[发明专利]一种基于模型的压电陶瓷扫描器迟滞性前馈校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米观测和纳米操控领域中压电陶瓷扫描器迟滞性校正技术，具体地说是一种基于模型的压电陶瓷扫描器迟滞性前馈校正方法。

背景技术

在纳米观测和纳米操控领域，扫描探针显微镜是一种常用的观测与操控工具。扫描探针显微镜可以实现对样本的原子级成像、单原子操作的基础在于其内部可以实现纳米级定位的的压电陶瓷扫描器。选择压电陶瓷作为扫描探针显微镜扫描器的原因是压电陶瓷具有位移精度和分辨率高、响应速度快等特点，可以实现快速准确的纳米级定位。但是，压电陶瓷本身固有的非线性因素，大大降低了它的定位精度。压电陶瓷的非线性因素主要有三个：迟滞、蠕变和振动。其中，蠕变作用于压电陶瓷运动的开始段和结束段，振动发生在驱动频率接近压电陶瓷的固有频率时，只有迟滞因素作用于压电陶瓷运动的整个过程中，所以对于压电陶瓷扫描器的迟滞性校正是必不可少的。目前，对于压电陶瓷扫描器的开环校正方法主要有两种，一种是查表法，通过离线的实验记录压电陶瓷的输入输出数据，扫描时通过查表来得到所需的电压值，这种方法的缺点在于通用性差，而且只能设定几种典型扫描范围；另一种是测量压电陶瓷的响应之后，使用曲线拟合的办法，用一个多项式来对其进行拟合，这种方法的问题在于，拟合多项式的次数低的时候模型精度低，次数过高的话就无法求取解析逆解。

发明内容

针对扫描探针显微镜成像过程中压电陶瓷扫描器迟滞性引起的图像畸变等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够更加真实的反应扫描样本的形貌的基于模型的压电陶瓷扫描器迟滞性前馈校正方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明压电陶瓷扫描器迟滞性前馈校正方法包括以下步骤：

使用电容位移传感器测量压电陶瓷扫描器在线性输入电压下的响应数据；

对压电陶瓷扫描器的迟滞性建立数学模型；

根据上述测量得到响应数据识别数学模型参数，根据数学模型参数求取逆模型的参数，建立逆模型；

将逆模型的输出作为压电陶瓷扫描器的输入，对压电陶瓷扫描器进行线性化处理，完成压电陶瓷扫描器迟滞性前馈校正。

采用Prandtl-Ishlinskii模型对压电陶瓷扫描器迟滞性建立如下数学模型：

d(i)=ω→H→(i)=Σj=1NωjHj(i)]]>

H(i)＝max{v(i)-r，min[v(i)+r，H(i-1)]}

其中，d(i)为压电陶瓷扫描器的位移，为模型中N个基本算子的斜率值，为N个基本算子，N为基本迟滞算子的个数，v(i)为压电陶瓷的输入电压，r为每个基本迟滞算子的宽度值。

需要识别的数学模型参数包括基本迟滞算子的个数N，每个基本迟滞算子的宽度r和斜率ω。

其中通过仿真实验确定迟滞算子的个数为N＝8～15；

基本迟滞算子的宽度值为：