间歇模原子力显微镜非线性振动的数值模拟

1　引　言　　原子力显微镜 (简记为 AFM)是利用其微悬臂梁的机械振动响应于力敏探针和实验样品表面之间的相互作用力来成像的 ,由于具有原子和分子级的分辨率 ,已成为表面成像及材料微结构研究的新工具 ,在科学技术的各种领域获得了广泛的应用 [1-2 ] 。有几种不同模式的 AFM相继被开发使用。在 AFM的接触模工作中 ,其力敏探针始终保持同样品表面相接触 ,力敏探针和样品之间的相互作用力被微悬臂梁位移产生的弹性力所平衡 ,这种接触模式有极高的分辨率 ,但力敏探针上存在横向力 ,对实验样品有较大的损伤 ;在 AFM的非接触模工作中 ,力…     

基于新型探针的双频原子力显微系统开发

传统原子力显微镜(AFM)在接触模式下工作时具有接触力较大、易损伤样品的缺点.本文通过对新型自感应音叉探针施加双频激励,使得AFM工作在轻敲模式下,减小了接触力和扫描过程中的侧向力影响,实现了样品表面力学特性和亚表面结构的表征.然后利用基于DSP的PI反馈控制模块,完成了线扫描实验,证明该双频原子力显微测量系统具有较好的测量能力.     

基于压电扫描管动态特性分析的AFM成像方法研究

针对原子力显微镜(AFM)在高速扫描下成像误差大的缺点,提出了一种基于压电扫描管动态特性的改进成像方法,并对这种成像方法的性能进行了理论分析和实验验证.分析和实验结果表明,该成像方法可以较好地处理压电扫描管的动态特性,有效地提高 AFM 在 Z 方向上的成像精度,因此得到的扫描图像能够更加真实地反映样品的形貌.     

基于迭代学习控制的材料黏弹性纳米测量

原子力显微镜（AFM）是进行纳米材料力学特性（如材料黏弹性）测量的重要工具．压电陶瓷驱动器作为AFM的核心部件，由于其迟滞和蠕变特性的影响，致使在材料黏弹性纳米测量过程中，不仅测量速度慢，而且测量误差较大．为了解决以上问题，提出一种基于逆的迭代学习控制方法．通过在频域内学习系统的动态特性，补偿AFM的z轴动态误差，从而实现AFM系统的快速准确定位．该方法不仅避免了复杂的AFM系统建模过程，而且提高了系统输出时期望输入的跟踪精度．用美国DI公司的纳米原位测量仪对聚二甲基硅氧烷（PDMS）的纳米黏弹性进行了测量，验证了算法的适用性和有效性．     

基于AFM力曲线的纳米梁厚度的非破坏测量方法

本文阐述了基于原子力显微镜(AFM)的弯曲测试测量纳米梁厚度的理论和方法,并界定了基于AFM的厚度测量方法的适用条件,对基于AFM的厚度测量的两个典型应用进行了介绍.对硅纳米梁进行了厚度测量,并进行了重复性实验,梁的平均测量度为160.36nm.     

基于条件生成式对抗网络的AFM图像盲重构方法

针对原子力显微镜（AFM）成像过程中针尖展宽效应引起的误差,提出一种基于条件生成式对抗网络（CGAN）的AFM图像盲重构方法。首先,以pix2pixHD模型为基础,通过全局生成网络对仿真样本数据进行对抗训练,引入AFM测量数据采用局部提升网络联合训练;最后,特征匹配损失函数以用于提升栅格边缘横向分辨力。实验结果表明:对于线宽8μm一维矩形栅格在AFM下的测量图像进行盲重构,重构图像标准差为0.33μm×0.45μm,具有较高的成像分辨力,有利于提升AFM图像一维栅格测量的准确度。     

光电测量系统中的实时调平补偿方法

为了使测量设备快速进入测量状态,减小因倾斜带来的测量误差,结合工程实际应用,根据光学成像理论,利用水平倾角仪测量的角度值,建立了一个实时调平补偿的数学模型．根据不同的测量设备确定其补偿算法,可对测量设备在一定的倾角范围内倾斜时进行实时补偿,并进行了实验验证．实验结果表明,测量设备在倾角α=0．325°,β=0．896°倾斜情况下,经过实时补偿可将系统测量误差由0．126％提高到0．026％．     

基于双反馈模式的大范围自感应AFM测量系统

为了提高原子力显微镜（AFM）的测量范围,设计了一种基于双反馈测量模式的大范围自感应原子力显微镜系统,测量系统中有两条反馈回路:一条反馈回路由压电陶瓷与AFM测头组成,动态响应较快的压电陶瓷位移台的运动量可以表征被测样品表面的高频信息;另一条反馈回路由压电陶瓷位移台和纳米测量机（NMM）的反馈控制器组成,利用压电陶瓷位移台的位移信号控制NMM运动,NMM的mm级z向测量范围使得被测样品较大变化范围的低频轮廓信息很容易地被表征出来。使用本系统对平面样品和一维栅格进行了测量实验,实验结果表明采用双反馈的测量模式的AFM测量系统能够有效地表征被测样品的低频轮廓信息和表面高频信息,测量范围能够达到mm级,纵向分辨率达到nm级,具有良好测量重复性。     

基于表面形貌空间频率特征的AFM操作模式

恒力模式和恒高模式是原子力显微镜的两种主要操作模式．前一种模式通常用于成像在垂直方向变化大的表面,但仅对低空间频率表面有效．后一种模式仅对光滑表面在高分辨率高扫描速度下的成像有用．为克服这些缺点,提出了组合恒高和恒力的新操作模式．使用这个模式,表面形貌的低空间频率成分利用垂直压电扫描器及其控制信号跟踪并测量,高空间频率成分利用悬臂信号测量．然后,表面形貌图像利用组合低频和高频成分得到．仿真结果证明了这种新的操作模式具有高速和高分辨率的优点．     

角锥棱镜精度校验

介绍了SI型激光跟踪仪及安装有角锥棱镜的球形固定反射器(SMR)的工作原理和特性,从实际应用角度分析了SMR因摔落或磕碰造成的误差.提出了校验SMR重复性测量精度的新方法,利用同一种型号的标准SMR与待校验SMR进行比对测量,分别进行了SMR的重复性测量精度实验和误差补偿半径校验实验,得到了待校验SMR的重复性精度和半径补偿精度.实验表明,待校验SMR仍然能够进行高精度地测量.这项研究工作为SMR的校验提供了一种检测方法,具有一定的实用价值.     

基于新型趋近律的永磁同步电机动态性能优化

目的 提高永磁同步电机作业时的响应精度和速度,优化其动态反馈性能,解决传统滑模控制中趋近时间与系统抖振相矛盾的问题。方法 采用三闭环控制结构,位置环与电流环采用模糊PID控制方法,速度环采用基于新型趋近律的改进滑模控制方法,添加扰动观测器并给予系统扰动补偿。结果 仿真与在环硬件测试结果表明,文中提出的控制方法与传统三闭环滑模控制相比,相同时间内电机转子位置响应速度提前了0.123 s且无超调,同时明显降低了电磁转矩波动幅度。结论 文中设计的新型趋近律有效改善了传统滑模控制存在的问题,建立的控制系统有效提高了永磁同步电机的响应精度和速度,削弱了永磁同步电机作业时的抖振程度,具有良好的鲁棒性。     

NMOHEMS剖面探头下沉实验装置研制

针对NMOHEMS对剖面探头深度探测精度的需求,需测试和验证剖面探头的下沉性能参数。以89C52单片机为核心,采用软、硬件结合,设计一种高精度的水库实验装置,对装置进行误差分析,并验证计时器的计时精度。实验结果表明：装置结构简单,工作稳定,自身系统误差为0.00036s,重复性误差为±0.148%,可满足系统对计时精度的要求,获取了剖面探头下沉的实验数据,为测量剖面探头下沉性能参数提供新方法。     

超高速光学扫描测量方法的准确度验证实验

为验证超高速扫描相机在动态条件下的测量准确度,采用具有较强代表性的扫描测量法获取TNT标准物质的爆速,并对测量的不确定度进行系统分析。结果表明:底片图像放大比的不确定度对爆速测量不确定度的影响最大,而标尺长度越小则图像放大比的不确定度将显著增加,因此,在实验过程中应尽可能地选择较长且图像较清晰的标尺;光学扫描测量法确定出TNT标准物质的爆速平均值为6.824 mm/μs,处于该标准物质的有效范围内,且标准差为0.015 mm/μs,可以反映出超高速光学扫描测量方法具有较高的准确度及较好的重复性。     

半光斑成像式多功能激光瞄准测头的研究

运用半光斑成像原理设计了一种用于三坐标测量机的多功能激光瞄准测头。详细介绍了测头的光学系统工作原理和设计思路,采用自适应控制方法实时调节激光光强使其可以适应不同光学特性表面的瞄准测量,并进行了多功能测头的重复性瞄准测量、灵敏度测量、倾角跟踪实验。实验结果表明,该测头重复性瞄准测量不确定度优于1 μm,测量灵敏度可达30 mV/μm,激光跟踪瞄准被测曲面倾角可达25°,能满足三坐标测量机的使用要求。该测头具有检测速度快、自动化程度高、瞄准精度高的特点,结合三坐标测量机或者其它测长仪器,能够实现对自由曲面进行快速精确瞄准及轮廓图像瞄准测量,具有广泛的应用前景和实用价值。     

Modelling oscillatory flexure modes of an atomic force microscope cantilever in contact mode whilst imaging at high speed

Understanding the modal response of an atomic force microscope is important for the identification of image artefacts captured using contact-mode atomic force microscopy (AFM). As the scan rate of high speed AFM increases, these modes present themselves as ever clearer noise patterns as the frequency of cantilever vibration falls under the frequency of pixel collection. An Euler-Bernoulli beam equation is used to simulate the flexural modes of the cantilever of an atomic force microscope as it images a hard surface in contact mode. Theoretical results are compared with experimental recordings taken in the high speed regime, as well as previous analytical results. It is shown that the model can capture the mode shapes and resonance properties of the first four eigenmodes.     

基于静力称重法的微小容量光学检测系统标定

实验室常用静力称重法对微量液体容量进行检测,该方法在1μL容量的精确度达到2.18%,重复性为1.85%,但该方法无法在实验室外进行。现有的光学测量微量液体容量法的在1μL的精度为6.09%,重复性为1.31%。该法可实现在线检测,但其精度不如静力称重法。对光学测量微量液体容量的方法进行研究分析,提出了一种新的标定容量参照标准的方法,该标定方法将静力称重法与光学测量法两者结合,以静力称重法容量测量结果为参照标准,代替光学法原先的标准液。新的标定方法在原理上将参照标准由点扩展到线,可将光学测量法在10μL点的精度提高到2.014%,重复性1.30%。     

一种基于图像处理的万能工具显微镜测量新方法

在分析传统万能工具显微镜及现代数字化仪器优缺点的基础上,提出了一种基于图像处理的万能工具显微镜的测量方法。该方法将图像处理技术与基于FPGA和单片机的光栅测量技术相结合,在保证原有仪器的准确度高、抗干扰能力强、稳定性好、应用范围广优点的基础上,运用AutoCAD二次开发技术实现对长度、角度、圆直径等几何量的精密测量,提高了测量效率和精度,降低了操作人员的劳动强度。经过与双频激光干涉仪的测试结果进行比较,证明提出的方法具有较高的重复性和测量精度。     

频率域数字散斑相关法及其应用

在图象识别原理的基础上,提出频率域数字散斑相关法,该方法在频率域物体变形前后散斑图对应子区域的相关搜索,完成测量物体的变形位移。该法与常用的空间域数字相关法相比,避免了相关识别中的反复搜索,极大地减小了运算量,提高了信息提取速度,并且具有更高的定位精度和测量精度。文章最后给出了典型测量结果。