用于AFM的纳米位移传感器信号的采集处理与实现研究

论文摘要

21世纪是纳米科技的时代,全球各国都将纳米研究作为国家发展战略,纳米技术将带来社会和经济的巨大发展。纳米科技的研究需要借助各种观测和操作工具,比如广泛用于纳米观测的原子力显微镜(AFM),但是AFM用于纳米级操作确存在诸多问题,比如:驱动探针的纳米位移输出的压电陶瓷存在迟滞、蠕变和非线性等缺点,影响到纳米级驱动的静态和动态性能。虽然很多文献研究改进压电陶瓷的非线性和迟滞问题,比如基于驱动电压的控制模型,但是此法将造成整个定位系统成为一个复杂的非线性系统,严重影响到纳米操作的高精度控制,限制了压电陶瓷在纳米环境下的进一步应用。因此本文针对微(纳)环境下PZT驱动器的驱动特点,研制实时测量压电陶瓷的纳米位移的传感器,提取微弱信号,采用基于位移的负反馈的闭环控制方法,改善压电陶瓷的非线性和迟滞效应,为利用AFM实现纳米级实时操作提供一种简单易行的方法。本文是以国家自然科学基金重点项目“纳米环境中机器人化操作的理论体系与实现方法”为研究背景,以中国科学院合肥智能机械研究所机器人传感器实验室多年来在力传感器和测力平台的研究工作为基础,利用中科院沈阳自动化所微纳米实验室的微纳米位移测试平台,进行能获取PZT实时驱动位移信息的传感器的研制。本文的主要研究内容如下:1.优化传感器的机械结构尺寸,提高传感器的放大比和协同工作效果。并且在实验室无积累的情况下,设计了线上快速原型算法验证和实时测量相结合的联合开发模式。2.纳米位移信息获取系统的建立:针对微弱信号处理的特点,需要尝试多种算法的研究效果。设计了基于采集卡和Labview软件相结合的方案和基于DSP2812的实时数据采集系统,通过SPI口将外部24位AD引入CPU进行处理研究。方案一更能实现快速的验证算法和分析信号的特征;方案二将系统小型化,便于纳米位移信息的反馈给控制端口。3.微弱信号的处理研究:通过分析信号的幅频特性,设计微弱信号的放大电路,综合了模拟滤波和数字滤波的优点,分别采用了五阶巴特沃斯低通滤波器和基于小波变换算法的滤波器和基于FIR嵌入式DSP滤波,实现了信号的降噪目的。4.详细阐述搭建的基于力平台和PI平台的两套传感器测试系统:系统不仅能够标定传感器的线性工作曲线,而且能够研究传感器的静态工作特性和动态工作特性。从平台的搭建,平台的测试原理和标定流程做了详细介绍,并通过平台和设计的信息获取系统得出了传感器信号处理后的性能指标,对实验结果进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微纳米科学技术研究的目的与发展方向
• 1.2 微位移测量国内外研究进展
• 1.3 压电陶瓷驱动器的国内外研究现状
• 1.3.1 压电陶瓷驱动器的工作特性
• 1.4 微弱信号处理相关研究现状
• 1.5 选题背景和章节安排
• 1.5.1 选题背景及意义
• 1.5.2 章节安排
• 第二章 基于柔性铰链放大的纳米位移传感器及其误差理论分析
• 2.1 面向原子力显微镜（AFM）纳米位移测量传感器的设计要求
• 2.1.1 纳米位移测量传感器的结构大小设计要求
• 2.1.2 纳米位移测量传感器的特性参数设计要求
• 2.2 基于柔性铰链的纳米位移机械放大
• 2.2.1 柔性铰链机械放大原理
• 2.2.2 纳米位移传感器机械结构设计原理
• 2.2.3 第三代纳米位移传感器的改进结构
• 2.3 纳米位移传感器应变片选择和加工工艺要求
• 2.3.1 应变片的选择
• 2.3.2 纳米位移传感器加工要求
• 2.4 纳米位移传感器测量纳米位移的误差分析
• 2.5 纳米位移传感器测量纳米位移的误差减小方法
• 2.5.1 纳米位移信息获取上的误差减小
• 2.5.2 纳米位移信息获取后的数据误差减小
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于小波变换和 FIR 的信号处理研究
• 3.1 纳米位移信号的特征
• 3.1.1 纳米位移信号的幅域内特性
• 3.1.2 纳米位移信号的频域内特性
• 3.1.3 纳米位移信号的功率谱特性
• 3.1.4 纳米位移信号的噪声分析
• 3.2 基于离散小波变换的纳米位移数字信号处理
• 3.2.1 多分辨率分析对信号的滤波原理
• 3.2.2 基于Matlab 仿真的前向线性预测小波变换去噪分析
• 3.3 基于FIR 数字滤波的纳米位移数字信号处理
• 3.3.1 FIR 数字滤波的结构和滤波原理
• 3.3.2 窗函数法设计FIR 滤波器
• 3.3.3 基于Matlab 仿真的纳米位移信号的FIR 数字滤波特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于 Labview 和 DSP2812 的信号采集嵌入式系统设计
• 4.1 前向微弱纳米位移信号电路设计
• 4.1.1 前向调零电路设计
• 4.1.2 前向放大电路的设计
• 4.1.3 前向模拟滤波电路的选择与设计
• 4.2 基于Labview 的纳米位移信号信息获取系统
• 4.2.1 基于MP416 的纳米位移信息获取设计
• 4.2.2 基于Labview 系统软件设计和数据处理程序设计
• 4.3 基于DSP2812 的实时嵌入式系统设计
• 4.3.1 基于DSP2812 的信号采集电路设计
• 4.4 CCS 和Matlab 交叉编译的DSP 采集系统软件设计
• 4.5 系统抗噪能力提高的方法研究
• 4.5.1 工作环境
• 4.5.2 电路抗电磁干扰设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 传感器特性测试研究结果
• 5.1 测试平台装置的搭建
• 5.1.1 六维力标定平台测试装置
• 5.1.2 六维力标定平台和传感器安装装置设计
• 5.1.3 PI 标定平台位移输入测试装置
• 5.1.4 PI 标定平台和传感器安装装置设计
• 5.2 传感器的静态特性指标测试结果及分析
• 5.2.1 传感器的力学平台静态测试结果及分析
• 5.2.2 传感器的PI 平台静态位移测试结果及分析
• 5.3 传感器的动态特性指标测试结果及分析
• 5.3.1 传感器的力学平台动态特性测试
• 5.4 传感器的信号处理数据分析
• 5.4.1 数据处理的稳定性
• 5.4.2 数据处理的线性度（R2恒定）
• 5.4.3 数据处理传感器的分辨率
• 5.4.4 传感器的重复性
• 5.4.5 数据处理的非线性误差分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 后续项目研究展望
• 参考文献
• 附录
• 1. 基于DSP2812 的信号采集和处理研究系统
• 硕士期间的主要工作及成果
• 致谢