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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 相似文献
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用音叉演示声音共鸣的过程是:取两个频率相同的音叉A和B,将它们插在共呜箱上摆放在一起.用橡皮糙敲击音叉A的叉股,使音叉A发声.过一会儿,用手按住音叉A的叉股,使它停止振动,这时音叉A不发声了,却听到音叉B在发声.实际作这个实验时,因音叉选取不当,或操作方法不妥,音叉B发出的声音因响度不够,实验效果很不明显,根据经验,共鸣实验演示成功的关键,应注意以下几点.1.音叉和共鸣箱选取要合理.发生共鸣时,原先不发声的音叉必须从声波中获得足够大的能量,才有较大的响度,共呜声才明显,因此实验时应选用发声功率较大的… 相似文献
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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. 相似文献
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研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、安放角度、探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEPAS)的探测灵敏度影响。测试了国内外十种不同音,结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm-1)时获得更高的灵敏度,探测信号的强度相差高达50%。在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中,发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响,但是当光束以角度φ斜入射时,更多的噪声被带入到测量中。在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响,发现随着污染物的附着,石英音叉的频率会呈现降低的趋势,提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法,为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能,这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。 相似文献
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文中对自制对称正型音叉与自制非对称异型音叉受力F后音叉产生的振动的现象进行了研究,用DIS声传感数字化信息系统采集振动频率,研究频率与音叉叉股长度的关系,从而对音叉叉股对称与非对称的情况进行研究。 相似文献
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N. Petra J. Zweck A. A. Kosterev S. E. Minkoff D. Thomazy 《Applied physics. B, Lasers and optics》2009,94(4):673-680
Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) sensors are based on a recent approach to photoacoustic detection which
employs a quartz tuning fork as an acoustic transducer. These sensors enable detection of trace gases for air quality monitoring,
industrial process control, and medical diagnostics. To detect a trace gas, modulated laser radiation is directed between
the tines of a tuning fork. The optical energy absorbed by the gas results in a periodic thermal expansion which gives rise
to a weak acoustic pressure wave. This pressure wave excites a resonant vibration of the tuning fork thereby generating an
electrical signal via the piezoelectric effect. This paper describes a theoretical model of a QEPAS sensor. By deriving analytical
solutions for the partial differential equations in the model, we obtain a formula for the piezoelectric current in terms
of the optical, mechanical, and electrical parameters of the system. We use the model to calculate the optimal position of
the laser beam with respect to the tuning fork and the phase of the piezoelectric current. We also show that a QEPAS transducer
with a particular 32.8 kHz tuning fork is 2–3 times as sensitive as one with a 4.25 kHz tuning fork. These simulation results
closely match experimental data. 相似文献
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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. 相似文献
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介绍用计算机研究音叉受迫振动时,振幅与驱动力的频率关系,以及音叉双臂质量与共振频率的关系,这种方法与以往用示波器观察的方法相比更加精确和实用。 相似文献
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在大学物理实验教材中常用音叉弦振动形成共振驻波来测量音叉的振动频率,但对其中的"二分频"现象无相关的理论解释,本文在建立与‘‘二分频"现象相似的模型中,用数值计算的方法演示了这一结果. 相似文献
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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。 相似文献
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For the evaluation of two-dimensional carrier profiles in semiconductor devices, we have developed a novel form of probe–sensor combined unit that uses an etched tungsten wire as a conductive probe, and commercially available quartz tuning fork as the force sensor. This unit has a self-sensing capability due to the piezoelectric effect of quartz tuning fork, thus obviating optical setup, and its conductivity is higher and more stable than that of conventional metal-coated Si cantilever. In addition, this probe–sensor combined unit is inexpensive and easy to use, when compared to the well-known optical methods of Si-based cantilever vibration detection system. Our scanning probe microscope using this probe–sensor combined unit is able to mapping the capacitive gradient signal (dC/dZ image) and internal damping of quartz tuning fork oscillation (dissipation image) while scanning the sample surface. In this letter, we show the results of visualization of the p–n junction locus of a Si metal–oxide–semiconductor field effect transistor in both dC/dZ and dissipation images. 相似文献
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设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为1.13×10-6 cm-1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径.
关键词:
石英增强光声光谱
音叉式石英晶振
气体传感 相似文献