CN111398283A - 一种自动调节激光反射光路的系统 - Google Patents

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CN111398283A CN202010346988.2A CN202010346988A CN111398283A CN 111398283 A CN111398283 A CN 111398283A CN 202010346988 A CN202010346988 A CN 202010346988A CN 111398283 A CN111398283 A CN 111398283A
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Abstract

本发明提供一种自动调节激光反射光路的系统，其包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD、振动传感器、信号处理电路、显示设备、存储设备以及控制设备，通过控制设备对自动调节激光反射光路的系统进行控制，其中，通过激光器发射激光束，通过中央处理装置对带有光学显微镜的CCD采集的图像进行处理以识别微悬臂，然后通过驱动装置驱动驱动臂以带动微悬臂移动至激光光斑的中心位置，在此过程中，还对驱动臂的振动信号进行监测，以保证微悬臂移动的准确度。

Description

一种自动调节激光反射光路的系统
技术领域
本发明涉及光路调节领域，尤其涉及一种自动调节激光反射光路的系统。
背景技术
随着人们对纳米技术探知的程度越来越深入，原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope，AFM)，自1986年问世以来已成为观测和操纵纳米尺度物质的重要工具。由于其不受样品导电性的限制，应用领域非常广，涵盖物理学、化学、医学、生物学、微电子学、材料科学、微机械及微纳米技术等诸多领域。近些年来在生物医学领域，特别是生物细胞等研究已取得很多重要的研究成果。
AFM是依靠原子、分子之间相互作用力对微纳尺度物体进行成像的仪器，主要由微米尺度的微悬臂其下方带有曲率半径为纳米量级的探针、四象限光电探测器、激光器及压电陶瓷扫描器组成。其工作原理如下：激光光斑照射到探针上方的微悬臂，光斑经微悬臂反射到四象限探测器中心位置。当探针与被测样品接触时，会产生一个微小的作用力，使微悬臂产生偏移导致反射到四象限探测器的光斑偏离中心，控制压电陶瓷扫描器使反射到四象限的光斑保持在中心位置，并通过一定的成像方法即可计算得出样品的表面形貌。
现有技术中，AFM激光反射光路主要依靠手动调节，具体实施方法为：首先调整激光器或探针模组使激光光斑照射在微悬臂后方毫米级的反光片上，然后逐渐调整光斑位置使其照射在探针上方微悬臂区域，再调整四象限探测器使光斑反射到其中心位置，调节过程中可利用带有显微镜的CCD对光斑位置进行辅助观察。手动调节方法可操作性差、过程繁琐，每次更换探针时都需要重新调整光路，易使操作者眼睛疲劳甚至出现损伤的情况。
发明内容
因此，为了克服上述问题，本发明提供了一种自动调节激光反射光路的系统，其包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD、振动传感器、信号处理电路、显示设备、存储设备以及控制设备，通过控制设备对自动调节激光反射光路的系统进行控制，其中，通过激光器发射激光束，通过中央处理装置对带有光学显微镜的CCD采集的图像进行处理以识别微悬臂，然后通过驱动装置驱动驱动臂以带动微悬臂移动至激光光斑的中心位置，在此过程中，还对驱动臂的振动信号进行监测，以保证微悬臂移动的准确度。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种自动调节激光反射光路的系统，包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD以及控制设备；
其中，所述带有光学显微镜的CCD设置于所述样品放置台的正上方，样品放置于所述样品放置台上，所述激光器的激光放射端前部设置有所述反光镜，所述四象限光电探测器与所述激光器设置于同一水平面，所述驱动装置驱动所述驱动臂，所述微悬臂位于所述驱动臂的下方，所述带有光学显微镜的CCD与所述中央处理装置双向连接，所述激光器的输入端以及所述驱动装置的输入端均与所述中央处理装置的输出端连接，所述四象限光电探测器的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述控制设备的输出端与所述中央处理装置的输入端连接；
其中，用户通过所述控制设备输入所述带有光学显微镜的CCD的放大倍数值，所述控制设备将用户输入的所述带有光学显微镜的CCD的放大倍数值传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置将接收到的所述带有光学显微镜的CCD放大倍数传输至所述带有光学显微镜的CCD，所述带有光学显微镜的CCD根据接收到的放大倍数调节自身至该放大倍数，用户通过所述控制设备控制所述中央处理装置使所述激光器发出激光束，激光束通过所述反光镜反射至所述微悬臂上，所述带有光学显微镜的CCD接收所述微悬臂上的图像信息，所述带有光学显微镜的CCD将采集到的图像信息传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别所述微悬臂，然后获取所述驱动臂移动距离与在CCD图像中像素位置变化之间的关系，最后通过上述关系控制所述驱动装置驱动驱动臂将所述微悬臂移动到所述反光镜反射的激光束光斑中心位置。
优选的是，还包括振动传感器、信号处理电路、显示设备和存储设备，所述振动传感器设置于所述驱动臂上，所述振动传感器的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述显示设备的输入端和所述存储设备的输入端均与所述中央处理装置的输出端连接，驱动装置驱动所述驱动臂进行移动时，所述振动传感器采集所述驱动臂在移动过程中的振动信号，并将采集到的振动信号传输至所述信号处理电路，所述信号处理电路将接收到的振动信号进行信号处理后传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置将接收到的振动信号传输至所述显示设备进行显示，所述中央处理装置将接收到的振动信号传输至所述存储设备进行存储，用户通过所述显示设备获知所述振动信号，若所述振动信号大于预设阈值，则用户通过所述控制设备向所述中央处理装置发送停止指令，所述中央处理装置接收到停止指令后控制所述激光器停止发射激光束以及所述驱动装置停止作业。
具体地，中央处理装置内还包括一信号处理模块，信号处理模块对接收到的振动信号进行特征量提取处理，具体地提取步骤如下：
步骤一：对在时间T内采集的振动信号按预设采样时间段将振动信号进行分段，所述采样时间段的时间相同，将时间T分为n个采样时间段，第一时间段内的振动信号为X1·sin(ω1t)，第二时间段内的振动信号为X2·sin(ω2t)......第n段时间内振动信号为Xn·sin(ωnt)；Xn为第n时间段内的幅值，ωn为第n时间段内的频率；
步骤二：合成T时间内的振动信号X·sin(ωt)，X为合成T时间内的振动信号的幅值特征值，ω为合成T时间内的振动信号的幅值的频率特征值，则，
X·sin(ωt)＝X1·sin(ω1t)+X2·sin(ω2t)+…+Xn·sin(ωnt)；
步骤三：将振动信号X·sin(ωt)进行频率叠加，则有，
X·ω2·sin(ωt)＝X1·ω1 2·sin(ω1t)+X2·ω2 2·sin(ω2t)+…+Xn·ωn 2·sin(ωnt)；
步骤四：求取特征参量，则有，
Figure BDA0002470481180000031
Figure BDA0002470481180000032
预设阈值为ωmax和Xmax，若振动信号的ω＞wmax或X＞Xmax则用户通过控制设备向中央处理装置发送停止指令，中央处理装置接收到停止指令后控制激光器停止发射激光束以及驱动装置停止作业。
优选的是，控制设备将用户输入的带有光学显微镜的CCD的放大倍数值传输至中央处理装置，放大倍数为3倍。
优选的是，带有光学显微镜的CCD将采集到的图像信息传输至中央处理装置，中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别微悬臂的步骤如下：
步骤1：中央处理装置将带有光学显微镜的CCD采集的3通道24位图像转换为单通道8位图像，如下式：
I(x，y)＝0.3×IR(x，y)+0.59×IG(x，y)+0.11×IB(x，y)；
其中，IR(x，y)、IG(x，y)、IB(x，y)分别为带有光学显微镜的CCD采集的图像的红、绿、蓝分量，I(x，y)为变换后图像的灰度值，(x，y)代表图像横纵坐标；
步骤2：对灰度值I(x，y)进行增强，如下式：
Figure BDA0002470481180000033
其中，G0(x，y)为变换后图像的灰度值，k灰度增强调节系数，ni为灰度值为i的像素个数，n为图像总像素值的个数；
步骤3：对不同亮度图像将对比度高的区域进行识别，以对微悬臂的图像进行分割，如下式：
σ2＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2；
其中，ω0表示目标像素所占比例，ω1表示背景像素所占比例，μ0表示目标像素的灰度均值，μ1表示背景像素的灰度均值，μ表示整个图像的灰度均值，σ2表示类间方差；
图像共有N个灰度级，在[0，N-1]内依次选取阈值T，使σ2最大的为最佳阈值，此时，根据坐标将尺寸为100×100像素探针上方微悬臂区域在四象限光电探测器上标记出来。
优选的是，中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别微悬臂，然后获取驱动臂移动距离与在CCD图像中像素位置变化之间的关系，步骤如下：
步骤1：利用σ2最大的为最佳阈值时微悬臂区域最边缘的横坐标作为基准点X0；
步骤2：控制驱动装置步进距离在100μm以内，在第一时刻，微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X1，则横坐标变化量ΔX0＝|X1-X0|，同时获取驱动装置移动距离|L0|，以上全部为绝对值；
步骤3：重复上述步骤2得出另外两组对应关系式ΔX1＝|X1-X2|、|L1|、ΔX2＝|X2-X3|、|L2|，则图像像素变化与驱动装置移动距离之间的关系为：
Figure BDA0002470481180000041
上式中，在第二时刻，微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X2，同时获取驱动装置移动距离|L1|，在第三时刻，微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X3，同时获取驱动装置移动距离|L2|，其中，第一时刻与第二时刻的间隔与第二时刻与第三时刻的间隔相同，a，b为待求解系数，矩阵A为
Figure BDA0002470481180000042
矩阵B为
Figure BDA0002470481180000043
优选的是，振动传感器采集驱动臂在移动过程中的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。
优选的是，信号放大单元包括运算放大器A1-A2和电阻R1-R7。
其中，所述振动传感器的输出端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的一端还与第三电阻R3的一端连接，第一电阻R1的另一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第一电阻R1的另一端还与电第二阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第一运算放大器A1的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第二运算放大器A2的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第七电阻R7的一端连接，第四电阻R4的一端接地，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器A2的同相输入端连接，第五电阻R5的一端与第二电阻R2的另一端连接，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第六电阻R6的一端与第一运算放大器A1的同相输入端连接，第六电阻R6的另一端接地，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第二运算放大器A2的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接。优选的是，信号滤波单元包括电阻R8-R14、电容C1-C2以及运算放大器A3-A4。
其中，所述信号放大单元的输出端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的一端还与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端与电容C1的另一端连接，第九电阻R9的一端接地，第九电阻R9的另一端与电阻R8的另一端连接，第一电容C1的另一端与第三运算放大器A3的同相输入端连接，第十电阻R10的一端与第二电容C2的一端连接，第十电阻R10的另一端与第三运算放大器A3的同相输入端连接，第十电阻R10的一端还与第四运算放大器A4的输出端连接，第二电容C2的另一端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，滑动变阻器R11的一端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，滑动电阻器R11的一端还与第四运算放大器A4的反相输入端连接，滑动变阻器R11的一端还与第二电容C2的另一端连接，第十二电阻R12的一端与滑动变阻器R11的另一端连接，第十二电阻R12的另一端与运算放大器A3的输出端连接，第十四电阻R14的一端与电阻R8的一端连接，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器A4的同相输入端连接，第十四电阻R14的另一端还与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与第十二电阻R12的另一端连接，第十三电阻R13的另一端还与第三运算放大器A3的输出端连接，第三运算放大器A3的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述信号滤波单元将电压信号V1传输至所述中央处理装置。
优选的是，控制设备为触摸式控制指令输入设备。
优选的是，所诉驱动装置包括步进电机、第一丝杠和第二丝杠，第一丝杠和第二丝杠通过转接件连接，驱动臂和第一丝杆螺纹连接，微悬臂与驱动臂连接，所诉驱动臂通过第一丝杆带动可以实现左右微调节，所述第二丝杆可带动所述微悬臂、驱动臂和第一丝杆一起在上下方向实现微调，所述第一丝杆与所述第二丝杆端部连接有步进电机，为所述丝杆提供高精确的微驱动。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供了一种自动调节激光反射光路的系统，其包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD、振动传感器、信号处理电路、显示设备、存储设备以及控制设备，通过控制设备对自动调节激光反射光路的系统进行控制，其中，通过激光器发射激光束，通过中央处理装置对带有光学显微镜的CCD采集的图像进行处理以识别微悬臂，然后通过驱动装置驱动驱动臂以带动微悬臂移动至激光光斑的中心位置，在此过程中，还对驱动臂的振动信号进行监测，以保证微悬臂移动的准确度。
(2)由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过运算放大器A1-A2和电阻R1-R7对振动传感器输出的电压V0进行放大处理，由运算放大器A1-A2和电阻R1-R7构成的信号放大单元只有1.25μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内2.75nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R8-R14、电容C1-C2以及运算放大器A3-A4对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度。
附图说明
图1为本发明的自动调节激光反射光路的系统的结构图。
图2为本发明的自动调节激光反射光路的系统的示意图。
图3为本发明的信号处理电路的电路图。
图4为经过信号处理电路处理后的振动信号波形图。
图5为驱动装置的结构示意图。
图中：1-微悬臂，2-驱动臂，3-第二丝杠，4-第一丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的自动调节激光反射光路的系统进行详细说明。
如图1-2所示，本发明提供的自动调节激光反射光路的系统包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD、振动传感器、信号处理电路、显示设备、存储设备以及控制设备。
其中，带有光学显微镜的CCD设置于样品放置台的正上方，样品放置于样品放置台上，激光器的激光放射端前部设置有反光镜，四象限光电探测器与激光器设置于同一水平面，驱动装置驱动驱动臂，微悬臂位于驱动臂的下方，振动传感器设置于驱动臂上，带有光学显微镜的CCD与中央处理装置双向连接，激光器的输入端以及驱动装置的输入端均与中央处理装置的输出端连接，四象限光电探测器的输出端与中央处理装置的输入端连接，振动传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与中央处理装置的输入端连接，控制设备的输出端与中央处理装置的输入端连接，显示设备的输入端和存储设备的输入端均与中央处理装置的输出端连接。
其中，用户通过控制设备输入带有光学显微镜的CCD的放大倍数值，控制设备将用户输入的带有光学显微镜的CCD的放大倍数值传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的带有光学显微镜的CCD放大倍数传输至带有光学显微镜的CCD，带有光学显微镜的CCD根据接收到的放大倍数调节自身至该放大倍数，用户通过控制设备控制中央处理装置使激光器发出激光束，激光束通过反光镜反射至微悬臂上，带有光学显微镜的CCD接收微悬臂上的图像信息，带有光学显微镜的CCD将采集到的图像信息传输至中央处理装置，中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别微悬臂，然后获取驱动臂移动距离与在CCD图像中像素位置变化之间的关系，最后通过上述关系控制驱动装置将微悬臂移动到反光镜反射的激光束光斑中心位置，此时，驱动装置驱动驱动臂进行移动，振动传感器采集驱动臂在移动过程中的振动信号，并将采集到的振动信号传输至信号处理电路，信号处理电路将接收到的振动信号进行信号处理后传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的振动信号传输至显示设备进行显示，中央处理装置将接收到的振动信号传输至存储设备进行存储，用户通过显示设备获知振动信号，若振动信号大于预设阈值，则用户通过控制设备向中央处理装置发送停止指令，中央处理装置接收到停止指令后控制激光器停止发射激光束以及驱动装置停止作业。
更进一步地，中央处理装置内还包括一信号处理模块，信号处理模块对接收到的振动信号进行特征量提取处理，具体地提取步骤如下：
步骤一：对在时间T内采集的振动信号按预设采样时间段将振动信号进行分段，所述采样时间段的时间相同，将时间T分为n个采样时间段，第一时间段内的振动信号为X1·sin(ω1t)，第二时间段内的振动信号为X2·sin(ω2t)......第n段时间内振动信号为Xn·sin(ωnt)；Xn为第n时间段内的幅值，wn为第n时间段内的频率；
步骤二：合成T时间内的振动信号X·sin(ωt)，X为合成T时间内的振动信号的幅值特征值，ω为合成T时间内的振动信号的幅值的频率特征值，则，
X·sin(ωt)＝X1·sin(ω1t)+X2·sin(ω2t)+…+Xn·sin(ωnt)；
步骤三：将振动信号X·sin(ωt)进行频率叠加，则有，
X·ω2·sin(ωt)＝X1·ω1 2·sin(ω1t)+X2·ω2 2·sin(ω2t)+…+Xn·ωn 2·sin(ωnt)；
步骤四：求取特征参量，则有，
Figure BDA0002470481180000081
Figure BDA0002470481180000082
预设阈值为ωmax和Xmax，若振动信号的ω＞wmax或X＞Xmax则用户通过控制设备向中央处理装置发送停止指令，中央处理装置接收到停止指令后控制激光器停止发射激光束以及驱动装置停止作业。
上述实施方式中，本发明提供了的自动调节激光反射光路的系统，其包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD、振动传感器、信号处理电路、显示设备、存储设备以及控制设备，通过控制设备对自动调节激光反射光路的系统进行控制，其中，通过激光器发射激光束，通过中央处理装置对带有光学显微镜的CCD采集的图像进行处理以识别微悬臂，然后通过驱动装置驱动驱动臂以带动微悬臂移动至激光光斑的中心位置，在此过程中，还对驱动臂的振动信号进行监测，以保证微悬臂移动的准确度。
所诉驱动装置包括步进电机、第一丝杠4和第二丝杠3，第一丝杠4和第二丝杠3通过转接件连接，驱动臂2和第一丝杆4螺纹连接，微悬臂1与驱动臂2连接，所诉驱动臂2通过第一丝杆4带动可以实现左右微调节，所述第二丝杆3可带动所述微悬臂1、驱动臂2和第一丝杆4一起在上下方向实现微调，所述第二丝杆3与所述第一丝杆4端部链接有步进电机，为所述丝杆提供高精确的微驱动。
具体地，控制设备将用户输入的带有光学显微镜的CCD的放大倍数值传输至中央处理装置，放大倍数为3倍。
具体地，带有光学显微镜的CCD将采集到的图像信息传输至中央处理装置，中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别微悬臂的步骤如下：
步骤1：由于带有光学显微镜的CCD采集的微悬臂图像并非复杂图像，图像信息中只含有微悬臂及样品。因此为了提高图像处理的速度，中央处理装置将带有光学显微镜的CCD采集的3通道24位图像转换为单通道8位图像，如下式：
I(x，y)＝0.3×IR(x，y)+0.59×IG(x，y)+0.11×IB(x，y)；
其中，IR(x，y)、IG(x，y)、IB(x，y)分别为带有光学显微镜的CCD采集的图像的红、绿、蓝分量，I(x，y)为变换后图像的灰度值，(x，y)代表图像横纵坐标；
步骤2：对灰度值I(x，y)进行增强，如下式：
Figure BDA0002470481180000091
其中，G0(x，y)为变换后图像的灰度值，k灰度增强调节系数，ni为灰度值为i的像素个数，n为图像总像素值的个数；
步骤3：对不同亮度图像将对比度高的区域进行识别，以对微悬臂的图像进行分割，如下式：
σ2＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2；
其中，ω0表示目标像素所占比例，ω1表示背景像素所占比例，μ0表示目标像素的灰度均值，μ1表示背景像素的灰度均值，μ表示整个图像的灰度均值，σ2表示类间方差；
图像共有N个灰度级，在[0，N-1]内依次选取阈值T，使σ2最大的为最佳阈值，此时，根据坐标将尺寸为100×100像素探针上方微悬臂区域在四象限光电探测器上标记出来。
具体地，中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别微悬臂，然后获取驱动臂移动距离与在CCD图像中像素位置变化之间的关系，步骤如下：
步骤1：利用σ2最大的为最佳阈值时微悬臂区域最边缘的横坐标作为基准点X0；
步骤2：控制驱动装置步进距离在100μm以内，在第一时刻，微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X1，则横坐标变化量ΔX0＝|X1-X0|，同时获取驱动装置移动距离|L0|，以上全部为绝对值；
步骤3：重复上述步骤2得出另外两组对应关系式ΔX1＝|X1-X2|、|L1|、ΔX2＝|X2-X3|、|L2|，则图像像素变化与驱动装置移动距离之间的关系为：
Figure BDA0002470481180000092
上式中，在第二时刻，微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X2，同时获取驱动装置移动距离|L1|，在第三时刻，微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X3，同时获取驱动装置移动距离|L2|，其中，第一时刻与第二时刻的间隔与第二时刻与第三时刻的间隔相同，a，b为待求解系数，矩阵A为
Figure BDA0002470481180000093
矩阵B为
Figure BDA0002470481180000094
如图3所示，振动传感器采集驱动臂在移动过程中的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。
具体地，信号放大单元包括运算放大器A1-A2和电阻R1-R7。
其中，所述振动传感器的输出端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的一端还与第三电阻R3的一端连接，第一电阻R1的另一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第一电阻R1的另一端还与电第二阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第一运算放大器A1的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第二运算放大器A2的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第七电阻R7的一端连接，第四电阻R4的一端接地，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器A2的同相输入端连接，第五电阻R5的一端与第二电阻R2的另一端连接，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第六电阻R6的一端与第一运算放大器A1的同相输入端连接，第六电阻R6的另一端接地，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第二运算放大器A2的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接。具体地，信号滤波单元包括电阻R8-R14、电容C1-C2以及运算放大器A3-A4。
其中，所述信号放大单元的输出端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的一端还与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端与电容C1的另一端连接，第九电阻R9的一端接地，第九电阻R9的另一端与电阻R8的另一端连接，第一电容C1的另一端与第三运算放大器A3的同相输入端连接，第十电阻R10的一端与第二电容C2的一端连接，第十电阻R10的另一端与第三运算放大器A3的同相输入端连接，第十电阻R10的一端还与第四运算放大器A4的输出端连接，第二电容C2的另一端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，滑动变阻器R11的一端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，滑动电阻器R11的一端还与第四运算放大器A4的反相输入端连接，滑动变阻器R11的一端还与第二电容C2的另一端连接，第十二电阻R12的一端与滑动变阻器R11的另一端连接，第十二电阻R12的另一端与运算放大器A3的输出端连接，第十四电阻R14的一端与电阻R8的一端连接，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器A4的同相输入端连接，第十四电阻R14的另一端还与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与第十二电阻R12的另一端连接，第十三电阻R13的另一端还与第三运算放大器A3的输出端连接，第三运算放大器A3的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述信号滤波单元将电压信号V1传输至所述中央处理装置。
上述实施方式中，信号处理电路的噪声在2.75nV以内，漂移为1.25μV/℃，运算放大器A1-A2的型号均为LT1012，运算放大器A3-A4的型号为LT1192。
在信号放大单元中，电阻R1的阻值为10kΩ，电阻R2的阻值为20kΩ，电阻R3的阻值为10kΩ，电阻R4的阻值为4.7kΩ，电阻R5的阻值为20kΩ，电阻R6的阻值为4.7kΩ，电阻R7的阻值为20kΩ。
本发明提供的信号放大单元由运算放大器A1-A2构成，其中，传感器采集的电压信号为V0，信号放大电路的输入电流信号为Ii，此时，流经电阻R1的电流为I，流经电阻R3的电阻为I1，运算放大器A1输出的电压信号为V01，信号放大单元输出电压信号为V02。
本发明提供的信号放大单元中，输入回路的电流Ii主要由运算反馈电路的电流I提供，因此，输入电路向传感器采集的电压信号获取电源Ii就可以大大减小，且本发明提供的信号放大单元的输入阻抗极高，其中，运算放大器A2为主放大器，运算放大器A1向运算放大器A2提供输入电流，是输入电路向传感器采集的电压信号V0获取的电流极少，因此，也就大大提高了输入阻抗。
在此，运算放大器A1和运算放大器A2均为理想放大器，则输入电流Ii为：
Figure BDA0002470481180000111
再有：
Figure BDA0002470481180000112
而，
Figure BDA0002470481180000113
可得：
Figure BDA0002470481180000114
进一步可得：
Figure BDA0002470481180000115
由此可以表明，当电阻R1＝R3时，输入电流Ii将全部由运算放大器A1提供，因此，这时的输入阻抗极大，但是，在实际使用时，R1和R3之间必然存在一定的偏差，若偏差为0.01％，当R3＝10kΩ时，则输入阻抗可高达100MΩ，这是现有技术中的放大电路无法实现/达到的。
本发明提供的信号放大单元的开环增益大于160dB，时漂小于±1μv/24h，温漂小于±1μv/℃，低频噪声(有效值)小于0.5μV，能够对传感器采集的电压信号进行有效、高精度的放大。
在信号滤波单元中，电阻R8的阻值为4.7kΩ，电阻R9的阻值为94kΩ，电阻R10的阻值根据电容C1的值设定(具体公式如下所示)，电阻R11的阻值为100kΩ的滑动变阻器，电阻R12的阻值为10kΩ，电阻R13的阻值为10kΩ，电阻R14的阻值为10kΩ，电容C1的电容值为0.01μF，电容C2的电容值为0.01μF，滤波效果通过调节滑动变阻器R11实现。
其中，
Figure BDA0002470481180000121
在信号滤波单元中，不需要精确调节滤波的中心频率，只要将电阻R12的阻值设置成和电阻R13一致，即可获得稳定的滤波的中心频率，同时设置了滑动变阻器R11也可以对滤波的中心频率进行微调，这是本发明提供的信号滤波单元的一大优势，也是与现有技术的区别所在。
更进一步地，在滤波时设置电阻R9＝20R8能够更好减少电压信号V02中的噪声信号。
由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过运算放大器A1-A2和电阻R1-R7对振动传感器输出的电压V0进行放大处理，由运算放大器A1-A2和电阻R1-R7构成的信号放大单元只有1.25μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内2.75nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R8-R14、电容C1-C2以及运算放大器A3-A4对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度，如图4所示，为经过信号处理电路处理后的振动信号波形图(其中横坐标为时间轴，纵坐标为电压轴)。
具体地，控制设备为触摸式控制指令输入设备。
此书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于包括中央处理装置、驱动装置、四象限光电探测器、驱动臂、微悬臂、样品放置台、反光镜、激光器、带有光学显微镜的CCD以及控制设备；
其中，所述带有光学显微镜的CCD设置于所述样品放置台的正上方，样品放置于所述样品放置台上，所述激光器的激光放射端前部设置有所述反光镜，所述四象限光电探测器与所述激光器设置于同一水平面，所述驱动装置驱动所述驱动臂，所述微悬臂位于所述驱动臂的下方，所述带有光学显微镜的CCD与所述中央处理装置双向连接，所述激光器的输入端以及所述驱动装置的输入端均与所述中央处理装置的输出端连接，所述四象限光电探测器的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述控制设备的输出端与所述中央处理装置的输入端连接；
其中，用户通过所述控制设备输入所述带有光学显微镜的CCD的放大倍数值，所述控制设备将用户输入的所述带有光学显微镜的CCD的放大倍数值传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置将接收到的所述带有光学显微镜的CCD放大倍数传输至所述带有光学显微镜的CCD，所述带有光学显微镜的CCD根据接收到的放大倍数调节自身至该放大倍数，用户通过所述控制设备控制所述中央处理装置使所述激光器发出激光束，激光束通过所述反光镜反射至所述微悬臂上，所述带有光学显微镜的CCD接收所述微悬臂上的图像信息，所述带有光学显微镜的CCD将采集到的图像信息传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别所述微悬臂，然后获取所述驱动臂移动距离与在CCD图像中像素位置变化之间的关系，最后通过上述关系控制所述驱动装置驱动驱动臂将所述微悬臂移动到所述反光镜反射的激光束光斑中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于还包括振动传感器、信号处理电路、显示设备和存储设备，所述振动传感器设置于所述驱动臂上，所述振动传感器的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述显示设备的输入端和所述存储设备的输入端均与所述中央处理装置的输出端连接，驱动装置驱动所述驱动臂进行移动时，所述振动传感器采集所述驱动臂在移动过程中的振动信号，并将采集到的振动信号传输至所述信号处理电路，所述信号处理电路将接收到的振动信号进行信号处理后传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置将接收到的振动信号传输至所述显示设备进行显示，所述中央处理装置将接收到的振动信号传输至所述存储设备进行存储，用户通过所述显示设备获知所述振动信号，若所述振动信号大于预设阈值，则用户通过所述控制设备向所述中央处理装置发送停止指令，所述中央处理装置接收到停止指令后控制所述激光器停止发射激光束以及所述驱动装置停止作业。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所述控制设备将用户输入的所述带有光学显微镜的CCD的放大倍数值传输至所述中央处理装置，放大倍数为3倍。
4.根据权利要求2所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，中央处理装置内还包括一信号处理模块，信号处理模块对接收到的振动信号进行特征量提取处理，具体地提取步骤如下：
步骤一：对在时间T内采集的振动信号按预设采样时间段将振动信号进行分段，所述采样时间段的时间相同，将时间T分为n个采样时间段，第一时间段内的振动信号为X1·sin(ω1t)，第二时间段内的振动信号为X2·sin(ω2t)......第n段时间内振动信号为Xn·sin(ωnt)；Xn为第n时间段内的幅值，ωn为第n时间段内的频率；
步骤二：合成T时间内的振动信号X·sin(ωt)，X为合成T时间内的振动信号的幅值特征值，ω为合成T时间内的振动信号的幅值的频率特征值，则，
X·sin(ωt)＝X1·sin(ω1t)+X2·sin(ω2t)+…+Xn·sin(ωnt)；
步骤三：将振动信号X·sin(ωt)进行频率叠加，则有，
X·ω2·sin(ωt)＝X1·ω1 2·sin(ω1t)+X之·ω2 2·sin(ω2t)+…+Xn·ωn 2·sin(ωnt)；
步骤四：求取特征参量，则有，
Figure FDA0002470481170000021
预设阈值为ωmax和Xmax，若振动信号的ω＞ωmax或X＞Xmax则用户通过控制设备向中央处理装置发送停止指令，中央处理装置接收到停止指令后控制激光器停止发射激光束以及驱动装置停止作业。
5.根据权利要求1或2所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所述带有光学显微镜的CCD将采集到的图像信息传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别所述微悬臂的步骤如下：
步骤1：所述中央处理装置将所述带有光学显微镜的CCD采集的3通道24位图像转换为单通道8位图像，如下式：
I(x，y)＝0.3×IR(x，y)+0.59×IG(x，y)+0.11×IB(x，y)：
其中，IR(x，y)、IG(x，y)、IB(x，y)分别为所述带有光学显微镜的CCD采集的图像的红、绿、蓝分量，I(x，y)为变换后图像的灰度值，(x，y)代表图像横纵坐标；
步骤2：对灰度值I(x，y)进行增强，如下式：
Figure FDA0002470481170000022
其中，G0(x，y)为增强后图像的灰度值，k灰度增强调节系数，ni为灰度值为i的像素个数，n为图像总像素值的个数；
步骤3：对不同亮度图像将对比度高的区域进行识别，以对所述微悬臂的图像进行分割，如下式：
σ2＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2.
其中，ω0表示目标像素所占比例，ω1表示背景像素所占比例，μ0表示目标像素的灰度均值，μ1表示背景像素的灰度均值，μ表示整个图像的灰度均值，σ2表示类间方差；
图像共有N个灰度级，在[0，N-1]内依次选取阈值T，使σ2最大的为最佳阈值，此时，根据坐标将探针上方所述微悬臂区域在所述四象限光电探测器上标记出来。
6.根据权利要求5所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所述中央处理装置对接收到的图像信息进行处理以识别所述微悬臂，然后获取所述驱动臂移动距离与在CCD图像中像素位置变化之间的关系，步骤如下：
步骤1：利用σ2最大的为最佳阈值时微悬臂区域最边缘的横坐标作为基准点X0；
步骤2：控制所述驱动装置步进距离在100μm以内，在第一时刻，所述微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X1，则横坐标变化量ΔX0＝|X1-X0|，同时获取所述驱动装置移动距离|L0|，以上全部为绝对值；
步骤3：重复上述步骤2得出另外两组对应关系式ΔX1＝|X1-X2|、|L1|、ΔX2＝|X2-X3|、|L2|，则图像像素变化与所述驱动装置移动距离之间的关系为：
Figure FDA0002470481170000031
上式中，在第二时刻，所述微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X2，同时获取所述驱动装置移动距离|L1|，在第三时刻，所述微悬臂区域最边缘的实际横坐标为X3，同时获取所述驱动装置移动距离|L2|，其中，第一时刻与第二时刻的间隔与第二时刻与第三时刻的间隔相同，a，b为待求解系数，矩阵A为
Figure FDA0002470481170000032
矩阵B为
Figure FDA0002470481170000033
7.根据权利要求2所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所述振动传感器采集所述驱动臂在移动过程中的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至所述信号处理电路，V1为经过所述信号处理电路处理后的电压信号，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，所述振动传感器的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端与所述中央处理装置的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所述信号放大单元包括运算放大器A1-A2和电阻R1-R7；
其中，所述振动传感器的输出端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的一端还与第三电阻R3的一端连接，第一电阻R1的另一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第一电阻R1的另一端还与电第二阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第一运算放大器A1的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第二运算放大器A2的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第七电阻R7的一端连接，第四电阻R4的一端接地，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器A2的同相输入端连接，第五电阻R5的一端与第二电阻R2的另一端连接，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第六电阻R6的一端与第一运算放大器A1的同相输入端连接，第六电阻R6的另一端接地，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第二运算放大器A2的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接；所述信号滤波单元包括电阻R8-R14、电容C1-C2以及运算放大器A3-A4；
其中，所述信号放大单元的输出端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的一端还与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端与电容C1的另一端连接，第九电阻R9的一端接地，第九电阻R9的另一端与电阻R8的另一端连接，第一电容C1的另一端与第三运算放大器A3的同相输入端连接，第十电阻R10的一端与第二电容C2的一端连接，第十电阻R10的另一端与第三运算放大器A3的同相输入端连接，第十电阻R10的一端还与第四运算放大器A4的输出端连接，第二电容C2的另一端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，滑动变阻器R11的一端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，滑动电阻器R11的一端还与第四运算放大器A4的反相输入端连接，滑动变阻器R11的一端还与第二电容C2的另一端连接，第十二电阻R12的一端与滑动变阻器R11的另一端连接，第十二电阻R12的另一端与运算放大器A3的输出端连接，第十四电阻R14的一端与电阻R8的一端连接，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器A4的同相输入端连接，第十四电阻R14的另一端还与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与第十二电阻R12的另一端连接，第十三电阻R13的另一端还与第三运算放大器A3的输出端连接，第三运算放大器A3的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述信号滤波单元将电压信号V1传输至所述中央处理装置。
9.根据权利要求1所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所述控制设备为触摸式控制指令输入设备。
10.根据权利要求1或2所述的一种自动调节激光反射光路的系统，其特征在于，所诉驱动装置包括步进电机、第一丝杠(4)和第二丝杠(3)，第一丝杠(4)和第二丝杠(3)通过转接件连接，驱动臂(2)和第一丝杆(4)螺纹连接，微悬臂(1)与驱动臂(2)连接，所诉驱动臂(2)通过第一丝杆(4)带动可以实现左右微调节，所述第二丝杆(3)可带动所述微悬臂(1)、驱动臂(2)和第一丝杆(4)一起在上下方向实现微调，所述第二丝杆(3)与所述第一丝杆(4)端部连接有步进电机，为所述丝杆提供高精确的微驱动。
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CN116399440A (zh) * 2023-06-08 2023-07-07 中国船舶集团有限公司第七一九研究所 螺旋桨振动测量装置及方法
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