谐振式微加速度计驱动和检测结构设计及制作

基于谐振式加速度计的工作原理和结构特点,设计了一种新型微加速度计谐振器,用解析法和有限元法计算了谐振器的横向驱动力以及其处于谐振状态时的检测电容值。综合粘性阻尼、运动阻尼和气膜阻尼,分析了谐振器在大气环境下的阻尼和品质因子。应用MEMS(microelectromechanical system)工艺,完成了微加速度计谐振器的制作。测试结果表明:谐振器性能良好,谐振频率为54523.5 Hz,与设计的理论值误差约为13.6%。     

硅微机械悬臂梁谐振器的电热激励及光纤拾振技术的研究

用理论分析方法研究了硅微悬臂梁的电热激振机理，得到了微机械悬臂梁电热激励下的温度场分布，并推导出了镀膜双层硅微悬臂梁的电热激励热力矩。利用硅微机械加工工艺制作了双层结构硅微悬臂梁谐振器，通过在硅微悬臂梁上制作的热激励电阻，用电热方法对硅微谐振器实现了激振。设计了光纤传感检测系统用于硅微谐振器微弱谐振信号的拾取，并成功检测到了硅微谐振器的前3阶谐振信号。     

热激励微梁谐振器的温度分布和谐振振幅

对热激励微梁谐振器的结构进行了合理的简化，用解析方法求出了交变热源激励的微悬臂梁和微桥谐振器的温度分布：在激励点附近，交变温度的幅度最大；远离激励点时，幅度趋于0。其于该温度分布，推导出了在“热膨胀效应”作用下微桥谐振器的谐振振幅。该计算方法利用振型函数来计算谐振时桥长度的伸长量，并考虑了内应力对振幅的影响。     

微梁谐振器中的空气阻尼

为了研究空气阻尼对谐振器工作性能的影响,基于Euler-Bernoulli假设、梁弯曲振动理论和气体阻尼理论,建立了考虑气体阻尼的梁振动方程,结合边界条件对方程进行了求解,得到了两种不同情况下气体阻尼对微梁谐振器的谐振频率和品质因子的影响.通过两种阻尼对谐振器影响的比较分析,指出在梁形状保持不变(长宽比和高宽比不变)情况下,微梁谐振器存在一个临界压膜厚度,此临界厚度可为器件的设计提供参考.     

真空中揩振微梁的品质因数

考虑到谐振微梁振动时,撞击在微梁两侧的分子数目和分子速率分布的差异,对Ｋａｄａｒ等人提出的撞击微梁的分子速率分布函数做了修正。利用修正后的模型,对真空中运动微梁的品质因数进行了理论分析。结果表明,修正后的理论值比原理论值与实验值符合得更好,对于谐振微梁结构参数的优化设计具有一定的指导意义。同时,在高真空区域,考虑了谐振梁本征阻尼与分子碰撞耦合效应,消除了原有处理方法在该区域出现的折点。     

真空中谐振微梁的品质因数

考虑到谐振微梁振动时,撞击在微梁两侧的分子数目和分子速率分布的差异,对Ｋａｄａｒ等人提出的撞击微梁的分子速率分布函数做了修正．利用修正后的模型,对真空中运动微梁的品质因数进行了理论分析．结果表明,修正后的理论值比原理论值与实验值符合得更好,对于谐振微梁结构参数的优化设计具有一定的指导意义．同时,在高真空区域,考虑了谐振微梁本征阻尼与分子碰撞耦合效应,消除了原有处理方法在该区域出现的折点．     

用一维Mason模型模拟薄膜体声波谐振器研究

采用一维Mason模型,研究体声波谐振器的频率特性,探讨压电薄膜AlN和上电极膜厚对谐振频率的影响,研究谐振区域的面积和声能在衬底中的损耗对品质因数的影响.     

品质因数调控技术提高AFM横向分辨力的研究

液体中轻敲模式下微悬臂梁的低品质因数会限制原子力显微镜的力灵敏度和成像分辨率，品质因数调控技术可以提高品质因数．在分析品质因数调控技术机理的基础上，分别在一般轻敲模式下和有品质因数调控电路支持的轻敲模式下，利用琼脂糖凝胶作为样品，测得力曲线．分析比较这2种情况下的曲线，表明在无品质因数调控时，微悬臂梁的驱动信号的振幅是恒定的，而在有品质因数调控时，微悬臂梁驱动电压随着针尖样品间距的减小而衰减，从而导致针尖一样品间的相互作用力减小，横向分辨力提高．为了验证该分析结果，检测了液体中的蛋白质分子．在有品质因数调控时，很容易获得清晰的蛋白质分子图像，由此证明了上述结论．     

双端音叉式硅微谐振器的电修调

双端音叉式硅微谐振器在制造过程中的误差会造成两根振梁谐振频率存在差异,这种差异严重降低了双端音叉式硅微谐振器的品质因数,进而造成传感器精度降低等问题。该文利用电容式传感器存在静电负刚度效应的原理,采用改变直流预载电压的电调整方法对振梁的刚度进行修调,从而精确地将两根振梁的谐振频率调整到一致。对这种方法进行了试验验证,试验结果验证了这种电修调的可行性。电修调可以有效提高双端音叉硅微谐振器的品质因数。     

关于谐振腔品质因数的数值计算

本文讨论如何采用数值方法计算谐振腔的有载品质因数。讨论了谐振腔损耗电阻对输入阻抗谐振曲线的影响。利用所得结果 ,在采用数值方法计算谐振腔的有载品质因数的时候 ,可以用腔体的介质损耗代替导体表面损耗计算谐振腔的有载品质因数     

Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid

Nanomechanical resonators enable the measurement of mass with extraordinary sensitivity. Previously, samples as light as 7 zeptograms (1 zg = 10(-21) g) have been weighed in vacuum, and proton-level resolution seems to be within reach. Resolving small mass changes requires the resonator to be light and to ring at a very pure tone-that is, with a high quality factor. In solution, viscosity severely degrades both of these characteristics, thus preventing many applications in nanotechnology and the life sciences where fluid is required. Although the resonant structure can be designed to minimize viscous loss, resolution is still substantially degraded when compared to measurements made in air or vacuum. An entirely different approach eliminates viscous damping by placing the solution inside a hollow resonator that is surrounded by vacuum. Here we demonstrate that suspended microchannel resonators can weigh single nanoparticles, single bacterial cells and sub-monolayers of adsorbed proteins in water with sub-femtogram resolution (1 Hz bandwidth). Central to these results is our observation that viscous loss due to the fluid is negligible compared to the intrinsic damping of our silicon crystal resonator. The combination of the low resonator mass (100 ng) and high quality factor (15,000) enables an improvement in mass resolution of six orders of magnitude over a high-end commercial quartz crystal microbalance. This gives access to intriguing applications, such as mass-based flow cytometry, the direct detection of pathogens, or the non-optical sizing and mass density measurement of colloidal particles.     

扭摆法测刚体转动惯量中空气阻尼的数值模拟

在测定刚体转动惯量实验中,将空气的阻尼分为粘性阻尼和压差阻尼,在似设粘性阻尼与速度成正比的情况下得到了非线性动力学方程．数值模拟结果娃示,强度不同的两种阻尼对刚体转动周期的影响有别．在综合研究的基础上,给出实验中能够减小空气阻尼引起误差的操作事项,对实验过程具有指导意义．     

垫高层开槽宽度对带槽垫高阻尼结构减振性能的影响

通过单点锤击试验研究了带槽垫高阻尼结构的传递函数曲线和倍频程谱等特性。探讨了垫高层开槽宽度对结构的单位力振动响应、复合损耗因子以及振动总极值等阻尼性能的影响规律。结果表明:当垫高层开槽宽度从10 mm增至30 mm,垫高结构的单位力振动响应和振动总极值先升高后降低,复合损耗因子先降低后升高。另外,开槽宽度30 mm时,结构单位力振动响应为3. 60 m/(s~2·N),总极值仅为124. 81 d B,损耗因子为0. 139 8。因此,在10～30 mm范围内,垫高层开槽宽度30 mm最为理想。     

Experimental study on barrel viscous dampers and pipe hoops in pipeline vibration reduction

The centrifugal air compressor outlet pipeline vibration was not decreased after barrel viscous dampers were installed in a petrochemical plant in Tianjin.A pipeline-damper experiment apparatus was built for studying the influence factors of the barrel viscous damper and pipe hoop in pipeline vibration reduction.The performance of the damper under different frequency and amplitude was researched respectively,the results showed that damping effect dependsed mainly on frequency and was not related to amplitude.Damper will fail when its vibration frequency exceeds its limit working frequency which was 40Hz in test.The mechanical properties and energy dissipation were analyzed by using the Maxwell model,which explains experimental results well.According to damping effect and calculation of stiffness with ANSYS in different hoop width,hoop stiffness should match pipe stiffness and keep uniform along transfer path.Damping effect will get worse when local stiffness is too small or too large.Finally,the outlet pipeline vibration was decreased by 70% after using appropriate pipe hoop width and replacing the original damping liquid.     

复合地基的减振模型及算例

复合地基的减振性能主要体现在减小振幅、黏滞阻尼耗能和摩擦耗能上·根据复合地基的减振机理,可把基础和垫层简化为多自由度质、阻、弹振动体系,同时考虑滑动摩擦作用·基于上述简化,建立了复合地基的减振模型和体系的动力方程,并编制利用Wilson θ法求解的相应计算程序·算例表明,由于复合地基设置了褥垫层,其层间最大位移比桩基的要小得多,滑动反应谱峰值也有显著削弱,显示了明显的减振效果·     

硬涂层悬臂梁减振机理分析模型的建立

由于无法有效确定硬涂层阻尼占整个系统阻尼的份额,致使创建硬涂层复合结构减振机理分析模型变得非常困难.从分离硬涂层的阻尼贡献出发,研究了创建硬涂层悬臂梁减振机理分析模型的方法.首先,对涂层前后的悬臂梁系统进行了减振特性实验,获得了固有频率、阻尼比和振动响应.然后,在对涂层前后悬臂梁系统储能及耗能分析的基础上,确定了获取硬涂层材料阻尼贡献的方法.最后,基于Oberst梁理论,创建了同时考虑材料阻尼和等效黏性阻尼的悬臂梁系统减振机理分析模型,并校验了分析模型的正确性.结果表明:利用分离出的硬涂层材料阻尼以及涂层前测试获得的阻尼,可创建用于模拟实际涂层梁系统动力学特性的解析分析模型.     

广义阻尼模型及其在混凝土重力坝地震响应分析中的应用

基于黏弹性材料的广义流变模型,推导出一种广义阻尼模型及相应的结构动力学方程,分别选用指数函数和高斯函数为广义阻尼模型的卷积核函数,采用Newmark直接积分法计算了Koyna大坝的地震响应,分析了松弛参数、时间积分步长对大坝地震响应的影响,比较了广义阻尼模型和黏滞阻尼模型情况下大坝的地震响应。结果表明：地震作用下广义阻尼模型的响应峰值均大于黏滞阻尼模型的响应峰值;松弛参数越大,广义阻尼的响应峰值越接近黏滞阻尼的响应峰值;指数模型对数值积分时间步长的要求高于高斯模型。     

附加磁体对局部约束阻尼固支梁损耗因子的影响

研究了在固支梁上设置l段或两段阻尼层时，附加永磁体对阻尼的改进效果．分析了不同阻尼层设置方式下，磁约束阻尼处理对系统一阶模态损耗因子的影响，阐明了磁约束的减振机理，分析了阻尼层剪切模量和磁刚度对磁约束处理减振效果的影响．     

含裂缝梁的一种阻尼计算模型

提出了一个具有裂缝梁的阻尼分析模型用于含裂缝梁类结构的稳态振动响应分析,阻尼是由于裂缝表面在裂缝张开、闭合过程中相互发生磨擦引起的.该模型包含梁的几何特性边界条件、裂缝位置、裂缝深度等各种因素的影响.通过和单自由度线性弹簧-质量-阻尼系统进行比较,得到该带裂缝梁结构的等效自然频率和等效粘滞阻尼比.并以两端铰支梁为例,通过数值分析获得其频响特性曲线.并讨论各种参数的影响.