PDF《Based on Microcantilever》

6000 m/s.悬臂 梁自由振动频率响应、 频率漂移响应曲线分别如图

8、

9 所示. Figure 6. Microcantilever thickness effect on frequency curve 图6. 微悬臂梁厚度对频率的影响曲线 Figure 7. Microcantilever length effect on the frequency curve 图7. 微悬臂梁长度对频率的影响曲线 Figure 8. The free vibration frequency response diagram 图8. 自由振动频率响应图 Copyright ?

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153 基于微悬臂梁的近场动态无损检测仿真 Figure 9. The frequency shift response curve 图9. 频率漂移响应曲线图 由图

4 可以看到自由振动时在频率为 0.65 MHz 时,振动幅值达到最大值,与理论值相符.而当针尖 因受到原子间力的作用频率发生频漂,此时共振频率 为1.3 MHz. 3.3. 在近场无损检测中悬臂梁的动态仿真分析 在距悬臂梁针尖距离为 d (2 mm)处放置一和中心 频率相接近的超声波换能器,产生的表面波由微悬臂 梁进行接收,从而实现近场表面凹痕与亚表面缺陷的 检测和定位,特别是对于表面粗糙不能采用光学法的 近场无损检测,建立悬臂梁(200 μm *

50 μm *

19 μm) 传感器接收装置模型如图

10 所示. 铝样片有

10 μm * 2.5 μm (深)的缺口,微悬臂梁沿着样品表面一点一点 扫描.其中压电 PZT 的直径为 1.5 * 10?3 m,厚为 0.9 * 10?4 m,被测构件压电陶瓷材料参数如表

1 所示, 空气密度 1.25 kg/m3 ,空气中声速为

343 m/s.被测构 件的长度 * 宽度 * 高度为

10 mm *

10 mm *

10 mm,压电片尺寸为 0.3 mm * 0.3 mm * 0.1 mm;

被测 构件与悬臂梁参数如表

1 所示. 3.3.1. 边界条件设置 在压电模块里对 PZT 求解域的下表面接地, 上表 面定义为正弦波的形式 10*sin(1e6*t),同时添加载荷 p2*nz_acpr 对声场模块边界进行设置,与压电模块接 触的边界,受到法向加速度 w_tt_smpz3d.在实体应变 模块里受到声压载荷 p2*nz_acpr,并将左端固定. 3.3.2. 时频分析 求解器选择瞬态分析,瞬态动力学分析亦称时间 历程分析,是用于确定承受任意随时间变化载荷的结 构动力学响应的一种方法,因此,利用瞬态法对多物 理场进行仿真,可以得出在输入信号作用下传感器的 输出随时间的变化情况.在进行瞬态分析之前,为确 传感器 扫描123Figure 10. Sensor receiving device model 图10. 传感器接收装置模型图 Table 1. Cantilever beam and component parameters 表1. 悬臂梁与被测构件参数表 参数 被测构件 悬臂梁 密度/kg/m3

2700 2330 弹性模量/N/m2 70E9 169E9 泊松比 0.33 0.22 (a)

1 位置时域信号图 (b)

1 位置频谱图 (c)

2 位置时域信号图 (d)

2 位置频谱图 (e)

3 位置时域信号图 (f)

3 位置频谱图 Figure 11. Graph in time domain and frequency spectrum 图11. 时域图与频谱图 Copyright ?

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154 基于微悬臂梁的近场动态无损检测仿真 Copyright ?

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155 定微悬臂梁的中心频率,对微悬臂梁进行了正弦波响 应分析. 信号的幅值为

10 V, 仿真时间为 0:0.01e?6 s: 50e?6 s,对响应分析的输出结果进行傅立叶变换, 得到 了系统的频率响应(如图

11 中(a)、(c)、(e)所示),通 过傅利叶变换得到频谱图((b)、(d)、(f)). 图11 显示样品表面各个点上悬臂梁的时域图与 频谱图,接收器悬臂梁进行逐点扫描时,当恰好在位 置2缺陷处时,振幅达到其最大值.振幅的变化是因 为近场波遇到缺陷边界所产生了巨大的变化造成的, 副波遇到自由边界阻抗,大部分能量被反射回来,接 近缺陷时, 入射波与反射波产生干涉, 进而振幅增大, 增加的振幅只发生在接近自由边界处,随着接收器越 过缺陷,振幅会降低很多,几乎消失,因为大部分超 声波能量都被缺陷屏蔽掉了, 结果与 Younghoon Sohn [4] 等人的实验结果吻合较好,证明了该仿真方法的可 靠性. 4. 结论 提出了一种动态检测方法,即利用超声波在传播 过程中遇到缺陷频率会迅速增大的特征,使悬臂梁的 一阶特征频率等于其缺陷处的频率,此时振幅为最大 值.采用 COMSOL 软件进行模拟对其进行了进一步 验证,为进一步分析复杂的模型提供了模拟方法,对 微器件缺陷的近场无损检测具有一定的工程应用价 值和指导性. 参考文献 (References) [1] U. Rabe, S. Amelio, E. Kester, et al. Quantitative determination of contact stiffness using atomic force acoustic microscopy. Ul- trasonics, 2000, 38(1-8): 430-437. [2] K. L. Johson. Contact mechanics. Cambridge: Cambridge Uni- versity Press, 1985. [3] N. H. Saad, R. K. Al-Dadah, C. J. Anthony and M. C. L. Ward. Analysis of MEMS mechanical spring for coupling multimodal micro resonators sensor. Microelectronic, 2009, 86(4-6): 1190- 1193. [4] Y. Sohn. Near-field photo-acoustic materials characterization using scanning laser source and microfabricated ultrasound re- ceiver, 2005. ........