一種壓電陶瓷管掃描器的設(shè)計及其實驗系統(tǒng)研究.pdf

1、掃描隧道顯微鏡(STM)的問世給人們對原子級別的微觀領(lǐng)域進行觀測和操作提供了有效可行的工具。在此技術(shù)上產(chǎn)生的原子力顯微鏡(AFM),由于其自身的諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于微觀領(lǐng)域的觀測和操作。但是隨著微/納技術(shù)的不斷發(fā)展,其所涉及的領(lǐng)域也越來越廣。在一些實時性要求很高的領(lǐng)域,如化學(xué)反應(yīng)過程的觀察、生命活動變化過程的監(jiān)測等,它們的變化過程從開始到結(jié)束往往只能持續(xù)數(shù)秒的時間甚至更短,以至于現(xiàn)有AFM無法實現(xiàn)對進行實時觀測。因此,在確?，F(xiàn)有 AFM

2、檢測范圍及檢測精度的同時,提高其成像速率是一個迫切需要解決的重要問題。本課題在國家自然科學(xué)基金的資助下,對一種高性能壓電掃描器及其實驗系統(tǒng)進行了研究,為微觀領(lǐng)域的快速定位、觀測和操作提供一種解決方案。
　　首先,通過對傳統(tǒng)四分壓電陶瓷管結(jié)構(gòu)掃描器的優(yōu)缺點進行分析和研究,提出了一種新型的十二分壓電陶瓷管結(jié)構(gòu)掃描器。該結(jié)構(gòu)類型的掃描器融合傳感器和掃描器本身為一體;而且可以采用感應(yīng)電荷作為反饋信號,擺脫了電容傳感器高頻工作時噪聲干擾較大

3、的困擾,有助于掃描器在結(jié)構(gòu)緊湊的條件下實現(xiàn)閉環(huán)控制進行高速控制和掃描。然后根據(jù)掃描器的結(jié)構(gòu)原理確定了其結(jié)構(gòu)參數(shù),并利用有限元分析軟件對所設(shè)計的掃描器結(jié)構(gòu)進行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計,保證其諧振頻率和工作范圍等指標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計要求。
　　另外,根據(jù)所確定的十二分壓電陶瓷管掃描器的工作原理,進行標(biāo)定實驗系統(tǒng)、激光光路系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)方案設(shè)計。然后根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)和要求,對所需實驗構(gòu)件和設(shè)備進行比較分析和選購。并根據(jù)所選構(gòu)件和設(shè)備,利用三維建模

4、軟件進行掃描器系統(tǒng)設(shè)計。同時針對壓電陶瓷的遲滯、蠕變等非線性特性分析介紹了Prandtl-Ishlinskii(p-I)遲滯模型的構(gòu)建方法,并設(shè)計了適合壓電陶瓷管掃描器高速掃描的控制方案。
　　最后,基于所設(shè)計的掃描器方案,搭建了相應(yīng)的實驗系統(tǒng),測試了掃描器的相關(guān)特性。并根據(jù)理論分析和實驗數(shù)據(jù),構(gòu)建了掃描器 X、Y軸方向的相關(guān)遲滯模型及逆模型。實驗結(jié)果表明十二分壓電陶瓷管結(jié)構(gòu)掃描器具有良好的定位特性;Prandtl-Ishlins