一种膜材料的自激共振信号检测方法及信号处理方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄重点。
[0003] 在研宄膜的力学性质时，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】
[0004] 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宄薄膜的缺陷机理，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。
[0005] 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ω。 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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1〇_、宽度为4_的矩形。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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 €〇,其中〇 = {&，C3, C3,……丨为待定常数组，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fe，心}，其 中左=1，2，…，况其中N是数据点个数，要拟合得到待定常数组值，需满足方程
【主权项】
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《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 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. -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;4,C〇,其中C2,C3,……）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fe， ，其中A= 1，2，…，况其中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AC的方
卩中i，j的数值为拟定参量的个 数，求解增量方程△C时为使迭代收敛快，需赋予待定常数组合适的初值^，比较变量为C#AC的函数平方值与Q的绝对差值，如果大于某一设定值，则赋予q=Q+10AC或Q= Q+0. 1AC，重复上述迭代步骤，直至绝对差值小于设定值。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01N29-12
【公开号】CN104807889
【申请号】CN201510187057
【发明人】郭丽君, 庄重, 程帜军, 王先平, 方前锋
【申请人】苏州丹平格仪器有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月20日