用于AFM的納米位移傳感器信號(hào)的采集處理與實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、21世紀(jì)是納米科技的時(shí)代，全球各國都將納米研究作為國家發(fā)展戰(zhàn)略，納米技術(shù)將帶來社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的巨大發(fā)展。納米科技的研究需要借助各種觀測和操作工具，比如廣泛用于納米觀測的原子力顯微鏡(AFM)，但是AFM用于納米級(jí)操作確存在諸多問題，比如：驅(qū)動(dòng)探針的納米位移輸出的壓電陶瓷存在遲滯、蠕變和非線性等缺點(diǎn)，影響到納米級(jí)驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。雖然很多文獻(xiàn)研究改進(jìn)壓電陶瓷的非線性和遲滯問題，比如基于驅(qū)動(dòng)電壓的控制模型，但是此法將造成整個(gè)定位系統(tǒng)成為一個(gè)

2、復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，嚴(yán)重影響到納米操作的高精度控制，限制了壓電陶瓷在納米環(huán)境下的進(jìn)一步應(yīng)用。因此本文針對(duì)微(納)環(huán)境下PZT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，研制實(shí)時(shí)測量壓電陶瓷的納米位移的傳感器，提取微弱信號(hào)，采用基于位移的負(fù)反饋的閉環(huán)控制方法，改善壓電陶瓷的非線性和遲滯效應(yīng)，為利用AFM實(shí)現(xiàn)納米級(jí)實(shí)時(shí)操作提供一種簡單易行的方法。
　　 本文是以國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“納米環(huán)境中機(jī)器人化操作的理論體系與實(shí)現(xiàn)方法”為研究背景，以中國科學(xué)院合肥智

3、能機(jī)械研究所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室多年來在力傳感器和測力平臺(tái)的研究工作為基礎(chǔ)，利用中科院沈陽自動(dòng)化所微納米實(shí)驗(yàn)室的微納米位移測試平臺(tái)，進(jìn)行能獲取PZT實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)位移信息的傳感器的研制。
　　 本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.優(yōu)化傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，提高傳感器的放大比和協(xié)同工作效果。并且在實(shí)驗(yàn)室無積累的情況下，設(shè)計(jì)了線上快速原型算法驗(yàn)證和實(shí)時(shí)測量相結(jié)合的聯(lián)合開發(fā)模式。
　　 2.納米位移信息獲取系統(tǒng)的建立：針對(duì)微弱

4、信號(hào)處理的特點(diǎn)，需要嘗試多種算法的研究效果。設(shè)計(jì)了基于采集卡和Labview軟件相結(jié)合的方案和基于DSP2812的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過SPI口將外部24位AD引入CPU進(jìn)行處理研究。方案一更能實(shí)現(xiàn)快速的驗(yàn)證算法和分析信號(hào)的特征；方案二將系統(tǒng)小型化，便于納米位移信息的反饋給控制端口。
　　 3.微弱信號(hào)的處理研究：通過分析信號(hào)的幅頻特性，設(shè)計(jì)微弱信號(hào)的放大電路，綜合了模擬濾波和數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)，分別采用了五階巴特沃斯低通濾波器和基