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基于石英谐振的混凝土应力传感方法研究

基于石英谐振的混凝土应力传感方法研究

作者：彭港重庆交通大学

学位级别：硕士

土木工程设施的使用寿命从几十年到数百年不等。在此期间,因各种因素的影响,混凝土性能会不断退化,严重威胁结构使用。因此,工程中越来越重视对混凝土结构进行健康监测。混凝土应力是判断结构状态的一个重要指标,如果能准确地测量混凝... 详细信息

土木工程设施的使用寿命从几十年到数百年不等。在此期间,因各种因素的影响,混凝土性能会不断退化,严重威胁结构使用。因此,工程中越来越重视对混凝土结构进行健康监测。混凝土应力是判断结构状态的一个重要指标,如果能准确地测量混凝土结构的应力,就能准确地评估混凝土结构的状态。为了持续掌握土木工程结构的安全状况,必须持续监控混凝土结构关键部件的应力。针对现有的混凝土应力监测技术存在价格昂贵、操作复杂、可靠度低等的问题,本文提出一种基于石英谐振的新型混凝土应力监测方法,旨在为混凝土结构提供一种便捷、可靠的应力监测手段。本研究就混凝土应力监测问题,利用了石英晶体的力-频特性,提出了一种新型的基于石英晶体谐振的应力监测技术,并以此设计制造了一种应力传感器。以石英谐振传感器为研究对象,阐述了传感器的工作原理,设计思路、主要构成以及制作和安装流程。并通过对比试验,探究了传感器的影响因素并确定了传感器的基本性能。最后通过进行混凝土结构压力试验,在混凝土结构表面安装传感结构,对试件进行荷载试验和受力监测,来验证理论分析的可行性和该技术的实用效果。本文所开展的具体研究内容有:1、利用石英晶振的频率会随着受力的大小而改变的特性,提出了一种新型的基于石英晶体谐振的应力监测技术。从理论角度分析受力时传感器的频率变化规律,并以此作为设计依据结合传感器的制作工艺,设计制造了石英谐振应力传感器。2、从理论角度阐述了混凝土结构应力σ变化导致的传感器频率增量Δf的变化,建立了传感器频率增量Δf与混凝土结构应力σ关系的理论模型。理论上石英谐振传感器用于监测混凝土应力,能够有效的将被测混凝土结构的应力换为谐振频率输出。3、为探究传感器在受力时的实际工作状态,设计并开展了传感器荷载试验,并针对影响传感器性能的重要构件—感压膜片,设计了不同膜片材料、不同膜片厚度等多种工况。通过对比分析不同情况下得到的试验数据,得出传感器频率与荷载呈正相关关系,以及传感器频率增量随荷载线性变化的结论,符合理论推导。并通过比较多种试验结果,最终确定了最为合适的膜片参数。4、开展了混凝土结构应力试验,制造多个传感器并将其安装在混凝土结构上,对混凝土结构施加荷载以改变其应力,分析混凝土结构应力和传感器频率之间的关系。对试验获得的混凝土应力与频率增量数据进行拟合,拟合关系符合一次函数与理论推导相符,且计算应力值与混凝土结构理论应力值差异较小,验证了这种新型石英谐振传感器监测应力的可行性。

关键词：石英晶振力频效应传感器混凝土结构应力监测

面向物流货物称重的石英晶体谐振器测试系统研究与设计

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面向物流货物称重的石英晶体谐振器测试系统研究与设计

作者：谭棵电子科技大学

学位级别：硕士

随着物流行业的不断发展和货物运输需求的迅速增长,货物称重作为物流行业中不可或缺的环节变得愈发重要。为保障交通运输安全和降低物流成本,称重传感器及其测量方法的研究越来越受到关注,追求更高的稳定性和更低的成本是主要发展趋势... 详细信息

随着物流行业的不断发展和货物运输需求的迅速增长,货物称重作为物流行业中不可或缺的环节变得愈发重要。为保障交通运输安全和降低物流成本,称重传感器及其测量方法的研究越来越受到关注,追求更高的稳定性和更低的成本是主要发展趋势。其中,石英晶体谐振器因其高精度、高稳定性和低成本等特点而逐渐引起关注,在货物称重领域展示出良好的应用潜力。其力频特性使其谐振频率随着受力的变化而改变,故通过测量其谐振频率可以实现货物的精确称重。因此,本文研究并设计了精准、低成本化的石英晶体谐振器的频率测试系统,并对其进行了测频与加力实验,本文主要工作内容如下:(1)通过理论分析与建模仿真确立研究对象及最佳加力角度。本文从石英晶体谐振器的力频特性出发,讨论了晶体切型角、方向角及环境温度对力灵敏度的影响,最终选用了加载力时频率偏移量最显著、热稳定性最好的对称AT-切型的非完整圆盘式石英晶体谐振器作为本文的研究对象,并通过COMSOL建模仿真确立了最佳加力方向角。(2)完成了石英晶体谐振器频率测试系统设计,以达到精确测频的功能。本文基于石英晶体谐振器的等效电学模型以及阻抗分析方法,完成了石英晶体谐振器测试系统的软、硬件设计。为了实现石英谐振器的电信号与其他模块电路信号互联和传递,以自动平衡电桥为核心设计了接口电路,减少了泄漏电流带来的分布电容,从而减小了测量误差。针对5-20 MHz石英基频,设计了直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis,DDS)扫频信号源作为激励源。基于AD8302设计了幅相检测模块,用于获取石英谐振器两端信号的幅值比情况。最后,设计了12位数据转换模块,用于将幅值比的模拟电压输出转换为数字信号,据此计算阻抗及判断谐振频率点。本文的实验验证表明,本文石英晶体谐振器测试系统与商用振荡电路法的绝对误差集中在0-250 Hz,相对误差区间0-0.003%,误差均为正,并且误差变化规律与石英谐振器的基频无关,具备良好的测频性能。此外,在货物称重实验中验证得出,灵敏度系数为2.767Hz/g,线性度为3.81%,滞后性为0.52%,重复性为0.15%,基本验证了本文研究的可行性与可靠性,具备良好的研究前景。

关键词：物流货物称重石英晶体谐振器力频效应阻抗分析法

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石英晶体谐振器预应力条件下的模态分析

传感器与微系统 2011年第1期30卷 22-24页

作者：李辉陈向东冯瑛西南交通大学信息科学与技术学院四川成都610031 成都电子机械高等专科学校四川成都610031

针对石英晶体谐振器在受到外力后其振动模态如何变化的问题,基于Mindlin的振动理论通过ANSYS有限元仿真得出横向力引起石英晶体谐振器的振动模态形状。结果表明:在外力的作用下石英晶体的振动位移大小和振动方向都发生了改变。该结果对... 详细信息

针对石英晶体谐振器在受到外力后其振动模态如何变化的问题,基于Mindlin的振动理论通过ANSYS有限元仿真得出横向力引起石英晶体谐振器的振动模态形状。结果表明:在外力的作用下石英晶体的振动位移大小和振动方向都发生了改变。该结果对于压力传感器和石英微天平的开发应用具有重要意义。

关键词：石英晶体谐振器预应力模态分析力频效应

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基于应力处理的温度补偿晶体振荡器

基于应力处理的温度补偿晶体振荡器

作者：苏欣西安电子科技大学

学位级别：硕士

温补晶体振荡器应用广泛,涉及到通信、仪器仪表和卫星导航等各个领域,是电子领域发展中必不可少的元件。近年来,国内外都加大了对温补晶体振荡器的研究工作。本文提出的基于应力处理的温度补偿晶体振荡器不同传统的温补晶振。首先,本文... 详细信息

温补晶体振荡器应用广泛,涉及到通信、仪器仪表和卫星导航等各个领域,是电子领域发展中必不可少的元件。近年来,国内外都加大了对温补晶体振荡器的研究工作。本文提出的基于应力处理的温度补偿晶体振荡器不同传统的温补晶振。首先,本文详细介绍了晶体振荡器的两大特性,即温频特性和力频特性,并分析了特性的影响因素。因为不同切型的晶体的温频特性不同,力频特性也不相同,所有应该首先区分不同切型的晶体。在晶体的切型确定之后,通过查阅前人已经做过的大量的实验数据,可以得到晶振的温频特性和与之对应的力频特性。确定施加力的方向,并按照这个确定的方向逐渐改变力的大小。在逐渐变化力的大小的过程中,测出与之相对应的频偏量。记录力的大小和相对的频偏量。根据已知的晶振的温频特性曲线,找到相对应的补偿的频率量。得到各个温度下对应的补偿量之后,根据补偿量应该与频偏量大小相等的原则,再确定需要加力的大小,进行该力的施加。这样得到温补晶振可以保持频率输出的稳定。基于这样的原理,本文将晶振的温频特性和力频特性相结合,设计出了基于应力处理的温度补偿晶体振荡器。这种温补晶振主要有三方面的新颖之处。第一、本文选用的是泛音晶体,传统的温补晶振通常选用的是基频晶体,这是因为基频晶体的拉动性较好。第二、本文还着重于补偿工艺的设计,利用逐次镀膜,晶体的温频特性也会随之变化,从而得到最适宜的镀膜厚度。第三、本文详细讨论了应力释放效应对这种晶振的影响。该晶振是需要利用应力的,所以应采取措施尽量较小应力释放效应。本文的设计和实验,现属于摸索阶段,虽然初步取得了一些成绩,但是要想使这种方法将来应用到工业的生产之中,还需要做很多的研究开发,而且还需要更多的企业的配合与帮助。我们相信本文提出的利用应力的方法来补偿晶振的思路是正确的,通过镀膜的方式对晶振施加力,再通过逐次镀膜的方式改变这种力的想法也是可以实现的。如果在这方面加大科研的投入,通过不断的努力,生产的晶振的质量一定会更上一层台阶,生产晶振的成本将降低一个档次,晶振的频率稳定度更高,这样的晶振将有很好的市场前景,给我国电子产业带来更多的经济效益。

关键词：温补晶振温频效应力频效应应力补偿

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应力补偿的温补晶体振荡器研究

应力补偿的温补晶体振荡器研究

作者：王富明西安电子科技大学

学位级别：硕士

频率源是现代电子系统和军用武器装备中的重要组成部分,其性能极大的影响着通信、导航、雷达、精确制导和电子对抗等系统的稳定性。石英晶体振荡器作为最常用的基准频率源,在受到温度变化的影响时,其输出信号容易出现频率失稳的现象,频... 详细信息

频率源是现代电子系统和军用武器装备中的重要组成部分,其性能极大的影响着通信、导航、雷达、精确制导和电子对抗等系统的稳定性。石英晶体振荡器作为最常用的基准频率源,在受到温度变化的影响时,其输出信号容易出现频率失稳的现象,频谱中的相位噪声也会变化。传统的温补晶体振荡器都是通过外加辅助线路来达到频率补偿的目的,这种补偿方法会增加振荡器的功耗、体积和成本。本文提出了一种基于应力的补偿方法,晶体在受力时会产生频偏,传统晶振设计是避免力对晶体振荡器产生影响,应力补偿的方法则利用了晶体振荡器的力频特性来消除因温度变化而产生的频偏,这正是应力补偿的创新之处。由于AT切晶体的温频曲线是三次曲线,晶体的力频曲线是线性的,在一定温度范围内用应力补偿的方法可以取得很好的效果。应力是通过材料热胀冷缩来产生的,把金属膜以一定形的状镀在晶体上,由于金属薄膜和晶体的膨胀系数不一样,当温度变化时,金属薄膜会对晶体产生力的作用。现有镀膜技术很成熟,晶体镀膜在晶体生产过程中就能进行,十分方便,通过控制镀膜的厚度就可以控制应力的大小。传统晶体振荡器使用的是基频晶体,应力补偿晶振使用的是泛音晶体,泛音晶体比基频晶体有更好的力频特性,同时可以降低晶体振荡器的老化率、噪声等因素对晶振稳定度的影响。本文详细了介绍了应力补偿方法的理论基础、实现方案,同时设计了一系列应力补偿的实验。应力补偿晶体振荡器可以使用AT切的基频晶体、泛音晶体和SC切泛音晶体,不仅拓宽了可使用晶体的范围,还降低温补晶振因温度而导致的频偏。应力补偿的晶振选用的是泛音晶体,注重补偿工艺的设计,利用逐次镀膜来改变晶体的温频特性,从而得到最适宜的镀膜厚度。应力补偿晶振的频率稳定度更高,同时新的补偿方法使得传统的数字温补和微机温补晶振中存在的体积庞大、价格昂贵和功耗较高等问题都得到改善,因而应力补偿晶体振荡器有更好的研究价值和应用前景。

关键词：晶体振荡器力频效应温频效应应力补偿