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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

作　者: 孙汉宇
导　师: 余永
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 模式识别与智能系统
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 LabVIEW
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 180次
引　用: 3次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 研究背景及意义  11-16
    1.1.1 纳米技术研究的重要意义  11-12
    1.1.2 压电陶瓷驱动器的特性及存在的主要问题[10]  12-16
  1.2 微位移传感器的研究现状  16-17
    1.2.1 微位移传感器的国内外研究进展  16
    1.2.2 目前用于检测微位移的方法  16-17
  1.3 论文的主要研究内容及章节安排  17-20
    1.3.1 主要研究内容  17-19
    1.3.2 论文的章节安排  19-20
第2章基于柔性铰链的机械放大机构设计[28][29]  20-27
  2.1 用于压电陶瓷驱动器的纳米位移传感器设计要求  20
  2.2 基于柔性铰链的位移传感器放大机构设计  20-24
    2.2.1 基于柔性铰链的位移传感器放大机构概念设计  20-21
    2.2.2 基于柔性铰链的放大机构工作原理  21-23
    2.2.3 位移传感器的应变片选择  23-24
  2.3 传感器机械放大机构的优化与改进  24-26
    2.3.1 位移传感器第二代放大机构设计  24-25
    2.3.2 位移传感器第三代放大机构设计  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章数据采集与处理系统的硬件设计  27-48
  3.1 系统总体设计  27-28
  3.2 电桥电路设计[35]  28-32
    3.2.1 直流电桥平衡条件  28
    3.2.2 不平衡电桥的工作原理及输出电压  28-29
    3.2.3 电桥的非线性误差及其补偿  29-30
    3.2.4 电桥供电电路设计  30-32
  3.3 放大电路设计  32-36
  3.4 模拟滤波电路设计  36-38
  3.5 微控制器及模数转换电路设计  38-42
    3.5.1 第三代采集系统中微控制器及模数转换电路设计  38-39
    3.5.2 第四代采集系统中微控制器及模数转换电路设计  39-42
  3.6 通信电路设计  42-43
  3.7 电桥调零电路设计  43-46
    3.7.1 利用下拉电阻实现电桥调零  43-44
    3.7.2 利用电位器实现电桥调零  44-45
    3.7.3 利用D/A 转换器实现电桥调零  45-46
  3.8 数据采集与处理系统硬件实物图  46-47
  3.9 本章小结  47-48
第4章数据采集与处理系统的软件设计  48-57
  4.1 设计目标及数据通信协议设计  48-49
  4.2 下位机固件程序设计  49-50
  4.3 基于LabVIEW 的人机交互界面设计  50-56
    4.3.1 利用NI-VISA 实现通信接口模块设计  52-53
    4.3.2 数据格式转换模块设计  53
    4.3.3 采集面板控制模块设计  53-54
    4.3.4 数据提取及校验模块设计  54
    4.3.5 数据处理及显示模块设计  54-56
    4.3.6 数据存储模块设计  56
  4.4 本章小结  56-57
第5章传感器数据采集及处理系统性能测试  57-69
  5.1 系统测试方案及试验平台的介绍  57-59
    5.1.1 系统测试方案  57
    5.1.2 P-517 多轴纳米扫描定位平台  57-58
    5.1.3 六维力/力矩标定平台  58-59
  5.2 PI 标定平台位移输入测试结果及传感器静态性能指标测试  59-64
    5.2.1 线性度及分辨率测试  59-62
    5.2.2 滞差测试  62-63
    5.2.3 重复性测试  63-64
  5.3 六维力标定平台力输入测试结果及性能分析  64-65
  5.4 位移传感器力输入与位移输入关系研究  65-66
  5.5 几代数据采集与处理系统性能对比分析  66-68
  5.6 本章小结  68-69
第6章工作总结与展望  69-71
  6.1 工作总结  69-70
  6.2 工作展望  70-71
参考文献  71-75
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  75-76
致谢  76

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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