CN115200819A - 一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法和装置，与现有的基于锁相环PLL技术的测量方法相比，能够更加全面地掌握样品磁性质，并且在应对悬臂梁品质因子突变时有很好的测量稳定性。本发明的测量方法包括：悬臂梁驱动步骤，其中利用第一频率的驱动信号驱动所述悬臂梁使之振动，之后停止所述驱动信号；自由衰减信号取得步骤，其中响应于所述驱动信号的停止，取得所述悬臂梁的自由端的自由衰减振动信号；和数据处理步骤，其中对取得的所述自由衰减振动信号进行处理，得到所述悬臂梁的共振频率和品质因子。

Description

一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法和装置

技术领域

本发明属于灵敏力探测研究领域，具体涉及悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，更具体而言，涉及同时、实时地测量悬臂梁共振频率和品质因子的方法。

背景技术

基于激光干涉的微悬臂梁(下面简称“悬臂梁”)位移测量是灵敏力探测的重要方法之一，在例如对纳米尺度磁性样品的磁扭矩测量、测量卡西米尔力、磁共振力测量等方面有着重要的应用。

悬臂梁的工作模式包括静态工作模式和动态工作模式。其中，以测量微纳米磁性样品的动态悬臂磁力测量(DCM)为例，使用低弹性系数的纳米悬臂梁，将磁性材料样品固定于悬臂梁的自由端，施加外部磁场使样品受到扭矩作用导致悬臂梁(包括样品在内)的共振频率发生改变，于是，测量不同磁场下悬臂梁共振频率的改变能够反映出样品磁性质。通常，动态悬臂磁力测量方法只测量悬臂梁的共振频率，使用锁相环PLL技术可以实时地测量悬臂梁的共振频率以及其变化。

随着动态悬臂磁力测量方法的发展，人们发现，磁场中因悬臂梁自由端(振动端)样品的磁性而改变的不仅仅是悬臂梁的共振频率，也会影响悬臂梁的品质因子，对于某些样品通过观察悬臂梁品质因子的改变更能反映出磁性质的特点。因此，为了更加全面地掌握样品的磁性质，希望能够在不同磁场下同时测量悬臂梁的共振频率和品质因子。

但是，采用锁相环PLL技术来测量悬臂梁的共振频率时并不能同时获得悬臂梁品质因子的信息，品质因子需要另行测量。此外，当样品的磁性随磁场变化处于不同磁化态、能够显著改变悬臂梁的品质因子(例如品质因子突变)时，采用锁相环PLL技术的测量方法可能会失去锁定效果，使得测量变得极不稳定，甚至被迫停止。

因此，需要发展一套新的测量方法，能够同时、实时地获得悬臂梁的共振频率和品质因子，并且使得测量更加的稳定可靠。

发明内容

发明要解决的技术问题

如上所述，基于动态工作模式悬臂梁的力探测方法，通过测量悬臂梁共振频率的变化来反映样品受力的情况，进而反映样品的磁性质。悬臂梁共振频率的测量目前普遍采用锁相环PLL技术，为便于理解本发明，下面具体说明其基本原理及存在的主要问题。

图1示意性地表示了恒定磁场下悬臂梁的幅度响应曲线和频率响应曲线。图1中(a)表示幅度响应曲线，横轴是由悬臂梁固定端的驱动部(例如压电陶瓷等)对悬臂梁进行驱动的频率，纵轴表示不同驱动频率下悬臂梁自由端的振动幅度。如图1中(a)所示，悬臂梁的频率响应曲线具有一个突出的峰，峰的位置代表悬臂梁共振频率f₀的位置。图1中(b)表示频率响应曲线，横轴同样表示驱动部驱动的频率，纵轴是悬臂梁相位偏移量，是驱动信号与悬臂梁自由端振动信号之间的相位差(相位滞后量)。如图1中(b)所示，悬臂梁的相位响应曲线在共振频率f₀的位置附近，相位偏移量发生0度到180度的变化，90度刚好对应于共振频率f₀，此处曲线斜率最大，相位变化最快。

锁相环PLL技术测量悬臂梁共振频率的方法是通过控制驱动部驱动悬臂梁的驱动频率，来将测量到的悬臂梁相位偏移量锁定在共振频率即90度位置，并且，当例如改变磁场导致悬臂梁的共振频率因样品受力变化而改变时，相应地改变驱动频率来保证测量到的悬臂梁相位偏移量维持90度。

锁相环PLL技术应用于悬臂梁力探测只能测量悬臂梁的共振频率的变化，不能反映出悬臂梁的品质因子的变化。这里，品质因子Q是衡量悬臂梁振动特性的一个指标，其物理含义例如可以表示为Q＝f₀/Δf，其中Δf是共振带宽。于是，对于固定的共振频率f₀，品质因子Q与共振带宽Δf成反比，即，若Q减小则共振带宽Δf增大，共振时的最大振幅减小，而若Q增大则共振带宽Δf减小，共振时的最大振幅增大。此外，当驱动部的驱动停止，悬臂梁发生自由衰减振动时，品质因子Q表征悬臂梁能量耗散的效果，决定了振动信号衰减的快慢。

在锁相环PLL工作时，通过锁相放大器对驱动部输出一定频率的电压信号来驱动悬臂梁振动，同时测量悬臂梁振动的幅值和相位并将其反馈，由此控制锁相放大器输出的幅度和频率来锁定悬臂梁振动的幅度和相位。然而，例如在测量悬臂梁振动端样品的磁性时，随着磁场的变化，磁性样品可能引起悬臂梁品质因子发生剧烈变化，如上所述，这会导致悬臂梁振动幅度的巨大变化，当悬臂梁振动无法维持稳定值时，整个悬臂梁的各项参数的测量都将变得极不稳定，使得测量到的幅度和相位的值产生大的波动，原本锁定的状态可能被破坏，测量被迫停止。

综上，在利用动态工作模式的悬臂梁测量样品磁性质时，若使用锁相环PLL技术测量悬臂梁的共振频率以及其变化，将无法同时测得悬臂梁的品质因子，对于某些样品不能更全面地掌握其磁性质的特点，同时，例如在品质因子突变时还可能出现锁定状态被破坏，测量被迫停止的情况。

对此，本发明提出一种在悬臂梁动态工作模式下能够同时地实时测量悬臂梁的共振频率和品质因子的技术，能够解决现有技术中存在的问题，更全面地掌握样品磁性质，并且在应对悬臂梁品质因子突变时有很好的测量稳定性。

解决问题的技术手段

本发明的第一技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，在动态工作模式下的悬臂梁力测量装置中，实时且同时地测量载置有样品的悬臂梁在施加的当前磁场下的共振频率和品质因子，其包括：悬臂梁驱动步骤，其中利用第一频率的驱动信号驱动所述悬臂梁使之振动，之后停止所述驱动信号；自由衰减信号取得步骤，其中响应于所述驱动信号的停止，取得所述悬臂梁的自由端的自由衰减振动信号；和数据处理步骤，其中对取得的所述自由衰减振动信号进行处理，得到所述悬臂梁的共振频率和品质因子，在所述数据处理步骤中，通过对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换后求取峰值位置来得到所述共振频率，并且，对所述自由衰减振动信号取外包络线并对所述外包络线进行拟合来求取所述品质因子。

本发明的第二技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其中在第一技术方案中，在所述悬臂梁驱动步骤中，先扫频测量所述悬臂梁的频谱来得到扫频共振频率，使用所述扫频共振频率作为所述第一频率。

本发明的第三技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其中在第一技术方案中，所述悬臂梁力测量装置依次施加不同的多个磁场，在当前的磁场是第一个施加的磁场的情况下，在所述悬臂梁驱动步骤中，先扫频测量所述悬臂梁的频谱来得到扫频共振频率，使用所述扫频共振频率作为所述第一频率，在当前的磁场不是第一个施加的磁场的情况下，在所述悬臂梁驱动步骤中，使用上一个施加的磁场下的所述数据处理步骤中得到的所述共振频率作为所述第一频率。

本发明的第四技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其中在第一～三之任一技术方案中，在所述数据处理步骤中，对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换，并对得到的频谱曲线利用下式的洛伦兹线型进行拟合，使用拟合得到的x值作为所述共振频率，

式中a、b、c是拟合参数，y(f)表示频谱曲线共振峰的幅度随频率的变化。

本发明的第五技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其中在第四技术方案中，在所述数据处理步骤中，对所述外包络线利用下式进行拟合，使用拟合得到的Q值作为所述品质因子，

式中，U(t)是悬臂梁振幅随时间衰减的量，U₀是衰减开始时的初始值，ω是求得的所述共振频率。

本发明的第六技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其中在第一～三之任一技术方案中，在所述悬臂梁驱动步骤中，在停止所述驱动信号后经过一段时间所述悬臂梁停止振动后，再次利用所述第一频率的所述驱动信号驱动所述悬臂梁，由此使所述悬臂梁反复多次驱动和停止，在所述自由衰减信号取得步骤中取得多个所述自由衰减振动信号，在所述数据处理步骤中，对多个所述自由衰减振动信号取平均后进行后续处理。

本发明的第七技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其中在第一～三之任一技术方案中，通过对所述自由衰减振动信号取正并求平均平滑曲线的方法，得到所述外包络线。

本发明的第八技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置，其设置在动态工作模式下的悬臂梁力测量装置中，实时且同时地测量载置有样品的悬臂梁在施加的当前磁场下的共振频率和品质因子，其包括：驱动信号输出部，其对所述悬臂梁力测量装置的驱动部输出第一频率的驱动信号，驱动所述悬臂梁使之振动，之后停止输出所述驱动信号；自由衰减信号取得部，其响应于所述驱动信号的停止，取得所述悬臂梁的自由端的自由衰减振动信号；和控制部，其对所述自由衰减信号取得部取得的所述自由衰减振动信号进行处理，得到所述悬臂梁的共振频率和品质因子，其中，所述控制部通过对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换后求取峰值位置来得到所述共振频率，并且，对所述自由衰减振动信号取外包络线并对所述外包络线进行拟合来求取所述品质因子。

本发明的第九技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置，其中在第八技术方案中，所述控制部对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换，并对得到的频谱曲线利用下式的洛伦兹线型进行拟合，使用拟合得到的x值作为求得的共振频率，

式中a、b、c是拟合参数，y(f)表示频域下共振峰的幅度随频率的变化。

本发明的第十技术方案是一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置，其中在第八技术方案中，所述控制部对所述外包络线利用下式进行拟合，使用拟合得到的Q值作为求得的品质因子，

式中，U(t)是悬臂梁振幅随时间衰减的量，U₀是衰减开始时的初始值，ω是求得的所述共振频率。

发明效果

采用本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，通过测量悬臂梁的自由衰减振动信号，能够同时获得悬臂梁共振频率和品质因子的信息。而且，由于不需要使用反馈控制回路，在测量稳定性上得到了极大的保证。

附图说明

图1是悬臂梁的幅度响应曲线和频率响应曲线示意图。

图2是表示悬臂梁力测量装置的主要部分示意图。

图3是表示动态工作模式下的悬臂梁力测量装置的大致测量流程的图。

图4是表示本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法的流程图。

图5是表示本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置的模块结构的框图。

图6是实施例1中悬臂梁驱动和数据采集的序列图。

图7是实施例1中数据处理获得悬臂梁共振频率和品质因子的程序框图。

图8是实施例1实际测得的悬臂梁的自由衰减振动信号。

图9是实施例2测量MnSi磁性材料时悬臂梁共振频率随外加磁场的变化。

图10是实施例2测量MnSi磁性材料时悬臂梁品质因子随外加磁场的变化。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

以下实施方式中，在提及要素的数字等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明确说明的情况和从原理上明显限定为特定数字的情况之外，并不限定于该特定数字，可为特定数字以上或以下。

另外，在以下的实施方式中，其结构要素(包括步骤要素等)除了特别明确说明的情况和从原理上明显理解为是必须的情况之外，都不一定是必须的，并且也可以包括说明书中未明确提及的要素，这无需明言。

同样地，在以下的实施方式中，在提及结构要素等的材料、形状、位置关系等时，除了特别明确说明的情况和从原理上明显地理解为并不可行的情况之外，包括实质上与其形状等近似或类似的要素。这对于上述数值和范围也同样。

此外，附图中表示的均为示例，其中的各部件的相对大小关系、各部件的组成部分的比例关系不受图中示例限定。在部分图的说明中使用了“左”、“右”等方位用语，它们可以根据具体实施情况而相应改变。

本说明书中描述的实施方式仅为一个完整描述的示例，并不限定本发明的保护范围，基于本发明的实施方式，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下能够获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

[悬臂梁力测量装置]

本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法能够应用于动态工作模式的悬臂梁力测量装置。首先对该悬臂梁力测量装置进行概略性说明。

图2是表示悬臂梁力测量装置200的主要部分示意图。

如图2所示，悬臂梁力测量装置200包括纳米悬臂梁(下文简称“悬臂梁”)201、驱动部202、干涉光学系统203、激光光源204、探测部205、采集部206和运算控制系统207，图中各部分之间的实线连线表示电连接，点划线连线表示光学连接(光路)。

悬臂梁201例如可以是通过蚀刻工艺制备的硅基悬臂梁，形状可以为常见的任意形状，例如矩形、T形、U形、三角梁等。在采用光学干涉测量自由端振动位移的情况下，为了增大反射面积优选构成为T形。悬臂梁201的固定端(图中右端)被固定于例如由压电陶瓷等构成的驱动部202上，自由端(图中左端)上转移了磁性样品210，并且自由端形成有光反射面用于反射来自光学系统的入射光(后述)。

悬臂梁201和驱动部202位于可抽真空的腔室209内，工作时对该腔室209内施加各种磁场，磁性样品210受到磁场作用改变悬臂梁201的共振频率f₀，同时也会改变悬臂梁201的品质因子Q。

干涉光学系统203测量悬臂梁201自由端的位移，其使用激光光源204发出的激光作为光源，将干涉光路中的一路光引向悬臂梁201的自由端，光在自由端反射后耦合回干涉光学系统203，与干涉光路中另一路光干涉得到干涉光，干涉光被光电探测器构成的探测部205探测。探测部205探测到的信号经过由数据采集卡构成的采集部206输入到运算控制系统207。

运算控制系统207具有信号运算/处理功能、信号生成功能以及数据输出/存储功能。例如，能够接收用户的设定而通过内置的例如信号发生器等向驱动部输出规定频率的电压信号，使驱动部202振动从而驱动悬臂梁201振动，并且能够基于输入的信号和设定的参数等进行计算，输出/存储计算出的各种参数或者进一步对参数整理后输出可视化的表、曲线等。作为一种变形，还可以将采集部206的功能集成到运算控制系统207。当然，运算控制系统207也可以集成了磁场的施加、控制功能，但由于与本发明没有直接关联，故省去说明。运算控制系统207可以由连接了信号发生器的通用计算机实现，但本发明对此没有限定。

在采用现有技术的锁相环PLL技术测量悬臂梁共振频率的情况下，运算控制系统207能够根据探测部205对干涉光的探测结果计算悬臂梁自由端的位移随时间的变化，即悬臂梁振动信号，进而求取其频率、相位，并通过反馈控制，调整向驱动部202输出的电压信号的频率，保证测量到的悬臂梁相位偏移量维持90度。

而在应用了本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法的情况下，如后文所述，运算控制系统207能够根据探测部205对干涉光的探测结果得到悬臂梁自由衰减振动信号，并进一步求取悬臂梁201的共振频率f₀和品质因子Q(后述)。

接着说明悬臂梁力测量装置200的大致测量流程。

本发明的测量方法应用于动态工作模式下的悬臂梁力测量装置200，图3是表示动态工作模式下的悬臂梁力测量装置200的大致测量流程的图。

其中，在步骤S301中将样品210转移到悬臂梁201的自由端并将腔室209抽真空，接着在步骤S302中对运算控制系统207设定要施加的磁场。

在测量样品磁性质时，需要测量悬臂梁的共振频率随磁场的变化，所以需要不断地改变磁场并在每次改变磁场后测量共振频率。因此，需要根据待测量样品，按规定的磁场大小步幅和/或方向步幅等设定多个要施加的磁场B₁～B_n。在步骤S302第一次被执行时，设定的是第一个要施加的磁场B₁。

然后，在步骤S303中施加所设定的磁场。接着，在步骤S304中测量共振频率，这里，可以利用现有技术的锁相环PLL技术得到共振频率，或者也可以利用本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法一并得到共振频率和品质因子。然后，在步骤S305中通过运算控制系统207判断是否需要切换到下一个磁场继续测量，在判断为是的情况下，返回步骤S302设定下一个要施加的磁场。在步骤S305中判断为不需要切换到下一个磁场时，视作所有磁场都已完成测量，测量流程结束，于是在步骤S306中通过运算控制系统207输出多个磁场的测量结果。

如上所述，本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法应用于图3中的步骤S304，或者也可以说，其应用于悬臂梁力测量装置200的运算控制系统207。下面进行详细说明。

[悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法]

图4是表示本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法的流程图，该流程对应于上述步骤S304，在图3的悬臂梁力测量装置200的大致测量流程中，对所施加的每一种磁场均执行一次。

发明人研究发现，根据悬臂梁的自由衰减振动信号能够一次性地、同时地计算出悬臂梁的共振频率和品质因子。于是，在本发明中，取得悬臂梁自由衰减振动信号来计算悬臂梁的共振频率和品质因子，由此与现有技术相比，既能够更加全面地掌握样品磁性质的特点，又能够提高测量稳定性。

如图4所示，本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法大致包括三个步骤：悬臂梁驱动步骤S401，其中驱动悬臂梁以较大幅度振动，一段时间后停止悬臂梁驱动；自由衰减信号取得步骤S402，其中取得悬臂梁自由端的自由衰减振动信号；和数据处理步骤S403，其中对取得的自由衰减振动信号进行处理，得到悬臂梁共振频率和品质因子。

(步骤S401)

具体而言，在悬臂梁驱动步骤S401中，从运算控制系统207中的例如信号发生器，基于规定的触发信号向驱动部202输出规定频率(第一频率)的驱动信号使驱动部202(即压电陶瓷)振动从而驱动悬臂梁201振动。

作为驱动信号例如可以是但不限于电压信号，其满足的条件是能够使悬臂梁201以较大的振幅振动以便于后续测量。因此，驱动信号的频率优选处于悬臂梁当前的共振频率f₀附近，例如处于共振带宽Δf内。

为此，例如在当前的磁场是前述步骤S302所述的第一个施加的磁场的情况下，由于此时完全未掌握关于悬臂梁共振频率的信息，因此在该悬臂梁驱动步骤S401中，优选在正式驱动悬臂梁之前，先粗略地扫频测量悬臂梁的频谱来确定其当前共振频率的大概位置。扫频的结果取决于频率扫描的分辨率等，是较为粗略的结果，本说明书中将该大概位置处的频率称作“扫频共振频率”。

接着，使用扫频共振频率作为正式驱动时的驱动信号的频率，能够能将悬臂梁容易地驱动起来并使其以较大的振幅振动。

然后，经过一定时间的振动(保证悬臂梁已经振动起来)后停止输出驱动信号。

(步骤S402)

在自由衰减信号取得步骤S402中，响应于驱动信号的停止，取得悬臂梁因不再受驱动而进行自由衰减振动时的自由衰减振动信号。

停止输出后，驱动信号立刻减小到零，驱动部202(压电陶瓷)停止振动，但悬臂梁201的振动并不会立刻停止，而是发生自由衰减振动逐渐衰减到零。衰减过程中的振动频率就是悬臂梁201在当前磁场下的共振频率f₀，而振动幅度随时间衰减的曲线则与品质因子Q相关。

在停止输出驱动信号后，紧接着取得采集部206采集到的由探测部205探测干涉光学系统203输出的干涉光而得到的信号，即，取得采集到的自由衰减振动信号，在运算控制系统207中等待下一步处理。这里，采集到的信号是一定期间长度的信号，优选从开始停止输出驱动信号起一直采集至悬臂梁201停止振动为止。当然，也可以持续不间断地始终采集信号，并由运算控制系统207从中选取适当期间(例如，停驱后一定期间)的能够表征悬臂梁201衰减过程的信号作为自由衰减振动信号。

此外，在步骤S401中，驱动信号可以重复地输出和停止。即，先输出驱动信号使悬臂梁振动，之后停止输出，待悬臂梁停止振动后再次输出驱动信号，由此反复使悬臂梁发生自由衰减振动。该情况下，步骤S402能够取得多个周期的自由衰减振动信号。

(步骤S403)

然后，在运算控制系统207中对步骤S402采集到的自由衰减振动信号进行处理，一并得到悬臂梁的共振频率f₀和品质因子Q。

详细而言，由于悬臂梁自由衰减振动的过程中的振动频率就是悬臂梁在当前磁场下的共振频率f₀，所以通过对自由衰减振动信号进行傅里叶变换，在频谱上出现的峰值的位置就能够认为是共振频率f₀。

即，可以通过对自由衰减振动信号进行傅里叶变换来求得共振频率f₀。

不过，为了更高的精确度，在对傅里叶变换得到的频谱中求取共振频率位置时，可以进一步利用洛伦兹线型对频谱曲线进行拟合，如公式(1)所示，拟合得到的x值就是更加精确的共振频率f₀。

式中a、b、c是拟合参数，y(f)表示频域下共振峰的幅度随频率的变化。

此外，自由衰减振动信号的外包络线与品质因子Q之间存在如公式(2)所示的关系。

式中，U(t)是悬臂梁振幅随时间衰减的量，U₀是衰减开始时的初始值，ω是作为常数的振动频率，也即前述得到的共振频率f₀。

品质因子Q反映的是信号衰减的快慢，通过拟合公式2就可以得到品质因子Q的数值。自由衰减振动信号的包络线可以通过信号取正，求平均平滑曲线的方法获得。

另外，在步骤S401重复地输出和停止驱动信号，且步骤S402取得了多个周期的自由衰减振动信号的情况下，在该步骤S403中，对多个自由衰减振动信号取平均后进行上述处理。

于是，通过上述步骤S401～S403一次性地、同时地求得了当前磁场下的悬臂梁共振频率f₀和品质因子Q。

上面说明的是当前磁场为第一个施加的磁场B₁的情况下，测量悬臂梁共振频率f₀和品质因子Q的流程。

在当前磁场是第i个施加的磁场B_i的情况下，由于在前一个磁场B_i-1下已经测得了当时的共振频率f₀，因此作为优选的方式，在步骤S401中能够使用前一个磁场B_i-1下测得的共振频率f₀进行驱动。磁场B_i-1和B_i下的悬臂梁共振频率是不同的，不过，为了测得精确的样品磁性质曲线，磁场B_i-1和B_i的区别较小，因此两种磁场下的共振频率较为接近，即使用磁场B_i-1下测得的共振频率进行驱动，也能够以非常低的驱动电压来使悬臂梁大幅振动，获得较好的驱动效果。

当然，上述只是优选的方式，也可以不采用该方式而是与磁场B₁时同样地通过扫频得到扫频共振频率，这同样包含在本发明的范围内。

根据本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，由于只需要测量悬臂梁的自由衰减振动信号并通过简单的拟合运算就能够同时得到共振频率和品质因子这两个参数，具有操作简单、软硬件成本低的优点，并且，除了得到共振频率外还同时得到品质因子，能够更加全面地反映样品的磁性质的特点。

进一步地，与基于锁相环PLL技术测量共振频率不同，本发明的测量方法不需要通过反馈控制去锁定悬臂梁振动的相位和幅值。众所周知，悬臂梁对振动非常敏感，外界地板振动、声音振动、比如所用的磁体的制冷机的振动，都可引起悬臂梁不必要的振动。当这样的干扰影响到信号稳定性时，锁相环的锁定容易失效。而采用本发明的测量方法则可以稳定地运行，不会出现被迫中断测量的情况。

[悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置]

接着，对本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置进行说明。

如上所述，本发明的测量方法可以说是应用于悬臂梁力测量装置200的运算控制系统207，于是，应用了该测量方法的运算控制系统207实质上构成了本发明的测量装置。

图5是表示本发明的悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置500的模块结构的框图。

如图5所示，测量装置500包括驱动信号输出部501、控制部502和自由衰减信号取得部503。

控制部502对驱动信号输出部501和自由衰减信号取得部503进行控制，并且从自由衰减信号取得部503取得信号进行运算，此外能够将运算结果输出给外部的用户，也能够从用户处接受用户设定以及参数等。

具体而言，驱动信号输出部501与驱动部202连接，在控制部502的控制下对驱动部202输出驱动信号，驱动悬臂梁以较大幅度振动，一段时间后停止从驱动信号输出部501输出驱动信号。响应于驱动信号停止输出，自由衰减信号取得部503在控制部502的控制下从采集部206取得悬臂梁自由端的自由衰减振动信号，并将其输出给控制部502。控制部502对从自由衰减信号取得部503得到的自由衰减振动信号进行处理，得到悬臂梁共振频率和品质因子。

驱动信号输出部501、自由衰减信号取得部503以及控制部502中进行的处理细节，实质上与上述步骤S401～S403对应，此处不再赘述。

另外，图5以硬件模块的形式表现了本发明的测量装置500，但这只是将测量装置的功能提炼得到的模块，其既可以是硬件电路组合实现的，也可以是存储在计算机可读介质中的软件程序，只要能够在处理器的运行下执行前述测量方法即可。

接下来说明实施例。

实施例1

在本实施例1中，使用光纤干涉测距法测量悬臂梁位移，即，上述图2的干涉光学系统203包括光纤耦合器、光纤、透镜等，将来自激光光源204的激光通过光纤向悬臂梁自由端引出，并将反射光耦合回光纤。

采集部206使用美国国家仪器公司的NI-6221型数据采集卡。在运算控制系统207中，数据的处理通过Labview程序执行，驱动信号源使用安捷伦的33500B波形发生器。

本实施例采用触发方式产生驱动信号和进行数据采集，触发序列如图6所示，设置33500B波形发生器的输出在方波上升沿进行触发输出，设置NI-6221采集信号在方波下降沿进行数据采集，用于触发驱动和采集的方波则是由NI-6221的输出提供。

图7表示采用Labview编写的数据处理程序，对应于上述步骤S403。将采集到的自由衰减振动信号分上下两路并行处理，在上路中，对信号进行傅里叶变换后采用洛伦兹线型的公式(1)拟合，得到共振频率f₀的大小并输出给下路。在下路中，对信号取正，然后对5个周期内的点进行求平均可得到衰减的包络线，然后一并使用上路输出的共振频率f₀用公式(2)进行拟合，得到品质因子Q的大小。

图8表示实施例1中特定磁场下实际采集到的悬臂梁自由衰减振动信号。对该信号经过数据处理，得到共振频率为3974.56Hz，品质因子为7582.97。

实施例2

利用实施例1的装置，对MnSi磁性样品进行了磁化测量，获得了悬臂梁的共振频率和品质因子随磁场变化的特性。

如图9和10所示，共振频率和品质因子的变化都反映了磁性样品的磁化特性。随外磁场的增加，共振频率和品质因子的变化都反映了MnSi样品对应的磁化态，而品质因子对应磁化态的变化显得更为精细和明显。

具体而言，随磁场的增大，MnSi所处的磁化态分别为螺旋态、锥形态和铁磁态。其中锥形态中会出现斯格明态，而根据测量结果，锥形态对悬臂梁的损耗明显高于其它磁化态，对应的悬臂梁Q值低。在图10中，磁场为0时MnSi处于螺旋态，随着磁场的增加，变为锥形态，Q值明显减小，当在锥形态中出现斯格明态时Q值有所增加，当斯格明态消失，又变回锥形态，Q值变小，最后随着磁场大到一定程度，进入铁磁态，Q值变大。据此可知，基于悬臂梁品质因子的变化能够更加细致地分析和掌握样品磁性质。

于是，通过采用本发明的共振频率和品质因子的测量方法，能够简单地、稳定地测量悬臂梁的共振频率且一并测量品质因子，能够更加全面、细致地掌握关于样品的磁性质的特点。

上面对本发明的各实施方式和各实施例进行了简单说明，应当认识到，本发明不限于上述说明，可以有各种变化。

工业利用性

本发明能够应用于测量样品磁性质的悬臂梁力测量装置，尤其适用于动态工作模式下测量样品磁性质。

Claims (10)

1.一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，在动态工作模式下的悬臂梁力测量装置中，实时且同时地测量载置有样品的悬臂梁在施加的当前磁场下的共振频率和品质因子，其特征在于，包括：

悬臂梁驱动步骤，其中利用第一频率的驱动信号驱动所述悬臂梁使之振动，之后停止所述驱动信号；

自由衰减信号取得步骤，其中响应于所述驱动信号的停止，取得所述悬臂梁的自由端的自由衰减振动信号；和

数据处理步骤，其中对取得的所述自由衰减振动信号进行处理，得到所述悬臂梁的共振频率和品质因子，

在所述数据处理步骤中，通过对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换后求取峰值位置来得到所述共振频率，并且，对所述自由衰减振动信号取外包络线并对所述外包络线进行拟合来求取所述品质因子。

2.如权利要求1所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其特征在于：

在所述悬臂梁驱动步骤中，先扫频测量所述悬臂梁的频谱来得到扫频共振频率，使用所述扫频共振频率作为所述第一频率。

3.如权利要求1所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其特征在于：

所述悬臂梁力测量装置依次施加不同的多个磁场，

在当前的磁场是第一个施加的磁场的情况下，在所述悬臂梁驱动步骤中，先扫频测量所述悬臂梁的频谱来得到扫频共振频率，使用所述扫频共振频率作为所述第一频率，

在当前的磁场不是第一个施加的磁场的情况下，在所述悬臂梁驱动步骤中，使用上一个施加的磁场下的所述数据处理步骤中得到的所述共振频率作为所述第一频率。

4.如权利要求1～3中任一项所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其特征在于：

在所述数据处理步骤中，对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换，并对得到的频谱曲线利用下式的洛伦兹线型进行拟合，使用拟合得到的x值作为所述共振频率，

式中a、b、c是拟合参数，y(f)表示频谱曲线共振峰的幅度随频率的变化。

5.如权利要求4所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其特征在于：

在所述数据处理步骤中，对所述外包络线利用下式进行拟合，使用拟合得到的Q值作为所述品质因子，

式中，U(t)是悬臂梁振幅随时间衰减的量，U₀是衰减开始时的初始值，ω是求得的所述共振频率。

6.如权利要求1～3中任一项所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其特征在于：

在所述悬臂梁驱动步骤中，在停止所述驱动信号后经过一段时间所述悬臂梁停止振动后，再次利用所述第一频率的所述驱动信号驱动所述悬臂梁，由此使所述悬臂梁反复多次驱动和停止，

在所述自由衰减信号取得步骤中取得多个所述自由衰减振动信号，

在所述数据处理步骤中，对多个所述自由衰减振动信号取平均后进行后续处理。

7.如权利要求1～3中任一项所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法，其特征在于：

通过对所述自由衰减振动信号取正并求平均平滑曲线的方法，得到所述外包络线。

8.一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置，其设置在动态工作模式下的悬臂梁力测量装置中，实时且同时地测量载置有样品的悬臂梁在施加的当前磁场下的共振频率和品质因子，其特征在于，包括：

驱动信号输出部，其对所述悬臂梁力测量装置的驱动部输出第一频率的驱动信号，驱动所述悬臂梁使之振动，之后停止输出所述驱动信号；

自由衰减信号取得部，其响应于所述驱动信号的停止，取得所述悬臂梁的自由端的自由衰减振动信号；和

控制部，其对所述自由衰减信号取得部取得的所述自由衰减振动信号进行处理，得到所述悬臂梁的共振频率和品质因子，

其中，所述控制部通过对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换后求取峰值位置来得到所述共振频率，并且，对所述自由衰减振动信号取外包络线并对所述外包络线进行拟合来求取所述品质因子。

9.如权利要求8所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置，其特征在于：

所述控制部对所述自由衰减振动信号进行傅里叶变换，并对得到的频谱曲线利用下式的洛伦兹线型进行拟合，使用拟合得到的x值作为求得的共振频率，

式中a、b、c是拟合参数，y(f)表示频域下共振峰的幅度随频率的变化。

10.如权利要求9所述的悬臂梁共振频率和品质因子的测量装置，其特征在于：

所述控制部对所述外包络线利用下式进行拟合，使用拟合得到的Q值作为求得的品质因子，

式中，U(t)是悬臂梁振幅随时间衰减的量，U₀是衰减开始时的初始值，ω是求得的所述共振频率。

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