用于PZT驅(qū)動器的納米位移傳感器微信號檢測與處理系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期誕生后在21世紀(jì)占主導(dǎo)地位的前沿科技。由于它具有良好的發(fā)展前景，所以引起了國內(nèi)外研究者極大的熱情?？茖W(xué)家研究納米技術(shù)需要一系列的工具去認(rèn)識并改造納米世界，其中壓電陶瓷驅(qū)動器以其優(yōu)良的性能得到了廣泛應(yīng)用。本項目依托國家自然科學(xué)基金重點項目“納米環(huán)境中機(jī)器人化操作的理論體系與實現(xiàn)方法”，研究設(shè)計了應(yīng)用在原子力顯微鏡(AFM)中壓電陶瓷驅(qū)動器中Z方向的納米位移傳感器。實現(xiàn)了傳感器在壓電陶瓷驅(qū)動器閉環(huán)控制中的作用，

2、消除了壓電陶瓷驅(qū)動器存在的非線性等不足，提高了它的測量精度。
　　納米位移傳感器由兩部分構(gòu)成:信號的機(jī)械放大部分和信號的實時采集與處理部分。機(jī)械放大部分和采集部分經(jīng)過四代的改進(jìn)后傳感器的性能有了很大的提高，但是采集到的數(shù)字信號還包含模擬濾波消除的噪聲，還需要進(jìn)一步處理。本文旨在進(jìn)一步提高傳感器性能研究了以下內(nèi)容:
　　1.搭建實驗平臺得到信號處理前的原始數(shù)字電壓信號。將微弱位移信號先經(jīng)過柔性鉸鏈機(jī)械放大，再通過粘貼在應(yīng)變體上

3、的電阻應(yīng)變片將位移信號轉(zhuǎn)換成電阻信號，接著經(jīng)由惠斯通電橋電路得到了電壓信號，再利用數(shù)據(jù)采集模塊將模擬電壓信號先后經(jīng)過放大、濾波、采樣處理，最后輸出數(shù)字電壓信號。
　　2.分析原始數(shù)字電壓信號的頻譜特性，確定濾波方式。首先得到信號的時域曲線，確定為時變信號;再通過快速傅里葉變換工具得到信號的幅頻特性，發(fā)現(xiàn)信號為非平穩(wěn)信號而且有用成分主要集中在低頻部分。最后確定進(jìn)行數(shù)字濾波處理需處理信號的高頻部分。
　　3.確定了信號處理方法，

4、希爾伯特—黃變換（Hilbert-Huang transform，HHT）。首先從理論上比較了傅里葉變換，小波分析，HHT的優(yōu)缺點，根據(jù)信號特性選取了HHT作為信號處理方法;對HHT進(jìn)行了理論和仿真分析，從結(jié)果看HHT是一種完全自適應(yīng)的信號處理方法，它可以直接根據(jù)信號的本征特征將信號分解成多個從高頻到低頻的固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，定性地對信號進(jìn)行分析。
　　4.應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Em

5、pirical mode decomposition，EMD)對電壓信號進(jìn)行濾波，驗證濾波的有效性。首先編寫Matlab程序?qū)π盘栠M(jìn)行EMD分解，得到不同頻率的IMF;再通過選用兩種可能的濾波方法（將最高階IMF當(dāng)作噪聲，將最高階和次高階IMF當(dāng)作噪聲）對信號進(jìn)行濾波;對信號重構(gòu)后進(jìn)行線性擬合，對傳感器靜態(tài)性能進(jìn)行驗證通過線性度擬合結(jié)果對比得出EMD分解能夠應(yīng)用于此傳感器的輸出信號并且改善傳感器的靜態(tài)性能。在輸入10nm，5nm，3nm