用于AFM的納米位移傳感器信號的采集處理與實現(xiàn)研究.pdf

1、21世紀是納米科技的時代，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)將帶來社會和經(jīng)濟的巨大發(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用于納米級操作確存在諸多問題，比如：驅(qū)動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，影響到納米級驅(qū)動的靜態(tài)和動態(tài)性能。雖然很多文獻研究改進壓電陶瓷的非線性和遲滯問題，比如基于驅(qū)動電壓的控制模型，但是此法將造成整個定位系統(tǒng)成為一個

2、復雜的非線性系統(tǒng)，嚴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)境下的進一步應用。因此本文針對微(納)環(huán)境下PZT驅(qū)動器的驅(qū)動特點，研制實時測量壓電陶瓷的納米位移的傳感器，提取微弱信號，采用基于位移的負反饋的閉環(huán)控制方法，改善壓電陶瓷的非線性和遲滯效應，為利用AFM實現(xiàn)納米級實時操作提供一種簡單易行的方法。
　　 本文是以國家自然科學基金重點項目“納米環(huán)境中機器人化操作的理論體系與實現(xiàn)方法”為研究背景，以中國科學院合肥智

3、能機械研究所機器人傳感器實驗室多年來在力傳感器和測力平臺的研究工作為基礎(chǔ)，利用中科院沈陽自動化所微納米實驗室的微納米位移測試平臺，進行能獲取PZT實時驅(qū)動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。并且在實驗室無積累的情況下，設(shè)計了線上快速原型算法驗證和實時測量相結(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：針對微弱

4、信號處理的特點，需要嘗試多種算法的研究效果。設(shè)計了基于采集卡和Labview軟件相結(jié)合的方案和基于DSP2812的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過SPI口將外部24位AD引入CPU進行處理研究。方案一更能實現(xiàn)快速的驗證算法和分析信號的特征；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.微弱信號的處理研究：通過分析信號的幅頻特性，設(shè)計微弱信號的放大電路，綜合了模擬濾波和數(shù)字濾波的優(yōu)點，分別采用了五階巴特沃斯低通濾波器和基