微型石英音叉陀螺模态特性的有限元分析

MEMS石英音叉陀螺是近年来发展起来的新型惯性器件。在石英音叉的早期设计阶段,为了提供可靠的设计方案,并缩短设计周期,应该对其进行分析模拟。音叉的结构参数至关重要,不仅会影响陀螺的敏感性,还会影响其检测精度和稳定性。本文以U形音叉为例,利用大型有限元分析软件ANSYS建立了微型石英音叉的实体模型,对其模态特性进行了分析和计算,分析了音叉几何尺寸对其谐振频率的影响,并提供了一组可供实际制作的音叉结构参数,大大缩短了设计周期。     

Q-MEMS陀螺零偏补偿技术研究

在对某型Q-MEMS(石英音叉陀螺)进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种基于陀螺工作时间的零偏温度补偿模型,并用该模型对新测的试验数据进行了预测补偿。补偿结果表明:Q-MEMS陀螺经该模型补偿后可以将零偏减小至少一个数量级,并进一步提高了零偏稳定性,有效补偿了陀螺上电后的启动漂移,完全满足工程上的实时补偿要求。因此,该模型具有很强的工程实用价值。     

应用于扫描探针显微镜的石英音叉机械模型研究

石英音叉作为力传感器广泛地应用于各种扫描探针显微镜,主要涉及石英音叉的同相振动和反相振动两种振动模式.通过实验方法和有限元仿真方法对石英音叉的两种振动模式进行研究,发现石英音叉的双臂之间以及双臂与音叉的基部之间都存在耦合作用,双臂之间的耦合使音叉的反相共振频率升高,双臂与基部之间的耦合使音叉的同相共振频率降低.针对两种振动模式的动态特性建立了石英音叉的机械模型并进行合理简化.简化模型是一个四弹簧三质点系统,计算了简化模型的参数.通过一个音叉臂等效质量变化与音叉反相共振频率变化之间的定量关系证明了简化机械模 关键词： 扫描探针显微镜 石英音叉 振动模式 机械模型     

QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算，获得石英音叉前6阶振型与模态频率，认知了第4阶对称摆动振型为有效振动，利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l₁、音臂宽度w₁、音臂厚度t、音臂切角θ、音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率(Fre)的影响，敏感度依次为： l₁> w₁>d>θ>t>h，考虑实际设计情形，筛选出了l₁，w₁，d与h四个石英音叉设计变量，采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法，以Fre为函数目标，建立l₁，w₁，d与h的二次回归响应面模型，得到了参数之间的交互作用，利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求，结果表明，在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小，基本满足QEPAS系统的计算需求，所提出的研究与设计方法具有一定通用性，可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。     

胶粘剂对石英音叉剪切力控距的影响

粘接音叉和光纤探针的胶粘剂对由石英音叉和光纤探针构成剪切力控距体系的品质因数有明显的影响。通过对比不同胶粘剂的物理特性 ,选择了适合于粘接音叉和光纤探针的胶粘剂。研究发现 ,室温快速固化环氧树脂胶粘剂HY 91 4 ,GHJ光学用环氧型胶粘剂 (Opticalepoxy)和 50 2胶能满足实验要求。理论分析指出 ,对于同样的音叉和光纤探针来说 ,胶粘剂的密度和用量是影响音叉 探针体系品质因数的主要因素     

石英音叉温度频率特性的温度传感器（英）

提出了一种基于石英晶体温度频率特性的石英音叉微谐振式温度传感器。通过理论分析的方法对传感器进行设计,并采用有限元仿真对传感器的结构参数进行优化。采用光刻和蚀刻微加工技术制造石英音叉谐振器,对石英音叉温度传感器样机的频率温度特性进行实验研究。实验结果表明:石英音叉温度传感器的标准谐振频率为36.545 kHz,灵敏度为-1.9 Hz/℃,在-20到100 ℃的温度范围内,其非线性误差小于0.18%,迟滞为0.02%,与理论研究相吻合。该传感器具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本的特点,为高性能温度测量提供较好的解决方案。     

石英音叉温度频率特性的温度传感器（英）

提出了一种基于石英晶体温度频率特性的石英音叉微谐振式温度传感器。通过理论分析的方法对传感器进行设计,并采用有限元仿真对传感器的结构参数进行优化。采用光刻和蚀刻微加工技术制造石英音叉谐振器,对石英音叉温度传感器样机的频率温度特性进行实验研究。实验结果表明：石英音叉温度传感器的标准谐振频率为36.545 kHz,灵敏度为-1.9 Hz/℃,在-20到100 ℃的温度范围内,其非线性误差小于0.18%,迟滞为0.02%,与理论研究相吻合。该传感器具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本的特点,为高性能温度测量提供较好的解决方案。     

基于剪应力检测的石英微结构及其陀螺效应研究

为了简化石英陀螺结构侧壁上的电极图形,设计了一种基于剪应力检测Coriolis力的新型石英微结构.通过对剪应力检测方案的分析,微结构侧壁电极的极性单一,采用锥度为15°的锥形梁结构作为敏感梁的设计可以增大敏感梁的检测灵敏度.通过各项异性湿法腐蚀z切石英片的方法制造了微结构样件.测试表明样件的驱动频率约为5.6kHz,大气下的品质因子在5000以上.输出信号频谱的谱线存在Coriolis力信号,验证了设计思想的正确性。     

基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究

利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字 频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统, 该方案使用3f信号作为误差反馈信号, 将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置, 保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率. 实验中采用中心波长位于1.396 μm的DFB半导体激光器作为光源, 选择常压下空气中的水汽作为研究对象, 对系统性能进行了测试, 并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析. 实验结果表明, 该系统可以将激光器稳定在± 0.001 cm^-1范围内, 对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用, 系统的检测限约为1 ppm, 该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.     

音叉振动的研究

一、问题的提出众所周知,在耳朵近旁将一只振动着的音叉绕其对称轴旋转一周,听到的音响增强和减弱各四次.实验表明,音响出现极大的四个方向在图1所示的±x和±y方向,图中虚线表示的四个方向音响则出现极小.实验还表明,音响出现增强减弱的次数和方向与音叉的频率无关.     

共振音叉实验的改进

音叉共鸣箱垫片的老化或弹性不足,严重影响了声音共鸣的演示效果.经研究发现,只要在音叉的共鸣箱底部垫上泡沫塑料即可达到预期的演示效果.为达到最佳的演示效果,还探讨了敲击音叉的部位及音叉的数量和摆放方式.     

悬挂共振音叉改进共鸣实验

为了使共振音叉达到较好的效果,自制了一对共振音叉的悬挂装置及其附件,用该装置可以将2个共振音叉悬挂起来,其演示效果较好.同时,本文探讨了共振音叉不同的悬挂方式,并介绍了如何演示共鸣实验和利用该装置演示声波的干涉实验.     

音叉振动阻尼系数的测定与研究

利用计算机的声卡采集音叉振动信号,研究了振动衰减过程中阻尼系数的大小,得出了阻尼系数不是常数,而是与音叉振幅成线性关系的初步结论,并用共振态下策动力振幅对音叉振幅的关系验证了这一结论.根据阻尼系数与振幅的关系解释了两种传统方法测量结果差别很大的原因.     

Compensation of stray capacitance of the quartz tuning fork for a quantitative force spectroscopy

We have introduced a simple but robust approach to realize stray-capacitance compensation of a quartz tuning fork force gradient sensor by using a tied-prong of the same tuning fork instead of using a variable precision capacitor. The results of quantitative force measurements with the proposed device show excellent agreement with the numerical method of cancellation via the theoretical compensation method with the resonance response curves. Futhermore, the mechanical properties of the condensed nano-water bridges are investigated with the proposed compensator, which provides the potential promise of the intrinsic quartz tuning fork for a quantitative precision force spectroscopy.     

氮化铝双端固支音叉谐振器的结构设计

基于氮化铝双端固支音叉（AlN DETF）的谐振式传感器具有尺寸小、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点。为了提高灵敏度和分辨率,需要分析AlN DETF谐振器的振梁结构参数对灵敏度和信号功率的影响。在有限元仿真软件中建立AlN谐振器的多物理场模型,进行预应力特征频率分析,仿真验证单个振梁结构参数对灵敏度的影响。在振梁厚度保持恒定的情况下,对仿真结果的数据进行后处理,得到信号功率与振梁长度、宽度的关系。结果表明,相对灵敏度、信号功率随振梁长度、宽度的变化趋势相反。因此,需要根据工艺水平和结构强度等因素,综合考虑AlN谐振器的信号功率和相对灵敏度,对两者进行权衡。仿真分析了优化后AlN DETF谐振器的性能,10 N范围内的灵敏度为56 Hz/N,信号功率为6.810-4 nW,Q值为958。     

音叉受迫振动规律及计算机实时测量

对音叉作受迫振动的规律及音叉振动周期与双臂质量的关系进行了研究,自制了新型的音叉受迫振动与共振实验仪,该仪器不仅可以手工调节做实验,而且可以实现计算机实时测量.