用于PZT驅動器的納米位移傳感器微信號檢測與處理系統(tǒng)設計.pdf

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

2、消除了壓電陶瓷驅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成:信號的機械放大部分和信號的實時采集與處理部分。機械放大部分和采集部分經過四代的改進后傳感器的性能有了很大的提高，但是采集到的數字信號還包含模擬濾波消除的噪聲，還需要進一步處理。本文旨在進一步提高傳感器性能研究了以下內容:
　　1.搭建實驗平臺得到信號處理前的原始數字電壓信號。將微弱位移信號先經過柔性鉸鏈機械放大，再通過粘貼在應變體上

3、的電阻應變片將位移信號轉換成電阻信號，接著經由惠斯通電橋電路得到了電壓信號，再利用數據采集模塊將模擬電壓信號先后經過放大、濾波、采樣處理，最后輸出數字電壓信號。
　　2.分析原始數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。最后確定進行數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，根據信號特性選取了HHT作為信號處理方法;對HHT進行了理論和仿真分析，從結果看HHT是一種完全自適應的信號處理方法，它可以直接根據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(Intrinsic Mode Function，IMF)，定性地對信號進行分析。
　　4.應用經驗模態(tài)分解(Em

5、pirical mode decomposition，EMD)對電壓信號進行濾波，驗證濾波的有效性。首先編寫Matlab程序對信號進行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當作噪聲，將最高階和次高階IMF當作噪聲）對信號進行濾波;對信號重構后進行線性擬合，對傳感器靜態(tài)性能進行驗證通過線性度擬合結果對比得出EMD分解能夠應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