第３１卷第１１期２０１８年１１月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏｌ ３１㊀Ｎｏ １１Ｎｏｖ.２０１８
项目来源：科技部国家重大科学仪器设备开发专项(２０１２ＹＱ０３００７５０８)ꎻ国家自然科学基金(２１６７６００５)收稿日期:２０１８－０５－０３㊀㊀修改日期:２０１８－０７－２７
ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＡｐｐｌｉｅｄｉｎＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｅｒａｍｉｃＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＳｔｒａｉｎＧａｕｇｅＳｅｎｓｏｒ∗
ＦＡＮＱｉｎｇｗｕ１ꎬ２ꎬＸＵＬｉａｏ１ꎬ２ꎬＬＩＵＸｕｄｏｎｇ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＨｅｎｇ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＹｕｅｆｅｉ３
(１.ＦａｃｕｌｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１２４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆ
ＤｉｇｉｔａｌＣｏｍｍｕｎｉｔｙꎬＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１２４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ
ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓꎬＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１２４ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＰＺＴａｃｔｕａｔｏｒｆｏｒｎａｎｏ￣ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｋｅｙｄｅｖｉｃｅｉｎａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ.Ａｐｉｅｚｏｅｌｅｃ￣ｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｎａｎｏ￣ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.ＩｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｔｈａｔｉｓｌｉｎｅａｒｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｍｐｌｉｆｉｅｒｔｏｆｉｌｔｅｒꎬａｍｐｌｉｆｙａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅＳＧＳｓｔｒａｉｎｓｉｇｎａｌｂｙＲＦｆｉｌｔｅｒｉｎｇ.ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｉｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎＡＤａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙｎｏｉｓｅａｎｄＦＩＲｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｉｎｇａｎｄｌｉｎｅａｒｆｉｔｔｉｎｇｉｎＭＡＴＬＡＢ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅ
ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｎｏｉｓｅｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０.５ｍＶꎬａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０.０６％ꎬｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅ￣ｍｅｎｔｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆ２ｎｍｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｔｕａｔｏｒｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｓｙｓｔｅｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｓｅｎｓｏｒꎻｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｉｎｇｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃꎻａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
ＥＥＡＣＣ:７２３０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００４－１６９９.２０１８.０１１.０２６
范青武１ꎬ２∗ꎬ徐㊀辽１ꎬ２ꎬ刘旭东１ꎬ２ꎬ张㊀恒１ꎬ２ꎬ张跃飞３
(１.北京工业大学信息学部ꎬ北京１０００２４ꎻ２.数字社区教育部工程研究中心ꎬ北京１０００２４ꎻ
３.北京工业大学固体微结构与性能研究所ꎬ北京１０００２４)
摘㊀要：基于压电陶瓷驱动的纳米扫描和定位系统ꎬ是原子力显微镜系统的关键部件ꎮ设计了基于电阻式应变传感器(ＳＧＳ)
的压电陶瓷微纳米位移定位系统ꎮ该系统在硬件上采用仪表放大器对ＳＧＳ应变信号进行ＲＦ滤波㊁放大㊁模拟滤波处理得到与压电陶瓷位移变化线性相关的电压信号ꎬ该信号由高精度ＡＤ采集ꎬ并通过控制器输出到上位机软件ＭＡＴＬＡＢ中进行噪声分析㊁ＦＩＲ数字滤波去噪㊁线性度分析ꎮ实验结果表明ꎬ该位移检测系统输出电压噪声峰峰值小于０.５ｍＶꎬ输出非线性误差小于０.０６％ꎬ可实现２ｎｍ的位移分辨率ꎮ该定位系统可以应用于原子力显微镜的开发中ꎮ 关键词：应变传感器ꎻ微位移检测ꎻ数字滤波ꎻ压电陶瓷ꎻ原子力显微镜
中图分类号:ＴＮ３８４㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００４－１６９９(２０１８)０１１－１７７０－０５㊀㊀随着科学技术水平的高速发展ꎬ所研究的对象也从宏观世界发展到了微观世界ꎬ微纳米定位技术已成为纳米生物工程ꎬ航空航天ꎬ机器人等领域的关键技术[１－２]ꎮ压电陶瓷驱动器具有分辨力高㊁动态响应快㊁不易受外界电磁场干扰等优点ꎬ广泛应用在超精密定位系统中ꎮ国内外对压电陶瓷的控制研究主要分为开环控制与闭环控制ꎬ开环控制简单㊁成本低ꎬ但系统的精度取决于压电陶瓷本身的特性曲线ꎬ由于压电陶瓷具有迟滞㊁蠕变㊁温漂等非线性特性ꎬ很难对特性曲线建立精确的数学模型ꎬ并且容易受到外界环境的干扰[３－４]ꎮ所以ꎬ开环控制在高精度定位场合不
适用ꎮ闭环控制对偏差信号进行调节ꎬ使输出跟踪输入ꎬ有效克服各种干扰ꎬ提高定位精度[５]ꎮ闭环控制时需要使用位移传感器实时检测压电陶瓷的输出位移ꎬ常用微位移检测装置有激光干涉仪㊁电容传感器㊁ＳＧＳ等[６－７]ꎮ激光干涉仪对周围环境需求极为苛刻ꎬ并且成本高ꎬ不能集成ꎮ电容式位移传感器对加工工艺要求极为严格ꎬ测量量程小ꎬ线性度差[８]ꎮＳＧＳ传感器是一种适合集成于压电陶瓷位移平台的微位移检测传感器ꎬ其频响特性好ꎬ结构简单ꎬ精度高[９－１０]ꎮ设计出高精度㊁高分辨率的纳米位移检测系统对精密定位系统具有重要的理论意义与实用价值ꎮ
第１１期范青武ꎬ徐㊀辽等：基于应变式传感器的压电陶瓷定位系统设计
㊀㊀１㊀ＳＧＳ测量原理及设计指标
１.１㊀ＳＧＳ测量原理
ＳＧＳ利用电阻应变效应将应变转换为电阻变
化ꎬ通过应变电阻可以将压电陶瓷输出的位移变化转化为应变电阻的变化ꎬ位移变化正比于电阻变化ꎬ使用惠斯通电桥检测电阻的变化[１１－１２]ꎮ如图１所示ꎬ为了提高ＳＧＳ传感器应变灵敏度ꎬ选用４个应
变电阻ꎬ组成等臂电桥ꎬ电桥各臂电阻为Ｒ１＝Ｒ４＝Ｒ＋ΔＲꎬＲ２＝Ｒ３＝Ｒ－ΔＲꎬＵｏ为输出电压ꎬＵ为电桥电路供电电压ꎬ则电桥输出电压如式(１)所示:
Ｕｏ＝
Ｒ１Ｒ３－Ｒ２Ｒ４
(Ｒ１＋Ｒ２)(Ｒ３＋Ｒ４)
(１)
代入上述电阻值化简为式(２):
ｕｏ＝４Ｕ４ΔＲＲæèçöø÷éëêêùûúú＝ＵΔＲＲæèçö
ø
÷(２)式(２)将电阻的变化量转化为电压的变化量ꎬ通过检测电桥输出电压可得到压电陶瓷输出移ꎬ并且检测位移的灵敏度与供电电压有关ꎬ供电电压越大ꎬ灵敏度越高
ꎮ
图１㊀ＳＧＳ传感器桥式电路
１.２㊀设计指标
本文使用芯明天Ｐ６６.Ｘ３０Ｓ系列压电陶瓷ꎬ内部集成ＳＧＳ传感器ꎬ压电陶瓷输出０~２０μｍ位
移行程时ꎬＳＧＳ输出０~１０ｍＶ差分信号ꎮ输出位移与输出电压是线性关系ꎬ比例系数为２ｎｍ/μＶꎮ本文要求检测系统达到２ｎｍ的位移分辨率ꎬ并且为了能够使用ＡＤ采集电压信号ꎬ提高信噪比ꎬ后续处理电路对差分信号放大５００倍ꎬ所以ꎬ位移检测系统的输出噪声应小于０.５ｍＶꎮ
２㊀系统电路整体设计方案
整体电路设计如图２所示ꎬ由硬件模块㊁ＡＤ模块㊁微控制器模块㊁压电陶瓷驱动电源组成ꎮ硬件处理模块对压电陶瓷输出的位移信号进行调理ꎮ微弱位移信号经过仪表放大器放大㊁模拟低通滤波电路滤除后输出ꎬ控制器控制ＡＤ采集低通滤波电路输出的电压信号ꎬ并输出到上位机ＭＡＴＬＡＢ中进行信
号分析与数字滤波处理
ꎮ
图２㊀位移检测系统整体设计框图
３㊀关键电路分析及设计
３.１㊀ＳＧＳ供电电路
由式(２)知:ＳＧＳ电路供电电压越大ꎬ输出电压灵敏度越高ꎬ在不影响ＳＧＳ应变电阻特性下ꎬ尽可能选择大的供电电压ꎮ并且ꎬ供电电压的稳定性与精度直接影响ＳＧＳ的输出ꎬ为了使输出电压真实的反映应变变化ꎬ供电电源选择基准稳压源ＡＤＲ４５５０ꎬ基准电压源能够提高稳定ꎬ高精度的电压ꎬ但是ꎬ基准稳压源输出电流很小ꎬ本系统使用传感器需要的供电电流为１０Ｖ/３５０Ω＝２８ｍＡꎬ而基准稳压源输出电流为几个毫安ꎬ所以需要提高电流输出能力ꎬ本文采用精密运放ＡＤＡ４６２２对基准源进行放大缓冲ꎮＡＤＩ公司型号ＡＤＡ４６２２运算放大器是双电源ꎬ轨至轨输出ꎬ精密ＪＦＥＴ输入运算放大器ꎬ输入失调电压３５０μＶꎬ失调电压漂移２μＶ/ħꎬ输入偏置电流ʃ１０ｐＡꎬ具有最
３５ｍＡ的输出电流能力ꎮ最后ꎬ设计电路中ＳＧＳ采用＋
图３㊀电桥供电电路
３.２㊀差分信号放大电路
ＳＧＳ电路输出的电压信号非常微弱ꎬ在压电陶瓷输出全行程范围时ꎬ输出电压为０~１０ｍＶꎬ本文设计要求检测系统能够检测２ｎｍ的位移分辨率ꎬ即识别１μＶ的电压变化量ꎬ为方便对微伏级信号量的采集处理ꎬ本文采用ＴＩ公司精密仪表放大器ＩＮＡ１１８Ｕ对信号放大ꎬ该器件具有高增益㊁高共模抑制比㊁低噪声㊁低偏置电流㊁低温漂的优点ꎬ利用外部电阻可实现１~１００００倍放大ꎬ本电路使用０.１％精度电阻对微弱电压信号放大５００倍ꎬ输出０~５Ｖ信号ꎮ电路设计如图４所示ꎮ
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第３１
卷
图４㊀差分信号放大电路
在电路前端设计了ＲＣ滤波电路ꎬ滤除输入端的ＲＦ高频干扰信号ꎬ需要注意的是必须选用相同规格的ＲＣ器件ꎬ否则会造成差模干扰
ꎮ
棱镜片
图６㊀幅频特性曲线
３.３㊀抗混叠低通滤波电路设计抗混叠低通滤波器用于滤波电路中的高频成分ꎬ消除后续输入Ａ/Ｄ中的有害信号ꎮ常用滤波器类型有巴特沃斯(Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ)滤波器㊁贝塞尔(Ｂｅｓｓｅｌ)滤波器㊁切比雪夫(Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ)滤波器㊁椭圆(Ｅｌｌｉｐｔｉｃ)滤波器[１２]ꎮＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器的通带区域最平坦ꎬ即在相应频率范围内衰减最小ꎮ为了保证在通频带范围内保持增益平坦性ꎬ过度带内频率响应曲线快速下降ꎬ降低噪声的影响ꎬ本文选择五阶巴特沃兹－贝塞尔低通滤波电路ꎬ－３ｄＢ截止频率为５００Ｈｚꎬ２ｋＨｚ时衰减－４０ｄＢꎬ电路设计如图５所示ꎬ幅频特性如图６所示ꎬ在３００Ｈｚ范围内ꎬ信号几乎不会衰减
ꎮ
图５㊀低通滤波电路
４㊀数字滤波器设计
在测量系统中ꎬ无论采用再高精度的器件ꎬ都无法避免随机噪声的干扰ꎬ经过模拟滤波后ꎬ也不能完全消除[１０]ꎮ并且ꎬ在实际测量中ꎬ位移信号的频率并不是固定不变的ꎬ使用模拟电路固定了滤波频率ꎬ不能随意更改ꎬ例如ꎬ当系统工作在低频或缓慢直流时ꎬ需要降低截止频率ꎬ在模拟滤波中必须更改电阻电容器件ꎬ比较麻烦ꎮ与模拟滤波器相比ꎬ数字滤波器由以下优点:①数字滤波器不受外部环境的干扰ꎬ
具有较高的可靠性ꎮ②数字滤波器具有精确的线性相位ꎮ③数字滤波器实现方便ꎬ参数调节灵活ꎮ④数字滤波器比模拟滤波器精度高ꎮ
经典数字滤波器主要分为无限脉冲响应(ＩＩＲ)
滤波器和有限长单位冲激响应(ＦＩＲ)滤波器ꎮ与ＩＩＲ相比ꎬＦＩＲ没有反馈回路ꎬ稳定性强ꎬ不存在震荡现象ꎬ并具有严格的线性相位ꎮ
本系统要求输入位移与输出电压具有严格的线性关系ꎬ信号经过数字滤波器后不产生相移ꎬ所以选择ＦＩＲ滤波器
４.１㊀系统噪声分析
系统上电后ꎬ压电陶瓷未加驱动电压且调整电路输出在零点附近ꎮ采样率设置为１ｋＨｚꎬ系统输出信号时域与频域曲线如图７㊁图８所示ꎮ
从图７可知ꎬ受系统内部与外部环境的干扰ꎬ在压电陶瓷无输出位移ꎬ即传感器无输入时ꎬ检测处理电路输出噪声峰峰值为３ｍＶꎮ从图８幅频特性曲线可知ꎬ干扰主要来自５０Ｈｚ工频噪声
ꎮ图７㊀
压电陶瓷无位移时检测电路输出曲线
图８㊀幅频特性曲线
４.２㊀ＦＩＲ滤波器设计
如图７和图８所示ꎬ抑制５０Ｈｚ噪声干扰可以
２
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第１１期范青武ꎬ徐㊀辽等：基于应变式传感器的压电陶瓷定位系统设计
㊀㊀降低系统输出噪声ꎬ提高系统分辨率ꎮＦＩＲ滤波器为有限冲激响应滤波器ꎬ其脉冲响应由有限个采样值构成ꎬＦＩＲ滤波器可以设计成既具有严格的线性相位ꎬ又可以设计成具有任意的幅度特性ꎮＦＩＲ滤波器的传递函数ꎬ输出方程可表示为式(３)㊁式(４)ꎮ
Ｈ(ｚ)＝ðＮ－１
ｎ＝０
ｈ(ｎ)ｚ－ｎ㊀㊀(３)ｙ(ｎ)＝
ðＮ－１
ｋ＝０
ｈ(ｋ)ｘ(ｎ－ｋ)(４)
式中:Ｎ为滤波器的阶数ꎬｈ(ｎ)为单位冲激响应ꎬｘ(ｎ)为原始信号ꎬｙ(ｎ)为滤波后的信号ꎮ
活性炭面膜４.３㊀ＦＩＲ窗函数
窗函数法也称为傅里叶级数法ꎬ首先给出所要求的理想滤波器的频率响应Ｈｄ(ｅｊｗ)ꎬ设计一个ＦＩＲ频率响应Ｈ(ｅｊｗ)＝
ðＮ－１
ｎ＝０
ｈ(ｎ)ｅ－ｊｗｎ来逼近Ｈｄ(ｅｊｗ)ꎮ但是设计实在时域进行的ꎬ因而由理想的频率响应Ｈｄ(ｅｊｗ)的傅里叶变换导出ｈｄ(ｎ)即
ｈｄ(ｎ)＝
１
２π
ʏ
π－π
Ｈｄ(ｅｊｗ
)ｅｊｗｎｄｗ
(５)
ｈｄ(ｎ)是无限长序列ꎬ且是非因果的ꎬ而设计的
ＦＩＲ滤波器其ｈ(ｎ)是有限长序列ꎬ用有限长的ｈ(ｎ)来逼近无限长的ｈｄ(ｎ)最有效的方法是进行加窗处理ꎬ使用一个有限长度的窗口函数序列ｗ(ｎ)截取ｈｄ(ｎ)ꎬ即:
ｈ(ｎ)＝ｗ(ｎ)ｈｄ(ｎ)
(６)
因此窗函数序列的形状及长度的选择很关键ꎮ４.４㊀ＦＩＲ滤波器的ＭＡＴＬＡＢ设计
使用ＭＡＴＬＡＢ封装函数ｆｉｒ１以经典方法实现加
窗线性相位ＦＩＲ滤波器设和带阻滤波器ꎮ它可以设计出标准的低通㊁带通㊁高通和带阻滤波器ꎮ本系统中ꎬ干扰主要来自５０Ｈｚ工频噪声ꎬ压电陶瓷驱动频率低于１００Ｈｚꎮ采样率设置为１ｋＨｚꎬ采用汉明窗设计的阻带－低通滤波器ꎬ阶数设为３００ꎬ如图９所示为ꎬ在ＭＡＴＬＡＢ设计的ＦＩＲ数字滤波器ꎬ在５０Ｈｚ时噪声衰减４０ｄＢ
ꎮ
图９㊀ＦＩＲ滤波器幅频特性
５㊀实验测试分析
根据以上系统电路设计及数字滤波分析ꎬ进行实验测试ꎮ
５.１㊀ＳＧＳ供电电源性能测试
供电电源为ＳＧＳ提供电压基准ꎬ供电电源的稳定性与噪声大小影响ＳＧＳ的输出ꎬ从而影响位移系统的测量精度ꎬ实验测试供电电源的输出波形如图１０所示ꎬ电源输出电压噪声峰峰值小于０.７ｍＶꎬ供电电源稳定可靠
ꎮ
图１０㊀供电电源测试
５.２㊀电路输出噪声测试
低通滤波电路的输出电压反应压电陶瓷的位移ꎬ输出电路的噪声决定了系统的分辨率ꎬ将供电电源连接到ＳＧＳ供电端口ꎬＳＧＳ输出端连接到仪表放大电路输入端ꎬ使用泰克示波器观察ꎬ采样率
１ｋＨｚꎬ实验测试输出噪声峰峰值小于２.５ｍＶꎬ测试图形如图１１所示ꎮ
将图１１中采集的输出信号使用ＦＩＲ在ＭＡＴＬＡＢ上对输出信号进行滤波处理后的波形ꎬ输出噪声峰峰值小于０.５ｍＶꎬ传感器信号调理电路可实现２ｎｍ的位移分辨率ꎮＦＩＲ滤波后输出噪声如图１２所示
ꎮ图１１㊀
输出噪声测试
图１２㊀ＦＩＲ滤波后输出噪声
５.３㊀分辨率测试
分辨率反映了位移测量电路对压电陶瓷输出最小位移变化的检测能力ꎬ本文使用自制压电陶瓷驱动电源输出幅值可调方波电压信号ꎬ驱动压电陶瓷输出微小位移ꎬ由ＡＤ采集ＳＧＳ检测电路输出的电
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传㊀感㊀技㊀术㊀学㊀报
ｗｗｗ.ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ.ｃｏｍ第３１卷
压信号ꎬ实验分析ꎬＳＧＳ检测电路输出信号分辨率小于１.５ｍＶꎬ分辨率特性如图１３所示ꎮ
对系统输出信号采集㊁ＦＩＲ数字滤波后ꎬ分析结果如图１４所示ꎬ输出信号分辨率得到明显改善
ꎮ
图１３㊀
输出电压分辨率测试捕虾笼
图１４㊀ＦＩＲ滤波后系统输出电压分辨率
５.４㊀线性度测试
线性度是描述位移检测系统精度的一个很重要指标ꎮ压电陶瓷驱动电源以１.５Ｖ步距输出０~１００Ｖ电压ꎬ使用高精度ＰＩ公司微位移标定平台测试压电陶瓷输出位移与位移检测电路输出电压之间的关系ꎬ使用一阶线性曲线拟合ꎮ测试结果表明ꎬ系统非线性误差小于０.０６％ꎬ均方根误差为１.７２２ｍＶꎬ如图１５所示
ꎮ
图１５㊀线性度测试
６㊀结束语
实现压电陶瓷高精度高分辨率定位是原子力显微镜进行纳米观测与操纵的关键技术ꎮ采用ＳＧＳ传感器与高精度处理电路ꎬ实现对压电陶瓷输出微位移的检测ꎬ使用ＦＩＲ数字滤波算法进一步减少噪声干扰ꎬ并搭建电路系统进行验证ꎮ实验结果表明ꎬ该系统输出噪声峰峰值小于０.５ｍＶꎬ输出电压分辨率小于０.５ｍＶꎬ能够实现２ｎｍ的位移分辨率ꎬ非线性误差小于０.０６％ꎬ具有高精度高分辨率的特性ꎬ能有效应用于原子力显微镜系统ꎮ汽车尾气抽排系统
参考文献:
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７３５.
范青武(１９７７－)ꎬ男ꎬ山西平遥人ꎬ博薄膜生产线
士ꎬ副教授ꎬ硕士生导师ꎬ主要从事智能
优化控制㊁纳米操作技术与仪器制造等
方面的研究ꎮｆｑｗ＠ｂｊｕｔ.ｅｄｕ.ｃｎ
ꎻ
徐㊀辽(１９９１－)ꎬ男ꎬ安徽宿州人ꎬ硕士
研究生ꎬ主要从事智能优化控制㊁纳米
操作技术与仪器制造等方面的研究ꎮ
１３４３２７３１７３＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ
４７７１
