https://memsgod.cn/tags/duffing/ Recent content in Duffing on MemsGod Hugo -- gohugo.io zh-cn Fri, 15 May 2026 21:30:00 +0800 https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/ Fri, 15 May 2026 21:30:00 +0800 https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/ <img src="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/cover.png" alt="Featured image of post HF2LI Duffing 热力图实验操作说明" /><p>这篇文章整理了 <code>hf2li_duffing_heatmap.py</code> 和 <code>hf2li_frequency_sweep.py</code> 两个实验脚本的用途、关键参数与推荐使用流程，适合在正式实验前快速对照。</p> <h2 id="适用文件">适用文件 </h2><ul> <li><code>hf2li_duffing_heatmap.py</code></li> <li><code>hf2li_frequency_sweep.py</code></li> </ul> <p>项目目录：</p> <div class="highlight"><pre tabindex="0" style="color:#f8f8f2;background-color:#272822;-moz-tab-size:4;-o-tab-size:4;tab-size:4;-webkit-text-size-adjust:none;"><code class="language-text" data-lang="text"><span style="display:flex;"><span>D:\UMPhD\python\rc_daq </span></span></code></pre></div><h2 id="一当前有哪两个脚本">一、当前有哪两个脚本 </h2><h3 id="hf2li_frequency_sweeppy"><code>hf2li_frequency_sweep.py</code> </h3><p>用于单个激励幅值下的正扫 / 反扫频率扫描，适合先看共振峰、找 Duffing 滞回窗口。</p> <h3 id="hf2li_duffing_heatmappy"><code>hf2li_duffing_heatmap.py</code> </h3><p>用于在固定频率窗口内，对多个激励幅值逐个执行正扫 / 反扫，并最终生成：</p> <ul> <li>振幅热力图</li> <li>相位热力图</li> <li>滞回差值图</li> </ul> <h2 id="二实验前需要确认的内容">二、实验前需要确认的内容 </h2><ul> <li>设备为 Zurich Instruments HF2LI</li> <li>本机可以正常连接 LabOne Data Server</li> <li>本机已安装 <code>zhinst-toolkit</code></li> <li>设备选件包含 <code>HF2LI-MF</code> 和 <code>HF2LI-MOD</code></li> <li>实验连线已经完成： <ul> <li>HF2LI 激励输出 -&gt; 器件</li> <li>DC 电源 -&gt; 偏置</li> <li>器件输出电流 -&gt; TIA -&gt; HF2LI 输入</li> </ul> </li> <li>当前设备 ID 为 <code>dev18567</code>，如果设备号变化，必须先修改脚本里的 <code>device_id</code></li> </ul> <h2 id="三这个项目里最关键的几个约定">三、这个项目里最关键的几个约定 </h2><ul> <li>HF2LI 必须使用 HF2 专用连接方式：<code>Session(&quot;localhost&quot;, hf2=True)</code></li> <li>当前这台设备的 <code>Output 1</code> 使用 <code>output_mixer_channel = 0</code>，不要改成 <code>6</code></li> <li><code>session.poll()</code> 的 <code>timeout</code> 单位是秒，不是毫秒</li> <li>扫频实验的主图是 <code>R</code> 对 <code>frequency</code>，其中 <code>R = sqrt(X^2 + Y^2)</code></li> <li>只要系统可能有滞回，就必须分正扫和反扫，不能混在一起采集</li> </ul> <h2 id="四输出幅值怎么理解">四、输出幅值怎么理解 </h2><p>在当前脚本配置里，<code>output_range_vpk</code> 通常设为 <code>1.0</code>。此时 <code>output_amplitude_vpk</code> 的数值可以直接理解为输出电压峰值。</p> <p>如果后续修改了 <code>output_range_vpk</code>，就必须重新确认 <code>output_amplitude_vpk</code> 对应的真实输出电压。</p> <table> <thead> <tr> <th>脚本参数</th> <th>实际输出</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><code>output_amplitude_vpk = 0.10</code></td> <td>100 mV</td> </tr> <tr> <td><code>output_amplitude_vpk = 0.30</code></td> <td>300 mV</td> </tr> <tr> <td><code>output_amplitude_vpk = 0.44</code></td> <td>440 mV</td> </tr> </tbody> </table> <h2 id="五hf2li_frequency_sweeppy-怎么用">五、<code>hf2li_frequency_sweep.py</code> 怎么用 </h2><p>用途：在单个固定激励幅值下做一轮正扫和反扫。</p> <p>适合做什么：</p> <ul> <li>先找线性共振峰</li> <li>确认非线性起始阈值</li> <li>观察滞回窗口</li> </ul> <p>重点参数：</p> <ul> <li><code>f_start_hz</code></li> <li><code>f_stop_hz</code></li> <li><code>num_points</code></li> <li><code>output_amplitude_vpk</code></li> <li><code>settle_time_s</code></li> <li><code>sample_time_s</code></li> <li><code>bidirectional</code></li> </ul> <p>运行结果：</p> <ul> <li>实时显示正扫 / 反扫 <code>R-f</code> 曲线</li> <li>保存 CSV 数据</li> <li>保存扫频图</li> </ul> <h2 id="六hf2li_duffing_heatmappy-怎么用">六、<code>hf2li_duffing_heatmap.py</code> 怎么用 </h2><p>用途：固定扫频窗口，对一系列激励幅值逐个进行正扫和反扫。</p> <p>推荐流程：先粗扫，再精扫。</p> <ul> <li>粗扫时可以把 <code>amp_step_vpk</code> 设大，例如 <code>0.050</code>，即 50 mV 一步</li> <li>精扫时可以把 <code>amp_step_vpk</code> 设为 <code>0.005</code>，即 5 mV 一步</li> <li>当前已经验证：5 mV 步长扫描可以得到符合预期的热力图结果</li> </ul> <p>关键参数说明：</p> <ul> <li><code>amp_start_vpk</code>：起始幅值，例如 <code>0.100</code> 表示 100 mV</li> <li><code>amp_stop_vpk</code>：终止幅值，例如 <code>0.440</code> 表示 440 mV</li> <li><code>amp_step_vpk</code>：幅值步长，例如 <code>0.050</code> 表示 50 mV，<code>0.005</code> 表示 5 mV</li> <li><code>f_start_hz</code> / <code>f_stop_hz</code>：每轮扫频的频率范围</li> <li><code>num_points</code>：每轮扫频点数，点数越大，热力图边界越细，但实验耗时越长</li> <li><code>detuning_reference_hz</code>：热力图横轴参考频率，建议填写小信号 <code>f0</code></li> <li><code>dc_bias_v</code>：记录当前使用的 DC 偏置值</li> <li><code>note</code>：记录真空度、温度或其他实验条件</li> </ul> <h2 id="七推荐实验步骤">七、推荐实验步骤 </h2><ol> <li>先运行 <code>hf2li_frequency_sweep.py</code>，在少量几个驱动幅值下观察共振峰和滞回。</li> <li>得到小信号共振频率 <code>f0</code> 后，把 <code>hf2li_duffing_heatmap.py</code> 中的 <code>detuning_reference_hz</code> 改成真实 <code>f0</code>。</li> <li>先用较大的幅值步长做一轮粗扫，快速找到强非线性和滞回区域。</li> <li>再把步长改成 5 mV，对关键幅值区间做精扫。</li> <li>实验结束后优先查看正扫、反扫和差值热力图，再去看单个幅值下的切片曲线。</li> </ol> <h2 id="八脚本会输出哪些文件">八、脚本会输出哪些文件 </h2><ul> <li><code>metadata.txt</code>：记录本次实验的参数和元数据</li> <li><code>sweep_amp_XXXmV.csv</code>：某个固定幅值下的正扫 / 反扫数据</li> <li><code>sweep_amp_XXXmV.png</code>：该幅值下的振幅和相位曲线图</li> <li><code>merged_duffing_all.csv</code>：整组实验的合并总表</li> <li><code>D1_forward_amplitude_heatmap.png</code>：正扫振幅热力图</li> <li><code>D2_reverse_amplitude_heatmap.png</code>：反扫振幅热力图</li> <li><code>D3_hysteresis_difference_heatmap.png</code>：滞回差值图</li> <li><code>D4_forward_phase_heatmap.png</code></li> <li><code>D4_reverse_phase_heatmap.png</code></li> <li><code>heatmap_matrices.npz</code>：后续二次分析可直接读取的矩阵文件</li> </ul> <h2 id="九merged_duffing_allcsv-里的关键字段">九、<code>merged_duffing_all.csv</code> 里的关键字段 </h2><table> <thead> <tr> <th>字段名</th> <th>说明</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><code>sweep_direction</code></td> <td><code>forward</code> 或 <code>reverse</code></td> </tr> <tr> <td><code>drive_amp_v</code></td> <td>当前驱动幅值，单位 Vpk</td> </tr> <tr> <td><code>control_freq_hz</code></td> <td>当前扫到的频率点</td> </tr> <tr> <td><code>detuning_hz</code></td> <td>相对于 <code>detuning_reference_hz</code> 的失谐量</td> </tr> <tr> <td><code>r</code></td> <td>解调振幅，<code>R = sqrt(X^2 + Y^2)</code></td> </tr> <tr> <td><code>phase_deg</code></td> <td>解调相位，单位度</td> </tr> <tr> <td><code>x / y</code></td> <td>锁相同相和正交通道平均值</td> </tr> <tr> <td><code>note</code></td> <td>实验备注，例如真空度或样品状态</td> </tr> </tbody> </table> <h2 id="十常见问题与处理建议">十、常见问题与处理建议 </h2><ul> <li>如果 HF2LI 前面板左边的 <code>Amplitude 1(Vpk)</code> 没有变化，先检查 <code>output_mixer_channel</code> 是否仍为 <code>0</code></li> <li>如果 <code>poll</code> 报 <code>timeout</code> 错误，首先检查 <code>timeout</code> 是否误按毫秒填写</li> <li>如果热力图边界不清楚，优先检查频率步进是否过粗，或者每点等待时间是否过短</li> <li>如果正扫和反扫差异异常大，先确认两者的扫频速率、锁相时间常数和每点等待时间完全一致</li> <li>如果要让横轴严格表示 <code>f - f0</code>，就必须把 <code>detuning_reference_hz</code> 设置为真实小信号 <code>f0</code></li> <li>如果完整 5 mV 精扫耗时太长，先用 50 mV 粗扫锁定窗口，再回到 5 mV 精扫</li> </ul> <h2 id="效果示意">效果示意 </h2><h3 id="正扫振幅热力图">正扫振幅热力图 </h3><p><img alt="D1 Forward Amplitude Heatmap" class="gallery-image" data-flex-basis="400px" data-flex-grow="166" height="1080" loading="lazy" sizes="(max-width: 767px) calc(100vw - 30px), (max-width: 1023px) 700px, (max-width: 1279px) 950px, 1232px" src="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D1_forward_amplitude_heatmap.png" srcset="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D1_forward_amplitude_heatmap_hu_eb6537ccc8e3d172.png 800w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D1_forward_amplitude_heatmap_hu_9da4f078f3a86125.png 1600w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D1_forward_amplitude_heatmap.png 1800w" width="1800"></p> <h3 id="反扫振幅热力图">反扫振幅热力图 </h3><p><img alt="D2 Reverse Amplitude Heatmap" class="gallery-image" data-flex-basis="400px" data-flex-grow="166" height="1080" loading="lazy" sizes="(max-width: 767px) calc(100vw - 30px), (max-width: 1023px) 700px, (max-width: 1279px) 950px, 1232px" src="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D2_reverse_amplitude_heatmap.png" srcset="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D2_reverse_amplitude_heatmap_hu_1ce9640febf9662.png 800w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D2_reverse_amplitude_heatmap_hu_7bea5eed03fbc439.png 1600w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D2_reverse_amplitude_heatmap.png 1800w" width="1800"></p> <h3 id="滞回差值热力图">滞回差值热力图 </h3><p><img alt="D3 Hysteresis Difference Heatmap" class="gallery-image" data-flex-basis="400px" data-flex-grow="166" height="1080" loading="lazy" sizes="(max-width: 767px) calc(100vw - 30px), (max-width: 1023px) 700px, (max-width: 1279px) 950px, 1232px" src="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D3_hysteresis_difference_heatmap.png" srcset="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D3_hysteresis_difference_heatmap_hu_53c592c93e521dee.png 800w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D3_hysteresis_difference_heatmap_hu_38b437ee7ba537b0.png 1600w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/D3_hysteresis_difference_heatmap.png 1800w" width="1800"></p> <h3 id="440-mv-下的扫频曲线">440 mV 下的扫频曲线 </h3><p><img alt="Sweep Curves at 440mV" class="gallery-image" data-flex-basis="308px" data-flex-grow="128" height="1260" loading="lazy" sizes="(max-width: 767px) calc(100vw - 30px), (max-width: 1023px) 700px, (max-width: 1279px) 950px, 1232px" src="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/sweep_amp_440mV.png" srcset="https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/sweep_amp_440mV_hu_8fbc39d696939227.png 800w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/sweep_amp_440mV_hu_9c79843b28bc366a.png 1600w, https://memsgod.cn/post/mems-duffing-heatmap-guide/sweep_amp_440mV.png 1620w" width="1620"></p>