压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正

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1、第１７卷第９期光学精密工程Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．９２００９年９月ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｐ．２００９文章编号１００４９２４Ｘ（２００９）０９２２１２０６压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正董维杰１，宋志杨１，崔岩２（１．大连理工大学电子与信息工程学院，辽宁大连１１６０２３；２．辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁大连１１６０２３）摘要：为了对原子力显微镜（ＡＦＭ）中压电陶瓷管扫描位移进行非线性校正，提出了一种微位移测量与校正的简易方法。采用涡流位移传感器测量微位移，将其放大１

2、００倍以提高检测灵敏度；得到了压电陶瓷管的位移电压曲线，其最高位移分辨率计算值为０．４ｎｍ。根据ＡＦＭ中压电陶瓷管的工作特点，确定扫描范围下测量得到的位移电压关系，通过对等间隔像素点施加对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正，依据像素点精度要求通过插值算法获得控制电压序列。系统采用ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器技术，校正后压电陶瓷管最大位移滞回偏差从１０．１％降为０．４％。实验表明：扫描频率和扫描像素分辨率调节方便，同时校正算法复杂度也有所降低。关键词：压电陶瓷管；涡流位移传感器；位移测量；非线性校正；虚拟仪器

3、中图分类号：ＴＮ３８４；ＴＢ９２文献标识码：Ａ犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋犪狀犱狀狅狀犾犻狀犲犪狉犮狅狉狉犲犮狋犻狅狀犳狅狉犿犻犮狉狅犱犻狊狆犾犪犮犲犿犲狀狋狅犳狆犻犲狕狅犮犲狉犪犿犻犮狋狌犫犲１，ＳＯＮＧＺｈｉｙａｎｇ１，ＣＵＩＹａｎ２ＤＯＮＧＷｅｉｊｉｅ（１．犛犮犺狅狅犾狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犪狀犱犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犇犪犾犻犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犇犪犾犻犪狀１１６０２３，犆犺犻狀犪；２．犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔犳狅狉犕犻犮狉狅／犖犪狀狅犜犲犮犺狀狅犾狅

4、犵狔犪狀犱犛狔狊狋犲犿狅犳犔犻犪狅狀犻狀犵犘狉狅狏犻狀犮犲，犇犪犾犻犪狀１１６０２３，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＡｓｉｍｐｌｅｗａｙｔｏｍｅａｓｕｒｅａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆａｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｔｕｂｅｕｓｅｄｉｎａｎＡｔｏｍＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ犡／犢ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙａｎｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｅｒａｎｄｉｔｉｓａｍｐｌｉｆｉｅｄｂｙ１００ｔｉｍｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔ

5、ｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｏｆｐｉｅｚｏｃａｒａｍｉｃｔｕｂｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｖｏｌｔａｇｅｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏｂｅ０．４ｎｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｕｂｅ，ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｎｏｎｅｑｕｉ

6、ｄｉｓｔａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｖｏｌｔａｇｅｓｅｑｕｅｎｃｅｓｔｏｓｃａｎｎｉｎｇｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔｐｉｘｅｌ，ｉｎｗｈｉｃｈｎｏｎｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｖｏｌｔａｇｅｓｅｑｕｅｎｃｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｉｘｅｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｈｙｓｔｅｒ

7、ｅｓｉｓｅｒｒｏｒｏｆｆｕｌｌｓｃａｌｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ１０．１％ｔｏ０．４％．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｃａｎａｄｊｕｓｔｔｈｅｓｃａｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｐｉｘｅｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅａｓｉｌｙ，ａｎｄｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｇｒｅａｔｌｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｔｕｂｅ；ｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｅｒ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｃ

8、ｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ收稿日期：２００８０７２８；修订日期：２００８１００９．基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．９０６０７００２）第９期董维杰，等：压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正２２１３而外表面为４个面积相等、但彼此绝缘的导电［１３］１引言层，分别为±犡电极、±犢电极。基于逆压电效应，当把极性相反的两个电压