CN104807889A - 一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法 - Google Patents
一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104807889A CN104807889A CN201510187057.1A CN201510187057A CN104807889A CN 104807889 A CN104807889 A CN 104807889A CN 201510187057 A CN201510187057 A CN 201510187057A CN 104807889 A CN104807889 A CN 104807889A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resonance signal
- self
- signal
- excitation
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法，包括以下步骤：使用信号发生器将激发信号输送到激发电极上，膜与所述激发电极平行设置，膜自激共振，产生固有频率为ω的第一共振信号，同时使用载波发生器向所述膜输送频率为ωo的载波信号，与所述第一共振信号发生调制，调制后的信号通过与所述膜平行设置的接收电极输送到信号接收器，然后经解调器获取所述膜的共振信号。通过上述方式，本发明膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法具有接收信号响应快、可处理信号很弱的膜共振信号、测量精度高等优点，在膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法的普及上有着广泛的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及膜材料技术检测领域，特别是涉及一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法。
背景技术
膜材料包含金属、陶瓷、高分子膜，是膜材料中传统而有生命力的材料。它在电子、微电子、信息和光学等领域中的应用日趋广泛。近年来，其应用已从传统的电子器件如电阻、晶体管扩展到太阳能电池、气敏器件、巡航导弹的窗口等。由于膜材料的良好应用前景，如何精确测量它的力学、电学、光学等物理参量已成为这一功能膜材料的研究重点。
在研究膜的力学性质时，首先需要了解它的弹性和阻尼常数。目前常用的测量膜材料弹性和阻尼常数有超声波声速测量法和振动舌簧法：
（1）超声波声速测量法是通过对自持膜（从基体中剥离出来）一端输入超声波脉冲，测定从另一端反射回来的回波，得到脉冲在试样的传输时间，这样得到声速的大小，根据此数据分析计算得到杨氏模量。这种测量需要将膜从基体中剥离，存在技术难且有时不符合膜的实际使用（需要衬底）等缺点；
（2）振动舌簧法通过在固定一端的基片的上方放置两个电极，一个电极提供可以改变频率的静电力，另一个电极构成电容，测量振动振幅，获得振动振幅对频率的变化曲线，最大振幅时的频率即为共振频率，据此计算得到膜的杨氏模量。此法的优点是不需要制成自持膜，能够测定出厚度比声速法低一个量级以上的薄膜，但存在弱振幅信号不灵敏，信噪比低等缺点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法，通过在振动舌簧法的基础上，利用载波技术将共振信号转化成调制信号测量，提高了信噪比，具有抗干扰力强、易于实现、高测量分辨力等特点，同时对所测到的共振信号进行高速数据采集和算法精确处理，能获取膜的阻尼特性参量和探究薄膜的缺陷机理，在膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法的普及上有着广泛的市场前景。
为解决上述技术问题，本发明提供一种膜材料的自激共振信号检测方法，包括以下步骤：
使用信号发生器将激发信号输送到激发电极上，膜与所述激发电极平行设置，膜自激共振，产生固有频率为ω的第一共振信号，同时使用载波发生器向所述膜输送频率为ωo的载波信号，与所述第一共振信号发生调制，调制后的信号通过与所述膜平行设置的接收电极输送到信号接收器，然后经解调器获取所述膜的共振信号。
一种膜材料的自激共振信号处理方法，包括以下步骤：
将共振信号经过滤波放大器进行滤波放大，然后经过模数转换器转换后，将转换的数字信号进行算法处理获得所述膜的弹性和阻尼常数，所述算法处理包括离散傅立叶变换和多参量同步拟合法，所述弹性常数包括由共振频率得到的杨氏模量和切变模量，所述的阻尼常数为内耗。
在本发明一个较佳实施例中，所述接收电极与所述激发电极平行设置且所述膜设置在所述接收电极与所述激发电极之间。
在本发明一个较佳实施例中，所述接收电极与所述膜、所述激发电极与所述膜在垂直于所述膜的方向上的投影分别至少可以截取长度为10mm、宽度为4mm的矩形。
在本发明一个较佳实施例中，所述激发信号通过所述激发电极和所述膜相互作用使所述膜产生所述第一共振信号。
在本发明一个较佳实施例中，所述信号接收器通过所述接收电极和所述膜的位置变化接收所述膜的调制信号。
在本发明一个较佳实施例中，所述载波信号的频率大于所述第一共振信号的固有频率的10倍。
在本发明一个较佳实施例中，所述模数转换器为高速模数转换器。
在本发明一个较佳实施例中，所述多参量同步拟合法是基于重复迭代逐次逼近的多参数插值计算方法，具体内容为：设振动曲线时间函数为 ，其中为待定常数组，分别对应所要拟合的物理参量，通过高速采集卡和离散傅立叶变换分析得到的数据组则可表示为，其中k = 1，2，…，N，其中N是数据点个数，要拟合得到待定常数组值，需满足方程，采用迭代法求解该方程则是通过给定初值C，通过线性化处理求解待定常数增量ΔC的方程，其中i，j的数值为拟定参量的个数，求解增量方程ΔC时为使迭代收敛快，需赋予待定常数组合适的初值B0，比较变量为C0+ΔC的函数平方值与C0的绝对差值，如果大于某一设定值，则赋予C0 = C0+10ΔC或C0 = C0+0.1ΔC，重复上述迭代步骤，直至绝对差值小于设定值。
本发明的有益效果是：本发明膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法具有接收信号响应快、可处理信号很弱的膜共振信号、测量精度高等优点，在膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法的普及上有着广泛的市场前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明膜材料的自激共振信号检测方法一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明膜材料的自激共振信号处理方法一较佳实施例的信号处理流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图2，本发明实施例包括：
一种膜材料的自激共振信号检测方法，包括以下步骤：
使用信号发生器将激发信号输送到激发电极上，膜与所述激发电极平行设置，膜自激共振，产生固有频率为ω的第一共振信号，同时使用载波发生器向所述膜输送频率为ωo的载波信号，与所述第一共振信号发生调制，调制后的信号通过与所述膜平行设置的接收电极输送到信号接收器，然后经解调器获取所述膜的共振信号。
一种膜材料的自激共振信号处理方法，包括以下步骤：
将共振信号经过滤波放大器进行滤波放大，然后经过模数转换器转换后，将转换的数字信号进行算法处理获得所述膜的弹性和阻尼常数，所述算法处理包括离散傅立叶变换和多参量同步拟合法，所述弹性常数包括由共振频率得到的杨氏模量和切变模量，所述的阻尼常数为内耗等。
优选地，所述接收电极与所述激发电极平行设置且所述膜设置在所述接收电极与所述激发电极之间，响应快，测量精度高，所述膜可以是任何工艺制备的固态膜材料，可以是自持厚膜，也可以是附在基体上的薄膜。
优选地，所述接收电极与所述膜、所述激发电极与所述膜在垂直于所述膜的方向上的投影分别至少可以截取长度为10mm、宽度为4mm的矩形。
优选地，所述激发信号通过所述激发电极和所述膜相互作用使所述膜产生所述第一共振信号。
优选地，所述信号接收器通过所述接收电极和所述膜的位置变化接收所述膜的调制信号。
优选地，所述载波信号的频率大于所述第一共振信号的固有频率的10倍，即ωo >>ω，具有信号易解调、抗干扰能力强、信噪比高、精度高等特点。
优选地，所述模数转换器为高速模数转换器。
优选地，所述多参量同步拟合法是基于重复迭代逐次逼近的多参数插值计算方法，具体内容为：设振动曲线时间函数为，其中为待定常数组，分别对应所要拟合的物理参量，通过高速采集卡和离散傅立叶变换分析得到的数据组则可表示为，其中k = 1，2，…，N，其中N是数据点个数，要拟合得到待定常数组值，需满足方程，采用迭代法求解该方程则是通过给定初值C，通过线性化处理求解待定常数增量ΔC的方程，其中i，j的数值为拟定参量的个数，求解增量方程ΔC时为使迭代收敛快，需赋予待定常数组合适的初值B0，比较变量为C0+ΔC的函数平方值与C0的绝对差值，如果大于某一设定值，则赋予C0 = C0+10ΔC或C0 = C0+0.1ΔC，重复上述迭代步骤，直至绝对差值小于设定值。
将长为50mm、宽为4mm和厚度为100um的单晶硅一端固定在导电夹具上，有效长度为40mm，信号发生器发出一个电压叠加信号（200V直流电压和±3V周期正弦信号叠加），使膜发生自激共振，同时载波发生器输送一个频率为2MHz的周期性正弦载波信号，将共振信号转化成调制信号，调制信号由信号接收器接收，经解调器获取膜的共振信号，所测得的共振频率约为122Hz。
本发明膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法的有益效果是：
一、通过在振动舌簧法的基础上，利用载波技术将共振信号转化成调制信号测量，提高了信噪比，具有抗干扰力强、易于实现、高测量分辨力等特点；
二、通过对所测到的共振信号进行高速数据采集和算法精确处理，能获取膜的弹性常数、阻尼特性参量和探究薄膜的缺陷机理。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种膜材料的自激共振信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用信号发生器将激发信号输送到激发电极上，膜与所述激发电极平行设置，膜自激共振，产生固有频率为ω的第一共振信号，同时使用载波发生器向所述膜输送频率为ωo的载波信号，与所述第一共振信号发生调制，调制后的信号通过与所述膜平行设置的接收电极输送到信号接收器，然后经解调器获取所述膜的共振信号。
2.一种膜材料的自激共振信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
将共振信号经过滤波放大器进行滤波放大，然后经过模数转换器转换后，将转换的数字信号进行算法处理获得所述膜的弹性和阻尼常数，所述算法处理包括离散傅立叶变换和多参量同步拟合法，所述弹性常数包括由共振频率得到的杨氏模量和切变模量，所述的阻尼常数为内耗。
3.根据权利要求1所述的膜材料的自激共振信号检测方法，其特征在于，所述接收电极与所述激发电极平行设置且所述膜设置在所述接收电极与所述激发电极之间。
4.根据权利要求1所述的膜材料的自激共振信号检测方法，其特征在于，所述接收电极与所述膜、所述激发电极与所述膜在垂直于所述膜的方向上的投影分别至少可以截取长度为10mm、宽度为4mm的矩形。
5.根据权利要求1所述的膜材料的自激共振信号检测方法，其特征在于，所述激发信号通过所述激发电极和所述膜相互作用使所述膜产生所述第一共振信号。
6.根据权利要求1所述的膜材料的自激共振信号检测方法，其特征在于，所述信号接收器通过所述接收电极和所述膜的位置变化接收所述膜的调制信号。
7.根据权利要求1所述的膜材料的自激共振信号检测方法，其特征在于，所述载波信号的频率大于所述第一共振信号的固有频率的10倍。
8.根据权利要求2所述的膜材料的自激共振信号处理方法，其特征在于，所述模数转换器为高速模数转换器。
9.根据权利要求2所述的膜材料的自激共振信号处理方法，其特征在于，所述多参量同步拟合法是基于重复迭代逐次逼近的多参数插值计算方法，具体内容为：设振动曲线时间函数为 ，其中为待定常数组，分别对应所要拟合的物理参量，通过高速采集卡和离散傅立叶变换分析得到的数据组则可表示为，其中k = 1，2，…，N，其中N是数据点个数，要拟合得到待定常数组值，需满足方程，采用迭代法求解该方程则是通过给定初值C，通过线性化处理求解待定常数增量ΔC的方程，其中i，j的数值为拟定参量的个数，求解增量方程ΔC时为使迭代收敛快，需赋予待定常数组合适的初值B0，比较变量为C0+ΔC的函数平方值与C0的绝对差值，如果大于某一设定值，则赋予C0 = C0+10ΔC或C0 = C0+0.1ΔC，重复上述迭代步骤，直至绝对差值小于设定值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510187057.1A CN104807889A (zh) | 2015-04-20 | 2015-04-20 | 一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510187057.1A CN104807889A (zh) | 2015-04-20 | 2015-04-20 | 一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104807889A true CN104807889A (zh) | 2015-07-29 |
Family
ID=53692897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510187057.1A Pending CN104807889A (zh) | 2015-04-20 | 2015-04-20 | 一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104807889A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005156355A (ja) * | 2003-11-26 | 2005-06-16 | Nec Tokin Corp | ヤング率測定方法及びヤング率測定装置 |
| CN101299033A (zh) * | 2008-06-13 | 2008-11-05 | 南京大学 | 音频内耗自动化测量系统及测量方法 |
| CN102478549A (zh) * | 2010-11-29 | 2012-05-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 倒扭摆内耗仪的测量方法 |
| CN103245727A (zh) * | 2012-02-10 | 2013-08-14 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种微米尺度材料内耗与模量测量装置 |
| CN104034653A (zh) * | 2013-03-06 | 2014-09-10 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法 |
-
2015
- 2015-04-20 CN CN201510187057.1A patent/CN104807889A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005156355A (ja) * | 2003-11-26 | 2005-06-16 | Nec Tokin Corp | ヤング率測定方法及びヤング率測定装置 |
| CN101299033A (zh) * | 2008-06-13 | 2008-11-05 | 南京大学 | 音频内耗自动化测量系统及测量方法 |
| CN102478549A (zh) * | 2010-11-29 | 2012-05-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 倒扭摆内耗仪的测量方法 |
| CN103245727A (zh) * | 2012-02-10 | 2013-08-14 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种微米尺度材料内耗与模量测量装置 |
| CN104034653A (zh) * | 2013-03-06 | 2014-09-10 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 吴玉书: "用弯曲振动静电自激法测试杨氏模量及内耗", 《功能材料》 * |
| 杨震 等: "PJ-I型音频内耗仪", 《江苏冶金》 * |
| 江月松 等: "高阻尼合金音频内耗仪的研制", 《中国矿业大学学报》 * |
| 沈银敖 等: "用静电法测小频率温度系数锁相调频技术", 《仪表材料》 * |
| 谢存毅 等: "用于高Tc超导体通钉扎的静电激发声频内耗仪的研制", 《全国固体内耗与超声衰减学术会议》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8536879B2 (en) | Rotating electric-field sensor | |
| CN102305827B (zh) | 基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统及测试方法 | |
| Hu et al. | A parametrically amplified MEMS rate gyroscope | |
| CN104197923B (zh) | 一种基于载波检出的微电容陀螺信号检测方法 | |
| CN109029409B (zh) | 一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置 | |
| CN107817045B (zh) | 一种磁耦合谐振式频率检测装置及频率检测方法 | |
| CN113490321A (zh) | 多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法及应用 | |
| CN110376438A (zh) | 动力锂电池内阻检测装置及其检测方法 | |
| CN115479595A (zh) | 一种半球谐振陀螺分时复用参数辨识系统及方法 | |
| CN104678126B (zh) | 基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法 | |
| CN104807889A (zh) | 一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法 | |
| CN112964242A (zh) | 一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法 | |
| CN109347455B (zh) | 石墨烯谐振式模数转换器 | |
| CN110987000A (zh) | 一种准确测量激光陀螺零偏磁场灵敏度的方法 | |
| CN102136830B (zh) | 一种用于微机械谐振式器件的升频驱动控制方法 | |
| Wang et al. | Novel full range vacuum pressure sensing technique using free decay of trapezoid micro-cantilever beam deflected by electrostatic force | |
| Preethichandra et al. | SAW sensor network fabricated on a polyvinylidine difluoride (PVDF) substrate for dynamic surface profile sensing | |
| CN103308721B (zh) | 一种惯性检测元件的电容读出电路 | |
| CN108414001B (zh) | 非均匀采样正弦波形失真度的确定方法 | |
| Wang et al. | A novel 2-dimensional electric field sensor based on in-plane micro rotary actuator | |
| Zhang et al. | Comparison study of three readout methods for a capacitive MEMS accelerometer | |
| CN206756751U (zh) | 一种基于弯曲元的岩土工程材料声衰减测量装置 | |
| Petchmaneelumka et al. | Linear range extension for LVDT using analog lookup table | |
| Zhang et al. | A novel scale factor calibration method for a MEMS gyroscope based on virtual coriolis force | |
| Bhagyajyothi et al. | Design and development of advanced lock-in amplifier and its application |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150729 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |