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压电微悬臂梁的动态特性测试

作　者: 姚国良
导　师: 董维杰
学　校: 大连理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 压电微悬臂梁 动态特性测试 LabVIEW
分类号: TP211.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


微机电系统(MEMS)器件尺寸的不断缩小和频率的不断提高给微结构的动态特性测量带来了很大的挑战。而作为一种常用的MEMS器件,压电微悬臂梁的动态特性测试也得到了广泛的关注。动态特性测试可以为结构的优化设计提供依据,本文对压电梁的材料特性和结构特性分别进行了测试,而重点用执行-传感集成法和阻抗分析法对其结构特性进行了测试。在材料特性测试方面,为了判定所测梁的铁电性,本文设计了基于LabVIEW的电滞回线测量系统。该系统具有回线饱和判断功能、可随时将数据保存到计算机中并且可以根据实际参数进行修改,实现了测量系统的灵活性。在结构动态特性测试方面,本文基于机电耦合和机械振动两类方法测量了压电悬臂梁的动态特性。本文主要研究了基于机电耦合的动态特性测试方法。首先采用了本课题组研究的执行-传感集成方法对压电双晶片动态特性进行测量。对双片梁的一片施加激励信号后,通过测量另一压电片感应电荷的变化可表征此压电梁的动态特性。为了测量通用的压电梁,本文在LabVIEW开发平台下设计了基于虚拟仪器的压电梁阻抗分析仪。此系统借助精密电阻Rs和压电梁串联组成的辅助电路,通过提取由Rs分压后压电梁产生的感应电流来计算压电梁的阻抗,最终由阻抗实部得到压电梁的频率特性。基于机械振动的动态特性测试中,本文对基于机电耦合的测量方法中测量的两种压电梁进行了测试。用涡流位移计测得一阶共振频率与执行-传感集成法测量的频率相同；而由激光多普勒振动仪测得的两阶共振频率与阻抗测量法测得的频率相同。最后,为了更加直观的检测压电微悬臂梁的动态特性,本文分析了光学测量方法的基本原理。即当压电微悬臂梁在显微镜下振动时,可根据悬臂梁自由端光斑大小的变化来定性的判定压电微悬臂梁的动态特性。执行-传感集成法适合于具有双层或双片的压电梁动态特性测试。而阻抗分析法可测量任意尺寸和结构的悬臂梁,但此方法只能测量压电梁的模态频率。涡流位移计可直接测量压电梁真实的机械振动幅度,但其只能测量大尺寸悬臂梁。激光多普勒振动仪已比较成熟,它可测量较小尺寸悬臂梁。光学测量法较直观,可测量更小尺寸的压电梁,但是实验条件不易实现。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 课题来源及意义  9
  1.2 微结构动态特性测试的研究现状  9-14
  1.3 本文主要工作  14-15
2 基于LabVIEW的电滞回线测量系统  15-29
  2.1 电滞回线基本理论  15-16
  2.2 电滞回线测量系统介绍  16-26
    2.2.1 测量系统硬件电路  16-18
    2.2.2 测量系统软件编程  18-22
    2.2.3 EXE文件的生成与使用说明  22-26
  2.3 电滞回线测量过程及结果分析  26-28
    2.3.1 电滞回线测量基本步骤  26
    2.3.2 电滞回线测量结果及注意事项  26-28
  2.4 小结  28-29
3 基于机电耦合的压电梁动态特性测试  29-48
  3.1 执行-传感集成方法测量双片梁动态特性  29-41
    3.1.1 压电梁幅频特性计算  29-34
    3.1.2 压电梁感应电荷的计算  34-39
    3.1.3 执行-传感集成实验方法  39-41
  3.2 基于虚拟阻抗分析仪的压电悬臂梁动态特性测试  41-48
    3.2.1 阻抗测量原理  41-43
    3.2.2 阻抗测量方法的实现  43-46
    3.2.3 阻抗测量方法的实验结果与讨论  46-48
4 基于机械振动的压电梁动态特性测试  48-68
  4.1 涡流位移计测量压电悬臂梁振动  48-54
    4.1.1 涡流位移计标定实验  48-51
    4.1.2 涡流位移计对双片悬臂梁的动态测试  51-54
  4.2 激光多普勒振动仪标定压电悬臂梁动态特性  54-60
    4.2.1 激光多普勒振动仪测量原理  54-55
    4.2.2 激光多普勒振动仪标定悬臂梁动态特性实验  55-60
  4.3 光学法测量压电微悬臂梁动态特性  60-68
    4.3.1 原子力显微镜工作模式概述  60-62
    4.3.2 光学法测量理论分析  62-68
结论  68-70
参考文献  70-72
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  72-73
致谢  73-75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 一般自动化元件、部件 > 机电元件、部件
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