CN111337710A - 一种压电力显微镜数据读取和测量系统、装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电力显微镜数据读取和测量系统、装置及方法，系统包括控制单元，参数设置单元，数据读取单元，数据处理单元，数据分析单元。装置包括安装所述测量系统的PC机、锁相放大器和原子力显微镜、AFM数字接入模块，原子力显微镜的一个数据输出端与锁相放大器的第一输入端连接，原子力显微镜的数字线端口与AFM数字接入模块连接，AF数字接入模块的数字接入端口与锁相放大器的第二输入端连接，锁相放大器的USB串口与PC机连接，接收测量系统传输的参数设置信号，并将采集到的数据传输到测量系统。该方法基于该系统。能够读取锁相放大器采集到的数据，并对数据进行分析，生成需要的数字图像。
Description
技术领域
本发明属于材料测量技术领域，具体地说涉及一种压电力显微镜数据读取和测量系统、装置及方法。
背景技术
扫描探针显微镜(SPM)方法在纳米科学中得到了广泛的应用，可以对材料的形貌和表面结构进行成像。原子力显微镜(AFM)是扫描探针显微镜(SPM)的一个分支，广泛应用于物理、化学等领域。压电力显微镜也称为压电陶瓷力显微镜(PFM)是基于原子力显微镜的一个工作模式。是针对压电陶瓷力显微镜(PFM)，在多频模式和一般模式(g模式)下，通过使用MATLAB编程，以自定义的方式，锁定高频率、高采样率的信号数据，并读取出来，进行分析，以便PFM对铁电材料进行测量。
通常，SPM成像和光谱技术使用外差检测方法，使用锁相放大器。通过光电探测器收集到的信息将被缩小到一个合适的范围。通用模式(G-mode)是一种新的SPM检测方案，它可以获得探测器的全宽带响应(4～100Mhz)。
g模式检测针尖与材料表面的相互作用，最大化检测信息。这种检测方法可以充分呈现探头的响应，有利于不同频率的成像分析、噪声分析和数据压缩。
因此，目前的PFM技术需要慢速和快速测量信号的结合，但同时也限制了测量的速度、面积和分辨率。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明提供一种压电力显微镜数据读取和测量系统、装置及方法，该系统能够使锁相放大器与PC进行通信，从而实现对锁相放大器的参数设置，通过对锁相放大器的参数控制实现锁相放大器输出多频频率到AFM，从而实现AFM测量多种不同频率的调频，能够读取锁相放大器采集到的数据，并对数据进行分析，生成需要的数字图像。
为了达到上述目的，本发明采用的解决方案是：一种压电力显微镜数据读取和测量系统，包括：
控制单元，控制锁相放大器与带MATLAB的PC进行通信；
参数设置单元，用于设置锁相放大器的参数；
数据读取单元，用于读取锁相放大器记录的实验数据；
数据处理单元，用于对实验数据进行处理获得第一数字图像；
数据分析单元，用于采用优化算法对第一数字图像进行处理分析，得到优化后的第二数字图像。
所述的参数设置单元包括数据采集参数设置模块和多频信号参数设置模块，所述的数据采集参数设置模块用于设置采样参数，所述的多频信号参数设置模块用于设置多频信号参数。
所述的采样参数包括采样频率，所述的多频信号参数包括时间常数、多频振幅、中心频率和带宽。
所述的数据处理单元包括采样个数计算模块、第一数组切割模块和第一图像生成模块，所述的采样个数计算模块根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；所述的第一数组切割模块将二维数组切割为三维数组；所述的第一图像生成模块根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像。
所述的数据分析单元包括优化处理模块、第二数组切割模块和第二图像生成模块，所述的优化处理模块采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组；所述的第二数组切割模块将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；所述的第二图像生成模块根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。
所述的优化算法为主成分分析算法或聚类分析算法。
所述的数据读取单元包括数据合并模块和矩阵生成模块，所述的数据合并模块将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；所述的矩阵生成模块根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵。
应用所述的压电力显微镜数据读取和测量系统的装置，包括安装所述测量系统的PC机、锁相放大器、原子力显微镜和AFM数字接入模块，所述的原子力显微镜的一个数据输出端与锁相放大器的第一输入端连接，原子力显微镜的数字线端口与AFM数字接入模块连接，AF数字接入模块的数字接入端口与锁相放大器的第二输入端连接，锁相放大器的USB串口与PC机连接，接收测量系统传输的参数设置信号，并将采集到的数据传输到测量系统。
基于所述的压电力显微镜数据读取和测量装置的测量方法，包括：
S1：建立连接，测量系统向锁相放大器发送建立连接指令，实现测量系统与锁相放大器通信连接；
S2：参数设置，设置锁相放大器的参数；
S3：样品测试，AFM进行测试并将测试结果传输到锁相放大器；
S4：数据采集，锁相放大器根据参数对数据进行采集并存储；
S5：数据读取，读取锁相放大器记录的实验数据；
S501：将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；
S502：根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵；
S6：数据处理，对实验数据进行处理获得第一数字图像；
S601：根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；
S602：将二维数组切割为三维数组；
S603：根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像；
S7：数据分析，采用优化算法对第一数字图像进行处理分析，得到优化后的第二数字图像。
S701：采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组；
S702：将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；
S703：根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。
本发明的有益效果是：
(1)该系统能够使锁相放大器与PC进行通信，从而实现对锁相放大器的参数设置，通过对锁相放大器的参数控制实现锁相放大器输出多频频率到AFM，从而实现AFM测量多种不同频率的调频，能够读取锁相放大器采集到的数据，并对数据进行分析，生成需要的数字图像。
附图说明
图1为本发明测量系统结构框图；
图2本发明测量装置结构框图；
图3为AFM检测到的PPLN的谐振曲线图；
图4为PPLN样品振幅曲线图；
图5为BaFe12O19-BaTiO3样品振幅曲线图；
图6为光栅形貌原始信号图；
图7为测量系统处理后的光栅图像；
图8为bamb-bt原始信号图；
图9为测量系统处理后的测量系统处理后的图像图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种压电力显微镜数据读取和测量系统，包括：
控制单元，控制锁相放大器与带MATLAB的PC进行通信；
参数设置单元，用于设置锁相放大器的参数；
数据读取单元，用于读取锁相放大器记录的实验数据；
数据处理单元，用于对实验数据进行处理获得第一数字图像；
数据分析单元，用于采用优化算法对第一数字图像进行处理分析，得到优化后的第二数字图像。
所述的参数设置单元包括数据采集参数设置模块和多频信号参数设置模块，所述的数据采集参数设置模块用于设置采样参数，所述的多频信号参数设置模块用于设置多频信号参数。
所述的采样参数包括采样频率，所述的多频信号参数包括时间常数、多频振幅、中心频率和带宽。
所述的数据处理单元包括采样个数计算模块、第一数组切割模块和第一图像生成模块，所述的采样个数计算模块根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；所述的第一数组切割模块将二维数组切割为三维数组；所述的第一图像生成模块根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像。
所述的数据分析单元包括优化处理模块、第二数组切割模块和第二图像生成模块，所述的优化处理模块采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组；所述的第二数组切割模块将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；所述的第二图像生成模块根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。
所述的优化算法为主成分分析算法或聚类分析算法。
所述的数据读取单元包括数据合并模块和矩阵生成模块，所述的数据合并模块将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；所述的矩阵生成模块根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵。
如图2所示，应用所述的压电力显微镜数据读取和测量系统的装置，包括安装所述测量系统的PC机、锁相放大器和原子力显微镜和AFM数字接入模块，所述的原子力显微镜的一个数据输出端与锁相放大器的第一输入端连接，原子力显微镜的数字线端口与AFM数字接入模块连接，AF数字接入模块的数字接入端口与锁相放大器的第二输入端连接，锁相放大器的USB串口与PC机连接，接收测量系统传输的参数设置信号，并将采集到的数据传输到测量系统。
基于所述的压电力显微镜数据读取和测量装置的测量方法，包括：
S1：建立连接，测量系统向锁相放大器发送建立连接指令，实现测量系统与锁相放大器通信连接；
S2：参数设置，设置锁相放大器的参数；
S3：样品测试，AFM进行测试并将测试结果传输到锁相放大器；
S4：数据采集，锁相放大器根据参数对数据进行采集并存储；
S5：数据读取，读取锁相放大器记录的实验数据；
S501：将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；
S502：根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵；
S6：数据处理，对实验数据进行处理获得第一数字图像；
S601：根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；
S602：将二维数组切割为三维数组；
S603：根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像；
S7：数据分析，采用优化算法对第一数字图像进行处理分析，得到优化后的第二数字图像。
S701：采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组；
S702：将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；
S703：根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。
在本申请中锁相放大器将在外部使用，用来发送多频信号到AFM和记录数据。在本申请的一个实施例中采用的是一款高端数字锁相放大器HF2LI，信号频响可达50MHz，具有128位信号处理能力。锁相放大器与PC机通过高速USB端口连接，锁相放大器能够高速收集锁相放大器采集的数据。
HF2LI锁相放大器本身具有一个强大的用户界面LabOne，通过它可以直接控制锁相放大器。LabOne用户界面是一个基于浏览器的UI，它可以通过用任何受支持的语言编写的自定义程序进行控制和读取。在实验中LabOne用户界面需要保持运行状态。
在实验中，显微镜会逐行扫描材料表面，因此通过HF2LI采集到的数据是一个连续的信号。为了区分每条扫描线，需要使用可以由AFM数字接入模块发送的触发信号，AFM数字接入模块可以通过BNC线连接到HF2LI的第二输入端，也就是辅助输入端口。需要注意的是，因为数字接入模块只能发送数字信号，而使用的锁相放大器只能在背面的端口接收数字信号。辅助输入连接到相应的解调器。相应的输入带宽限制为20kHz。本申请的装置在使用时分为一般模式和多频模式。
在一般模式时，首先将HF2LI与AFM控制器进行适当连接，HF2LI的Aux输入1端口用电缆连接到AFM控制器的输出0，Aux输入2用电缆连接到数字接入线端口。连接完成后，运行测量系统和LabOne用户界面，测试系统向锁相放大器发送建立连接指令，实现测量系统与锁相放大器通信连接。然后通过参数设置单元设置锁相放大器的采样频率，参数设置单元向HF2LI发送该采样率，然后通过操作LabOne用户界面上的record按钮控制HF2LI开始记录数据，开始AFM扫描，扫描完成时，再次点击记录按钮来停止HF2LI。然后测试系统进行数据读取、处理和分析。首先进行数据读取，将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵。然后进行数据处理，根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；将二维数组切割为三维数组；根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像。最后进行数据分析，采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组，优化算法采用主成分分析算法PCA或聚类分析算法K-means。将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。在本实施例中，采样频率为采样率为2048sa,195Hz，因此每条线的点数为6240，三维数组的大小为257x257x257。第二数字图像大小为257x257。
采用AFM校准光栅作为样品，由于材料表面更容易可视化，我们想要比较原始的地形(偏转)图像和测量系统分析的图像，图6和图7分别为光栅形貌原始信号和测量系统处理后的图像。图6和图7相比，两者的相关性基本相同。在传统模式下，我们从PFM得到的图像是257x257，但在g模式下，我们可以得到257x3120的图像。我们知道，图像由257行组成，每一行有257个像素；在传统模式下，每个像素只有一个振幅值，而在g模式下，每个像素有12个振幅值。它帮助我们了解更多关于材料的信息。
在图7中，左右两侧的图像边界比图6宽。当PFM开始扫描时，扫描数据不会立即发送给控制器；有一个非常短的延迟时间，但是这段数据被传输到HF2LI，所以测量系统的原始信号图像比PFM的要宽。
我们对另一个样本进行测试，这个样本叫做bamb-bt，我们使用k-means处理一个原始信号后，AFM得到的图像如图8所示，结果如图9所示。
图8和图9,我们可以看到,应用k-meansmethod之后,我们得到了一个图像不是类似于烤瓷处理图像处理,这是因为原始信号包含大量的噪声信号,和实际烤瓷振幅是非常小的,这就增加了数据处理困难。我们看到的基本上是PFM里的地形相声。
在多频模式时，首先将HF2LI与AFM控制器正确连接，将Aux输入2用电缆连接到数字接入线端口；HF2LI的输出1口连接控制器的信号输入0口；HF2LI的输入1端口连接控制器的信号输出0端口。连接完成后，运行测量系统和LabOne用户界面，测试系统向锁相放大器发送建立连接指令，实现测量系统与锁相放大器通信连接。然后通过参数设置单元设置锁相放大器的采样频率和多频参数，例如采样频率、时间常数、多频振幅、中心频率和带宽。参数设置单元向HF2LI发送中心频率和带宽，然后通过操作LabOne用户界面上的record按钮控制HF2LI开始记录数据，开始AFM扫描，扫描完成时，再次点击记录按钮来停止HF2LI。然后测试系统进行数据读取、处理和分析。首先进行数据读取，将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵。然后进行数据处理，根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；将二维数组切割为三维数组；根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像。最后进行数据分析，采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组，优化算法采用主成分分析算法PCA或聚类分析算法K-means。将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。在本实施例中，采样频率为采样率为2048sa,195Hz，因此每条线的点数为6240，三维数组的大小为257x257x257。第二数字图像大小为257x257。
采用样品PPLN(周期性极化的铌酸铅)来进行多频模式实验验证。使用PFM来测量样本，想要在多频模式下观察到一个清晰的振幅偏转图像。PPLN的幅值偏转图像由黑白对比组成。图3所示为APM检测到的谐振曲线。在PFM模式下，样品和针尖表现为一个简单的谐振子，所以当频率接近谐振频率时，振幅值最大。利用测量系统对6个不同频率的图像进行分析，得到如图4所示的振幅曲线，图中横轴为应用频率，纵轴为振幅。曲线就像一个峰值信号，这意味着我们成功地利用多频实现了多频。
另一个实施例中使用这种模式来测量另一个样品，一个磁电球铁系统BaFe12O19-BaTiO3。它是压电材料和磁性材料的混合物。这使得我们能够观察和跟踪孤立的PFM区域，这是一种比较有效的方法。振幅曲线如图5所示，图中横轴为应用频率，纵轴为振幅。曲线就像一个峰值信号，这意味着我们成功地利用多频实现了多频。
本发明成功地将外置器件HF2LI与PFM进行了连接；可以利用这个装置将信号发送到PFM来实现多频方法。它还可以记录来自PFM的数据。测量系统可以控制这个外部设备(设置参数)，这使得设置必要的参数更加容易。
从多频模式，我们现在可以同时测量六种不同频率的调频，并得到一个粗略的频率相关估计。完成了从AFM导出原始数据的目标。用户现在甚至可以使用测量系统分析原始信号。这种设置将有助于了解更多关于不同频率下样本行为的信息。
在g模式下，我们可以在每条直线上得到更多的采样点，这有助于我们了解更多关于采样的信息，比如观察每像素采样中的高次谐波。由于噪声的影响，对g模图像的分析是不足的。
本发明还初步实现了多频多模方法，将测量系统与测量装置相结合，不仅有利于数学分析，还可以对装置进行控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：包括：
控制单元，控制锁相放大器与带MATLAB的PC进行通信；
参数设置单元，用于设置锁相放大器的参数；
数据读取单元，用于读取锁相放大器记录的实验数据；
数据处理单元，用于对实验数据进行处理获得第一数字图像；
数据分析单元，用于采用优化算法对第一数字图像进行处理分析，得到优化后的第二数字图像。
2.根据权利要求1所述的压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：所述的参数设置单元包括数据采集参数设置模块和多频信号参数设置模块，所述的数据采集参数设置模块用于设置采样参数，所述的多频信号参数设置模块用于设置多频信号参数。
3.根据权利要求2所述的压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：所述的采样参数包括采样频率，所述的多频信号参数包括时间常数、多频振幅、中心频率和带宽。
4.根据权利要求1所述的压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：所述的数据处理单元包括采样个数计算模块、第一数组切割模块和第一图像生成模块，所述的采样个数计算模块根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；所述的第一数组切割模块将二维数组切割为三维数组；所述的第一图像生成模块根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像。
5.根据权利要求1所述的压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：所述的数据分析单元包括优化处理模块、第二数组切割模块和第二图像生成模块，所述的优化处理模块采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组；所述的第二数组切割模块将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；所述的第二图像生成模块根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。
6.根据权利要求5所述的压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：所述的优化算法为主成分分析算法或聚类分析算法。
7.根据权利要求1所述的压电力显微镜数据读取和测量系统，其特征在于：所述的数据读取单元包括数据合并模块和矩阵生成模块，所述的数据合并模块将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；所述的矩阵生成模块根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵。
8.应用权利要求1-7中任意一项所述的压电力显微镜数据读取和测量系统的装置，其特征在于：包括安装所述测量系统的PC机、锁相放大器、原子力显微镜和AFM数字接入模块，所述的原子力显微镜的一个数据输出端与锁相放大器的第一输入端连接，原子力显微镜的数字线端口与AFM数字接入模块连接，AF数字接入模块的数字接入端口与锁相放大器的第二输入端连接，锁相放大器的USB串口与PC机连接，接收测量系统传输的参数设置信号，并将采集到的数据传输到测量系统。
9.基于权利要求8所述的压电力显微镜数据读取和测量装置的测量方法，其特征在于：包括：
S1：建立连接，测量系统向锁相放大器发送建立连接指令，实现测量系统与锁相放大器通信连接；
S2：参数设置，设置锁相放大器的参数；
S3：样品测试，AFM进行测试并将测试结果传输到锁相放大器；
S4：数据采集，锁相放大器根据参数对数据进行采集并存储；
S5：数据读取，读取锁相放大器记录的实验数据；
S6：数据处理，对实验数据进行处理获得第一数字图像；
S7：数据分析，采用优化算法对第一数字图像进行处理分析，得到优化后的第二数字图像。
10.根据权利要求9所述的压电力显微镜数据读取和测量方法，其特征在于：所述的数据读取具体包括：
S501：将采集数据后生成的两个.csv文件进行合并；
S502：根据合并后的文件生成一个行表示不同元素，列表示相应元素的测试数据的二维矩阵；
所述的数据处理包括：
S601：根据采样频率计算每个元素在单个触发信号下的采样个数，提取出需要元素的所在行与列，并生成一个二维数组；
S602：将二维数组切割为三维数组；
S603：根据三维数组中每个元素的数值大小映射为第一数字图像；
所述的数据分析包括：
S701：采用优化算法对二维数组进行数据处理，得到优化后的二维数组；
S702：将优化后的二维数组切割得到优化后的三维数组；
S703：根据优化后的三位数组中每个元素的数值大小映射为第二数字图像。
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