用于pzt驱动器的纳米位移传感器微信号检测与处理系统设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论文用于PZT驱动器的纳米位移传感器微信号检测与处理系统设计作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：胡欢检测技术与自动化装置余永研究员王慧副研究员二零一四年五月四日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster’SdegreeDesignofNanoscaleDisplacementSensor，SMicro—signaldetectionandProcessingSystemforPZTActuatorAuthor’SName：HuanHUSpeciality：Detection

2、TechnologyandAutomationEquipmentSupervisor：Prof．YongYuAssociateProf．HuiWangFinishedtime：May4m，2014中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用

3、权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：念永摘要纳米技术是20世纪80年代末期诞生后在21世纪占主导地位的前沿科技。由于它具有良好的发展前景，所以引起了国内外研究者极大的热情。科学家研究纳米技术需要一系列的工具去认识并改造纳米世界，其中压电陶瓷驱动器以其优良的性能得

4、到了广泛应用。本项目依托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”，研究设计了应用在原子力显微镜(AFM)中压电陶瓷驱动器中Z方向的纳米位移传感器。实现了传感器在压电陶瓷驱动器闭环控制中的作用，消除了压电陶瓷驱动器存在的非线性等不足，提高了它的测量精度。纳米位移传感器由两部分构成：信号的机械放大部分和信号的实时采集与处理部分。机械放大部分和采集部分经过四代的改进后传感器的性能有了很大的提高，但是采集到的数字信号还包含模拟滤波消除的噪声，还需要进一步处理。本文旨在进一步提高传感器性能研究了以下内容：1．搭建实验平台得到信号处理前的原始数字电压信号。将微弱

5、位移信号先经过柔性铰链机械放大，再通过粘贴在应变体上的电阻应变片将位移信号转换成电阻信号，接着经由惠斯通电桥电路得到了电压信号，再利用数据采集模块将模拟电压信号先后经过放大、滤波、采样处理，最后输出数字电压信号。2．分析原始数字电压信号的频谱特性，确定滤波方式。首先得到信号的时域曲线，确定为时变信号；再通过快速傅里叶变换工具得到信号的幅频特性，发现信号为非平稳信号而且有用成分主要集中在低频部分。最后确定进行数字滤波处理需处理信号的高频部分。3．确定了信号处理方法，希尔伯特一黄变换(Hilbert．HuangtransfoITn．}Ⅱ{T)。首先从理论上比较了傅里叶变换，小波分析，

6、HHT的优缺点，根据信号特性选取了HHT作为信号处理方法：对HHT进行了理论和仿真分析，从结果看HHT是一种完全自适应的信号处理方法，它可以直接根据信号的本征特征将信号分解成多个从高频到低频的固有模态函数(IntrinsicModeFunction，MF)，定性地对信号进行分析。4．应用经验模态分解(Empiricalmodedecomposition，EMD)对电压信号进行滤波，验证滤波的有效性。首先编写Matlab程序对信号进行EMD分解，得到不同频率的IMF；再通过选用两种可能的滤波方法(将最高阶IMF当作噪声，将最高阶和次高阶IMF当作噪声)对信号进行滤波：对信号重构后进

7、行线性拟合，对传感器静态性能进行验证通过线性度拟合结果对比得出EMD分解能够应用于此传感器的输出信号摘要并且改善传感器的静态性能。在输入lOnm，5nm，3nm间距时，线性度分别从原来的1．66％，13．53％，23．68％提高到1．46％，10．80％，21．95％。关键词：压电陶瓷驱动器纳米位移传感器数字信号去噪希尔伯特黄变换经验模态分解IIABSTRACTNanotechnologyhademergedinthelate1980sandquicklygraspedthedo