一种压电陶瓷管扫描器的设计及其实验系统研究

摘要

扫描隧道显微镜(STM)的问世给人们对原子级别的微观领域进行观测和操作提供了有效可行的工具。在此技术上产生的原子力显微镜(AFM),由于其自身的诸多优点被广泛应用于微观领域的观测和操作。但是随着微/纳技术的不断发展,其所涉及的领域也越来越广。在一些实时性要求很高的领域,如化学反应过程的观察、生命活动变化过程的监测等,它们的变化过程从开始到结束往往只能持续数秒的时间甚至更短,以至于现有AFM无法实现对进行实时观测。因此,在确保现有 AFM检测范围及检测精度的同时,提高其成像速率是一个迫切需要解决的重要问题。本课题在国家自然科学基金的资助下,对一种高性能压电扫描器及其实验系统进行了研究,为微观领域的快速定位、观测和操作提供一种解决方案。
　　首先,通过对传统四分压电陶瓷管结构扫描器的优缺点进行分析和研究,提出了一种新型的十二分压电陶瓷管结构扫描器。该结构类型的扫描器融合传感器和扫描器本身为一体;而且可以采用感应电荷作为反馈信号,摆脱了电容传感器高频工作时噪声干扰较大的困扰,有助于扫描器在结构紧凑的条件下实现闭环控制进行高速控制和扫描。然后根据扫描器的结构原理确定了其结构参数,并利用有限元分析软件对所设计的扫描器结构进行仿真分析和优化设计,保证其谐振频率和工作范围等指标参数满足设计要求。
　　另外,根据所确定的十二分压电陶瓷管扫描器的工作原理,进行标定实验系统、激光光路系统和综合系统方案设计。然后根据系统性能指标和要求,对所需实验构件和设备进行比较分析和选购。并根据所选构件和设备,利用三维建模软件进行扫描器系统设计。同时针对压电陶瓷的迟滞、蠕变等非线性特性分析介绍了Prandtl-Ishlinskii(p-I)迟滞模型的构建方法,并设计了适合压电陶瓷管扫描器高速扫描的控制方案。
　　最后,基于所设计的扫描器方案,搭建了相应的实验系统,测试了扫描器的相关特性。并根据理论分析和实验数据,构建了扫描器 X、Y轴方向的相关迟滞模型及逆模型。实验结果表明十二分压电陶瓷管结构扫描器具有良好的定位特性;Prandtl-Ishlinskii(p-I)迟滞模型构建原理能较好的描述压电陶瓷材料驱动器的迟滞非线性。

目录

一种压电陶瓷管扫描器的设计及其实验系统研究

DESIGN AND RESEARCH OF A KIND OF PIEZOELECTRIC TUBE SCANNER AND THE EXPERIMENTAL SYSTEM

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

第2章 扫描器结构设计及分析

2.1 引言

2.2 十二分压电陶瓷管扫描器

2.2.1 扫描器结构设计

2.2.2 扫描器结构参数设计

2.2.3 扫描器模态分析

2.3 本章小结

第3章 扫描器系统建立

3.1 引言

3.2 扫描系统实现

3.2.1 系统总体方案

3.2.2 标定系统设计

3.2.3 激光光路系统设计

3.2.4 扫描器系统实现

3.3 本章小结

第4章 系统控制方案及迟滞模型

4.1 引言

4.2 系统控制方案设计

4.3 迟滞模型

4.3.1 模型分类

4.3.2 Prandtl-Ishlinskii(p-I) 模型

4.4 PID控制原理简介

4.5 本章小结

第5章 系统性能测试及实验研究

5.1 引言

5.2 扫描器工作范围测定

5.2.1 X、Y轴方向工作范围测定

5.2.2 Z轴方向工作范围测定

5.3 X、Y轴方向迟滞模型及逆模型构建

5.3.1 X、Y轴方向位移-电压迟滞模型及逆模型识别构建

5.3.2 X、Y轴方向电荷-电压迟滞模型及逆模型识别构建

5.3.3 X、Y轴方向位移-电荷迟滞模型识别构建

5.4 扫描器定位特性测试

5.5 本章小结

结 论

参考文献

附录 实验数据

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢