基于原子力显微镜的纳米材料电流检测系统

在实验室原有的原子力显微镜的基础上,进行硬件改造,实现纳米材料的电流检测。改造电路以PIC单片机为核心,与其他外围电路相互配合,结合Mplab集成开发环境进行嵌入式软件开发,并进行了实验,结果证明:该系统能够实现电流检测功能,并能可靠工作。     

适用于原子力显微镜先进扫描模式的学习控制系统

原子力显微镜(AFM)是进行纳米测量和操作的一种重要工具.针对原子力显微镜系统,论文提出了一种基于学习控制的先进扫描模式.具体而言,首先构造了一种适用于AFM的学习控制系统,它由对于扫描管动态特性的最优逆补偿环节和对于样品表面特性的学习算法两部分组成.然后,针对测量过程中扫描线之间的偏移,通过将常见的比例-积分控制算法与这种学习控制相结合,实现了一种基于学习算法的先进扫描模式.论文将这种模式应用于周期性样品来测试其性能,仿真和实验结果表明它可以显著提高测量的速度和精度,同时将样品与探针针尖的距离控制在一个合理的范围之内,以避免损坏样品或探针.这种先进扫描模式可以应用于对快速生物过程的实时监测,同时也可以用来完成重复刻写等纳米操作.     

利用AFM探针机械刻划方法加工微纳米结构

为了探索在纳米尺度加工微纳米结构,MEMS/NEMS器件的新的加工方法,采用基于AFM改造的微加工系统,研究了探针机械刻划机理,分析了工作台的定位精度,AFM的工作模式,探针形状等因素的影响.以复杂字体“哈工大“为例说明了微纳米结构轮廓坐标的获得,并加工了实例.同时还给出了齿轮形状,各种复杂二维结构的加工实例.结果表明采用AFM探针机械刻划技术可以应用在微纳米尺度结构的加工领域.     

I~2形原子力显微镜探针设计优化

针对基于微机电系统(MEMS)技术的I~2形原子力显微镜(AFM)探针与传统悬臂式探针相比,虽然有很多优点,但由于I~2形探针的压阻检测设计未考虑结构应变分布,导致检测灵敏度较悬臂式探针相比尚有一定差距的问题,通过对I~2形探针应变分布的考察,实现了探针结构优化设计。实验结果表明:在相同结构,相同输入前提下,改进后探针的力灵敏度达到28. 9p N/Hz~(1/2),较原有基础上提高10倍。通过进一步对检测电路的优化,力灵敏度有望满足商用需求(小于10p N/Hz~(1/2))。     

基于原子力显微镜动力学模型的新型接触式扫描成像策略

面向高速高精度原子力显微镜的扫描成像策略是当今微纳米控制领域的热点问题。本文设计了一种新型的原子力显微镜接触式扫描算法,该算法充分挖掘了AFM压电陶瓷运动平台和微悬臂的动力学特性,通过对微悬臂偏转角进行跟踪控制以达到AFM高速高精度成像的目的。在动力学建模方面,本文提出了一种新颖的基于AFM压电陶瓷运动平台动态方程及微悬臂动态特性的复合动力学模型,该模型所构建的动力学系统可以通过压电陶瓷的输入电压对微悬臂偏转角进行精确控制。在此基础上,本文设计了一种新型的图像融合算法,利用AFM正反向扫描得到的两幅图像进行融合匹配,能够较好地消除AFM控制周期暂态特性所带来的图像畸变,提高AFM扫描成像准确度。本文所提出扫描成像策略的有效性在AFM实验平台上进行了验证,实验结果表明此成像策略能够在较高扫描频率下得到较为理想的成像效果。最后通过对比实验将这种方法与传统接触式扫描算法的成像效果进行了比较,结果表明对比传统方法本文所提出的AFM成像策略可以更好地保证成像速度和精确度。     

原子力显微镜中PID参数最优控制策略研究

原子力显微镜(AFM)中PID参数对系统的性能起到决定性作用,选取较好的PID参数会提高系统整体稳定性和准确性.针对AFM系统中PID参数调节不准确问题,提出一种基于天牛群优化算法的PID最优控制策略.采用继电反馈对AFM系统进行分析,获取PID参数稳定运行区域,在约束范围下通过天牛群优化算法得到最优控制器参数及最佳性...     

原子力显微镜系统广义预测控制与成像

在原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)扫描样品时,控制参数调节困难,依赖于操作经验.本文基于在线动态模型辨识,提出了一种AFM系统广义预测自校正控制与成像方法.首先,利用CARIMA(controlled autoregressive and moving-average)参数模型来描述局部线性化后的AFM系统模型,并通过在线动态模型辨识得到线性化模型的参数;基于该模型,采用基于GPC(generalized predictive control)的优化方法,在线求解类PI(proportional integral)控制器的参数,进而得到一种具有控制参数自动调整功能的AFM成像方法.为了验证本文方法的有效性,进行了仿真与实验测试.结果表明,在AFM扫描速度不同或PI参数选择不恰当的情况下,该方法能够自动地调整控制器参数,从而减小控制误差,提高成像精度.     

利用原子力显微镜观测气敏薄膜的平整度

介绍原子力显微镜功能、原理和结构,用于检测原子之间的接触来呈现样品的表面形貌特性,如粗糙度、起伏不平整度等,提供三维表面图像。常用的是激光反射检测系统,由探针、激光发生器和光检测器组成。探针是由悬臂和悬臂末端的针尖组成,悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术用MEMS技术加工而成。当在样品表面扫描的探针引起悬臂梁弯曲时,产生应力。再由压电陶瓷能将十几分之一纳米到几微米的位移而导致的应力信号转换成1mV~1000V的电信号,以代表样品表面的不平整度。同时简单介绍了利用原子力显微镜观察不同退火温度对制备的气敏传感器薄膜表面晶粒度的影响,以及不同腐蚀液抛光硅片的效果。     

基于三维仿真技术的显微镜生物实验教学系统

三维仿真系统是一个将现实场景转换成计算机虚拟现实的实时系统,以传统显微镜生物实验为例,构建了显微镜生物实验三维仿真系统.首先利用建模工具3ds MAX软件将真实显微镜转换成计算机模型数据,然后通过三维引擎绘制渲染,同时,三维引擎通过接受各种操作信息来改变显微镜模型的状态,实现人机交互,并进行显微镜生物实验的模拟.让学生既能了解显微镜的构造和功能,又可以不断反复地练习与操作实验,有利于对实验过程的认知与熟悉.     

原子力显微镜中微悬臂梁分布参数系统的Hammerstein模型

为提高原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)中微悬臂梁分布参数模型的精度,本文提出了包含非线性时空特性的改进模型,在此基础上简化控制器的结构.首先加入非线性补偿项修正传统分布参数模型;然后采用Karhunen-Loève(K–L)方法提取系统主导空间基函数,实现系统输出的时空变量分离.利用求解得到的时间系数和系统激励,建立系统时域Hammerstein模型,使系统无限维偏微分方程模型转化为时域有限维常微分方程形式,控制器的设计无需考虑空间耦合的影响;最后,利用最小二乘支持向量机结合奇异值分解法辨识模型中的参数.与传统分布参数模型进行仿真和实验结果比较,验证了方法的有效性.     

基于RTLinux的AFM实时反馈控制系统

为了提高原子力显微镜(AFM)的测量性能,利用RTLinux良好的实时性,设计了一种开放式的反馈控制平台,完成了基于RTLinux的AFM实时反馈控制系统的软硬件设计,并在PC上具体实现这种实时反馈系统。测试结果表明,该系统能较好地实现AFM在Z方向上的实时反馈控制。利用该平台良好的开放性,可以将各种先进的控制方法应用于AFM系统中,以提高原子力显微镜的扫描速度和精度。此外,该基于RT-Linux的AFM系统还可以扩展成为一个开放式的纳米操作平台。     

基于3DS MAX的三维模型的优化研究

三维模型是虚拟现实系统中重要的组成部分,在三维模型的处理中存在两个主要问题：一是导入场景文件的时间过长,甚至因场景文件过大而不能导入。二是在微机上浏览场景费时,甚至出现断断续续的现象。因此需要在建模时进行优化,该文从简化模型和提高渲染速度两个方面提出了基于3DS MAX的优化三维模型及减少导入时间的多种方法。     

基于边缘增强扩散的AFM图像边缘检测

在原子力显微镜（AFM）图像边缘检测中,针对其噪声干扰以及目标与背景之间差异微小等问题,提出了一种新的解决方法。其基本思路是采用基于图像梯度统计知识选取合理的梯度阈值来构造边缘增强扩散算子,利用该算子对AFM图像进行边缘保留去噪处理后,用Canny算子检测并标记其边缘。实验采用固液界面AFM图像来对上述检测方法进行评价,从实验结果来看,这种方法在边缘检测精度上优于传统的Roberts边缘检测等方法。     

基于物体纵向扫描线的计算机三维物体绘制技术

计算机技术的高速发展使绘制三维复杂场景成为现实。目前有很多三维物体的绘制方法，但都是先扫描，再进行显示观察的。文中所讨论的基于物体三维纵向扫描线的计算机三维物体绘制技术，是一种适应实时扫描显示功能的绘制技术。由于它是以物体的纵向扫描线为绘制的基本单位，所以可以边扫描边进行显示。根据研究结果，可以利用已得到的物体的纵向扫描线绘制出完整的三维物体。     

基于稳健回归的AFM图像水平矫正算法

 AFM（Atomic Force Microscope,原子力显微镜）图像经常会出现背景倾斜或弯曲。背景倾斜的原因源于探针和样本表面的倾角或XYZ扫描仪带来的弯曲。本文将稳健的MM估计算法应用到AFM图像二维背景拟合中,消除背景的倾斜,并利用fast-s估计算法作为初始化,以缩短计算时间。实验结果表明,与传统方法相比,本方法的AFM图像水平矫正效果更好。     

基于Apriori算法的立体仓库系统

传统仓库存储采用人力或人机结合方式搬运货物,采用纸笔记录相关库存和进出入库数据,存在效率低、安全隐患多和用人成本高等诸多问题.现代化工商业的发展对仓库存储技术提出了更高的需求,不仅仅局限于成本范畴,更成为获取利润的战略工具.本文介绍了自动化立体仓库系统的整体结构、各子系统功能及主要部分的设计.为了进一步提高生产效率,提升公司总体收益率,本文基于实验室的自动化立体库系统,将关联规则数据挖掘Apriori算法应用于其中,对出库信息进行挖掘,提供更加科学的生产和出库建议.该系统具有高度自动化、智能化、信息化管理等特点,对提高仓储管理效率,提高企业收益具有重要意义.     

基于分形理论的三维路面谱重构及在多体动力学软件中的应用

合理的道路纹理特征可以更好地反映路面抗滑性能和轮胎/路面接触特性。基于分 形理论提出了一种三维路面谱重构方法。依据国标给出二维随机路面谱的时域表达,利用计盒 维数法计算各级路面分形维数,综合应用随机中点位移法和分形布朗运动原理将传统二维路谱 拓展为三维路面谱。以典型的减速带为例,将特殊激励同构到含有细节形貌的平整路面谱中。 在 TruckSim 软件中通过编译实现三维路面谱在车辆多体动力学软件中的应用。通过对比二维路 谱和三维路谱下车辆动力学响应发现：垂向力和纵向力差异不大,有较好地一致性,但侧向力 相差比较大,表明所建立的三维路面谱有较好精度的同时反映了路面的三维纹理特性,为车辆 曲线通过性能和车辆侧翻控制研究提供了基础。     

单摄像头下三维场景中的目标尺寸测量

为了实现单摄像头监控下的三维场景中目标的尺寸测量,本文基于树莓派3代B型视频数据采集设备,利用三维距离函数进行测距并修改了三维距离函数中光轴参数OO''的选择过程,减小了测距中距离的数据误差. 针对传统三维距离函数模型的平面局限性即测量目标部分跳出监控区域地面的情况,提出了一种扩大测量范围的方法,将测量延伸至垂直面实现了单目视觉下三维场景的目标尺寸测量,实验结果表明,本文给出的算法扩大了固定单摄像头下测量的范围,提高了测量精度.     

基于SLM显微立体视觉模型的3D微定位研究

基于体视显微镜(Stereolightmicroscope,SLM)的显微立体视觉已经在微操作领域应用。本文研究了基于SLM显微立体视觉模型的微操作系统中的三维微观定位问题。通过对SLM双光路的分析,给出了描述二维图像空间和三维物空间映射的弱非线性显微立体视觉模型。采用立体匹配算法和目标识别两种方式对运动图像序列中的目标对象进行捕捉,可以批量给出立体图像中相关点的坐标。利用显微立体视觉理论模型和显微图像处理实现了微操作系统中的微观3D定位。     

基于AFSA-LSSVM的三维传感器节点定位

为了提高三维无线传感器的定位精度,针对最小二乘支持向量机（LSSVM）参数优化问题,提出了一种人工鱼群算法（AFSA）优化LSSVM的传感器点定位方法（AFSA-LSSVM）.首先构建三维无线传感器定位模型的学习样本,然后采用LSSVM构建三维节点定位模型,并采用AFSA模拟鱼群的觅食、聚群及追尾行为找到最优LSSVM参数,最后采用仿真实验测试节点的定位性能.结果表明,相对于其它定位方法,AFSA-LSSVM提高了传感器节点的定位精度,具有一定的实际应用价值.