用于压电陶瓷驱动器的纳米位移传感器信号采集与处理系统设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论文用于压电陶瓷驱动器的纳米位移传感器信号采集与处理系统设计姓名：孙汉宇申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：余永2011-05-06摘要摘要随着现代科学技术的不断发展，众多高科技领域均已进入了纳米世界，如航天产品的加工与制造、精密元器件的测量、高密度集成电路等等。由于纳米尺度具有接近于原子和分子尺寸的特点，一般的常规技术已不再适用，因此，研究纳米技术，特别是纳米操作与测量技术就成为当前各国研究的热点方向。压电陶瓷（PZT）驱动器以其优良的性能广泛地应用于纳

2、米级的微操作与微定位领域。然而由于其本身存在着迟滞、蠕变和非线性等不足，严重影响到其纳米级驱动的精度。针对压电陶瓷驱动器存在的上述问题，我们设计了一种可以对压电陶瓷驱动器实时输出位移进行检测的位移传感器，通过基于位置反馈的闭环控制方法来提高压电陶瓷驱动器的定位精度。通过对纳米位移传感器放大机构的3代改进，传感器的测量精度已经达到了纳米级别。本文正是在该位移传感器原有工作基础之上，试图通过改进其数据采集与处理系统来进一步提高传感器的测量精度。通过对原有的第二代数据采集与处理系统进行改进，先后设计并

3、完成了第三代及第四代数据采集与处理系统，使位移传感器的分辨率由原来的10nm提高到目前的3nm。本文在国家自然科学基金重点项目“纳米环境中机器人化操作的理论体系与实现方法”的资助下，以中科院合肥智能所机器人传感器实验室多年来在力传感器和位移测试平台的研究工作为基础，利用中科院沈阳自动化所微纳米实验室的纳米位移扫描定位台为试验平台，研制能够检测压电陶瓷驱动器实时驱动位移信息的纳米级位移传感器。本文的主要研究内容总结如下：1．在深入研究应变式电桥电路输出信号特点的基础之上，先后设计并实现了第三代及第

4、四代数据采集与处理系统的硬件电路。硬件电路主要包括电桥调零电路、前端多级放大电路、抗混叠滤波电路、数据采集电路及与上位机通信的USB电路。试验结果表明该电路可以在放大微弱差分信号的同时，有效地抑制环境周围存在的噪声干扰。2．设计并实现了基于LabVIEW的人机交互界面。该软件可以实现测量数据的实时显示与存储、分析及处理等功能，同时允许用户通过上位机发送命令实现对下位机的访问与控制。3．分别搭建了基于位移和力输入的两套传感器测试平台。利用新设计的第三代及第四代数据采集与处理系统对纳米位移传感器的性

5、能指标进行了全面的测试，给出了位移传感器的线性度、滞差、重复性等指标的参数曲线及分析结果。论文还分析了传感器力与位移输入曲线之间的关系。最后通过试验对比分I摘要析了原有的第二代数据采集与处理系统与新设计的第三、四代数据采集与处理系统的之间的性能差异。证明了本文的研究成果确实对之前设计的纳米位移传感器性能提高有帮助。关键词：压电陶瓷驱动器纳米位移传感器应变全桥电路数据采集与处理LabVIEWIIABSTRACTABSTRACTWiththedevelopmentofmodernscienceand

6、technology,manyhightechnologyfieldshaveenteredthenano-world,suchasprocessingandmanufacturingofaerospaceproducts,precisionmeasurementdevices,andhigh-densityintegratedcircuitsandsoon.Closetothenanometerscalewiththecharacteristicsizeofatomsandmolecules,

7、thegeneralconventionaltechniquesarenolongerapplicable,andthereforemanycountriesfocusedtheireyesonthestudyofnanotechnology,especiallyinnano-operationandmeasurementtechniques.Piezoelectricceramic(PZT)driverforitsexcellentperformanceiswidelyusedinmicro/

8、nanopositioningoperationfields.However,duetotheexistenceofitsownhysteresis,creepandnonlinearshortcomingsseriouslyaffecttheaccuracyofthenano-scalepositioning.Tosolvetheaboveproblem,wedesignedadisplacementsensortomeasuretherealtimedisplacementofPZTandu