压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正

为了对原子力显微镜(AFM)中压电陶瓷管扫描位移进行非线性校正,提出了一种微位移测量与校正的简易方法.采用涡流位移传感器测量微位移,将其放大100倍以提高检测灵敏度;得到了压电陶瓷管的位移-电压曲线,其最高位移分辨率计算值为0.4 nm.根据AFM中压电陶瓷管的工作特点,确定扫描范围下测量得到的位移-电压关系,通过对等间隔像素点施加对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正,依据像素点精度要求通过插值算法获得控制电压序列.系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,校正后压电陶瓷管最大位移滞回偏差从10.1%降为0.4%.实验表明:扫描频率和扫描像素分辨率调节方便,同时校正算法复杂度也有所降低.     

三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。     

压电陶瓷微纳米伸缩量测试系统

介绍了一种压电陶瓷的微纳米伸缩量的测试系统。该系统是通过调节加在陶瓷管内外管壁上的电压变化来实现陶瓷管的伸缩,其驱动电压由计算机编程并经过D/A转换后输出,再依次通过低压和高压放大后加在陶瓷管壁上。压电陶瓷的伸缩量则由电感测微仪进行测定。实验结果表明,利用该系统可以很方便地测量压电陶瓷管的伸缩,其伸缩量随着电压的变化而变化,但并非成简单的线性关系,而是呈一条曲线。     

补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法

研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题。压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变。迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法。在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变。在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性。由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用。此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率。闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率。三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性。     

大行程纳米级共平面二维精密工作台的研究

研究开发了一种大行程纳米级共运动平面二维工作台,该工作台采用宏/微两级驱动,宏驱动由滑动导轨、直流无刷电机、精密丝杠组成,微驱动由平行平板柔性铰链和压电陶瓷组成。对平行平板柔性铰链进行了力学分析,并推导计算了其固有频率。工作台移动范围为50mm×50mm,可实现5nm的运动分辨率。工作台在X、Y方向分别装有衍射光栅计量系统,宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量,计量系统的有效位移分辨率为2.3nm。该二维工作台具有通用化和小型化特点,可以用于微纳米表面的测量与微机电系统的控制与加工。     

新型集成三维微力检测微夹持器

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器。采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法。实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4 μN,Z向的分辨率为4.2 μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274 μm。     

微位移测试系统设计

采用了在压电陶瓷基体上直接粘贴电阻应变片组成电桥测量压电陶瓷微位移的方法。以微控制器AT89C52为核心设计了微位移测试系统。文中详细介绍了放大、滤波等信号调理电路，A／D转换电路，D／A转换电路，LED显示电路和看门狗及其电源监控电路等。该系统已经过调试运行，实验证明了用该方法测量压电陶瓷微位移的方法是可行的。     

基于AFM的微位移测量新方法研究

提出了一种测量物体微位移的新方法。原子力显微镜作为测量工具,样品和扫描器置于待测物体上,物体每移动一定距离就由AFM扫描获得一幅样品图像,由此获得一系列连续的序列图像。采用模板匹配方法检测相邻序列图像的偏移,从而可计算出物体的微位移。实验结果表明,用该方法还可实现物体二维方向的微位移测量,且精度达到纳米量级。     

基于压电陶瓷管扫描器的大范围纳米定位系统

提出一种基于压电陶瓷管扫描器的X-Y二雏大范围纳米级定位系统,该系统利用摩擦力和惯性使样品产生步进式的微位移.阐述了该系统的设计和工作原理,并给出了它在原子力显微镜中用于探针一样品间的定位控制的应用实例,取得了理想效果.     

大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术

为了进一步扩大原子力显微镜(AFM)的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统.该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制.针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术.首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入.实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响.     

0～50V高精度、可程控直流精密电压源

介绍一种高精度程控电压源的工作原理.利用切换D/A转换器的基准电源来改变输出电压动态范围,从而达到提高D/A转换器分辨率的目的.以非常低的代价取代了昂贵的高精密电压源.     

基于LVDT和SGS的微定位嵌入式控制系统

针对纳米定位控制系统信号的微弱性、多样性特点以及实现纳米级检测需求,文中设计了基于LVDT(Linear Variable Differential Transformer)和SGS( Strain Gauge Sensor)传感器微定位嵌入式控制系统.该系统通过LVDT和SGS两种传感器来检测微小位移并转化成模拟电压输出,采用16位AD对输出电压进行采集,并利用ARM7对采集的数据进行处理,然后通过LCD显示位移,以及通过16位DA输出与位移成正比的电压.实验表明:该系统具有较高的采样率和采样精度,使用方便灵活,具有广阔的应用前景.     

高精度影像测量系统中图像的超分辨率重建

为了提高影像测量系统的测量精度,研究了基于微位移错位的多幅图像超分辨重建技术.考虑制作成本和制作难度,提出了一种不苛求精确微位移的超分辨率重建技术.首先,获取随机微位移图像序列;然后,利用被测对象中易于实现高精度提取的特征点或采用模板衬底中的特征点计算出图像序列间的准确位移关系;最后,根据本文提出的数学模型重建出高分辨...     

Correction of image drift and distortion in a scanning electron microscopy

Continuous research on small‐scale mechanical structures and systems has attracted strong demand for ultrafine deformation and strain measurements. Conventional optical microscope cannot meet such requirements owing to its lower spatial resolution. Therefore, high‐resolution scanning electron microscope has become the preferred system for high spatial resolution imaging and measurements. However, scanning electron microscope usually is contaminated by distortion and drift aberrations which cause serious errors to precise imaging and measurements of tiny structures. This paper develops a new method to correct drift and distortion aberrations of scanning electron microscope images, and evaluates the effect of correction by comparing corrected images with scanning electron microscope image of a standard sample. The drift correction is based on the interpolation scheme, where a series of images are captured at one location of the sample and perform image correlation between the first image and the consequent images to interpolate the drift–time relationship of scanning electron microscope images. The distortion correction employs the axial symmetry model of charged particle imaging theory to two images sharing with the same location of one object under different imaging fields of view. The difference apart from rigid displacement between the mentioned two images will give distortion parameters. Three‐order precision is considered in the model and experiment shows that one pixel maximum correction is obtained for the employed high‐resolution electron microscopic system.     

对n＋m位A／D转换器设计方法的研究

低分辨率Ａ／Ｄ转换器通过外接电路处理可获得较高分辨率。文章对此类高分辨率Ａ／Ｄ转换器电路的设计方法作深入研究,提出ｎ＋ｍ位Ａ／Ｄ转换器概念。总结设计规律,揭示误差关系与高精度设计方法。     

基于几何光学的图像矫正法在圆管PIV实验中的应用研究

粒子图像速度技术被广泛用于流体流动测量,介质折射率差异使光在圆管壁面发生偏折,导致图像失真,直接影响速度测量精度。本文建立了光学折射的物理模型,得到圆形管道中物点和图像点之间的函数关系进而得到矫正后图像的像素坐标,使用双线性插值算法得到像素灰度值重建出矫正后的粒子图像,最后根据多重网格迭代算法计算管内速度场。分别对流体进行管内静态流体与管内层流速度场测量实验,对比了光学矫正箱法、线性矫正以及基于光学模型的畸变矫正方法误差。结果表明,本文提出的基于几何光学的图像矫正方法精度优于光学矫正箱法和线性矫正方法,并通过静态与流动实验充分验证了所建立几何光学模型的准确性和有效性。     

一种新型的光纤传感器的研究—对微位移的非接触测量

应用光纤传感技术设计一种新型光纤传感器。该传感器可用于表面粗糙度和微小位移的非接触测量。本文论述了其对微位移的测量。在该传感器特有的“零”工作点对信号采用差分放大处理,能实现对微位移的非接触测量,并具有纳米(10~(-?)m)级的分辨率。     

Three-dimensional analysis of porous BaTiO3 ceramics using FIB nanotomography

Three‐dimensional (3D) data represent the basis for reliable quantification of complex microstructures. Therefore, the development of high‐resolution tomography techniques is of major importance for many materials science disciplines. In this paper, we present a novel serial sectioning procedure for 3D analysis using a dual‐beam FIB (focused ion beam). A very narrow and reproducible spacing between the individual imaging planes is achieved by using drift correction algorithms in the automated slicing procedure. The spacing between the planes is nearly of the same magnitude as the pixel resolution on scanning electron microscopy images. Consequently, the acquired stack of images can be transformed directly into a 3D data volume with a voxel resolution of 6 × 7 × 17 nm. To demonstrate the capabilities of FIB nanotomography, a BaTiO₃ ceramic with a high volume fraction of fine porosity was investigated using the method as a basis for computational microstructure analysis and the results compared with conventional physical measurements. Significant differences between the particle size distributions as measured by nanotomography and laser granulometry indicate that the latter analysis is skewed by particle agglomeration/aggregation in the raw powder and by uncertainties related to calculation assumptions. Significant differences are also observed between the results from mercury intrusion porosimetry (MIP) and 3D pore space analysis. There is strong evidence that the ink‐bottle effect leads to an overestimation of the frequency of small pores in MIP. FIB nanotomography thus reveals quantitative information of structural features smaller than 100 nm in size which cannot be acquired easily by other methods.