器的工作特性

借助小波对小排量TU5JP4发动机ECU控制转速系统中磁感式曲轴位置传感器进行了转速工作稳定性分析。首先,对曲轴位置传感器测转速失效问题,提出在同一信号轮上布置两个曲轴位置传感器以提高曲轴位置传感器工作稳定性方案。之后,基于小波变换信号突变点检测的融合滤波算法,用该算法对采集到的两组曲轴转速信号作融合滤波处理。结果表明,该算法能有效检测到曲轴转速传感器是否符合失效模式,并能有效滤掉周围噪声和震动,得到曲轴位置传感器采集转速数据稳定性的一种方法。     

直接冷凝式声表面波气体传感器检测下限分析

声表面波气体传感器有采用选择性敏感膜进行气体吸附和气体直接冷凝在声表面波器件表面(与气相色谱系统结合)进行检测两种方式.文中首先从分层介质理论出发,分别对涂敷敏感膜和直接冷凝这两种方式下声表面波器件表面质量负载改变引起的频率变化进行理论分析,比较了两种方式在吸附同样气体条件下的灵敏度;然后计算了在500 MHz工作频率、考虑冷凝液膜轻度粘滞性时,直接冷凝方式的气体检测下限为ppb量级;最后将计算结果与实验结果进行比较并得到验证.     

一种磁致伸缩式超声波激发/接收传感器的研究

以研制磁致伸缩式超声波传感器为目标，分析了磁致伸缩式超声波传感器的工作原理——磁致伸缩效应及逆效应，重点讨论传感器结构设计及线圈参数选择计算，制作了磁致伸缩式超声波传感器。本文研制的传感器在脉冲激励电流的作用下，可在细丝中激发超声波，同时还可以接收细丝中传播的超声波；该传感器既可以激发扭转波，又可以激发纵波。可用于测量液位、温度、液体密度和材料的声速、弹性模量等物理量。