CN113406165B - 一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统及检测方法，涉及一种电化学检测系统及检测方法。检测装置固定在Z向位移台上，X‑Y二维气浮平台上固定三维压电位移台，信号发生器控制激振压电陶瓷环的振动，电容式位移传感器测得激振压电陶瓷环的位移变化经电荷放大器处理后传递给锁相放大器，PID控制器将锁相放大器提取的电压幅值信号运算处理后对压电促动器进行控制，压电促动器、X‑Y二维气浮平台和三维压电位移台为上位机提供实时信号，上位机通过UMAC控制器控制Z向位移台、X‑Y二维气浮平台和三维压电位移台。探针以振动模式接近被测样品表面，减小相互作用力不易损坏，Z向闭环反馈功能保证距离恒定，检测更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学检测系统及检测方法，尤其是一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统及检测方法，属于电化学检测技术领域。
背景技术
纳米材料电化学有效的推动了电化学能源的进步，然而，在纳米尺度上研究纳米晶的“本征”电化学性质，揭示电催化剂的架构关系，为能源器件界面构筑提供理论支撑仍有很大探索空间。与经典电化学相比，纳米尺度电化学体系表现出纳米尺度的新特征：(1)尺度变化的连锁效应：纳米尺度的电极直径，工作间距等，使得经典电化学中的物质传递，电荷转移，多相化学反应的理论不再适用于纳米尺度电化学；(2)外场的协同效应：物理场电效应，如光电效应、压电效应、电场感应等，使得一些经典的宏观电化学中不显著的作用和过程变得突出，进而影响界面电荷转移，电化学动力学等。如何探测纳米尺度电化学的反应过程和界面微观结构，成为研究人员亟待解决的难题。因此，研制一款电极分辨率高，性能可靠，操作容易，可实现原位工况重复检测的电化学检测装置势在必行。
发明内容
为解决背景技术存在的问题，本发明提供一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统及检测方法，它的纳米电极探针以振动模式接近被测样品表面，减小相互作用力不易损坏，Z向闭环反馈功能保证距离恒定，检测更加准确。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统，包括检测装置、Z向位移台、X-Y二维气浮平台、三维压电位移台、上位机、UMAC控制器、信号发生器、电荷放大器、锁相放大器以及PID控制器，所述检测装置包括滑槽固定座和能够通过紧固螺栓与其紧固定位的滑块，所述滑块上固定压电促动器，所述压电促动器底部固定电容固定器，所述电容固定器下端螺纹连接调距环并插装电容式位移传感器，所述电容式位移传感器能够通过锁紧螺钉锁紧定位，所述调距环底部固定激振压电陶瓷环，所述激振压电陶瓷环底部固定上固定环，所述上固定环底部固定下固定环且二者之间夹装柔性铰链，所述柔性铰链边缘固定导电片并连接外接导线，柔性铰链中心通过定位螺钉与螺母接头安装纳米电极探针，检测装置通过所述滑槽固定座固定在所述Z向位移台上，所述X-Y二维气浮平台上固定安装所述三维压电位移台并位于检测装置下方，所述信号发生器连接激振PZT驱动器控制激振压电陶瓷环的振动，电容式位移传感器测得激振压电陶瓷环的位移变化经电荷放大器处理后传递给锁相放大器，所述锁相放大器根据信号发生器产生的信号频率提取同频率的所述电荷放大器的电压幅值信号，所述PID控制器将锁相放大器的电压幅值信号进行运算处理后通过压电陶瓷控制器对压电促动器进行控制，完成检测装置的Z向闭环反馈，压电促动器、X-Y二维气浮平台和三维压电位移台分别为上位机提供实时信号，所述上位机通过UMAC控制器控制Z向位移台、X-Y二维气浮平台和三维压电位移台的位移。
一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤一：电极逼近
控制Z向位移台进行移动并结合紧固螺栓调节定位滑块相对于滑槽固定座的高度位置，使纳米电极探针初步下移逼近被测样品，外接导线与电化学工作站连接以表征被测样品表面的电化学特性，通过锁紧螺钉初步调节定位电容式位移传感器相对电容固定器的高度位置，并转动调距环进一步调节定位螺钉与电容式位移传感器的间距，使电容式位移传感器满足使用性能，逼近过程中，激振压电陶瓷环作用使柔性铰链保持在其固有频率以初始振幅A0振动，之后压电促动器作用使纳米电极探针以微米或纳米级的精度向下运动直到与被测样品发生接触，柔性铰链的振幅开始小于初始振幅A0，并随着向下步进柔性铰链的振幅逐渐减小直至达到预先通过PID控制器设定的预设振幅A1，完成电极逼近过程；
步骤二：电化学检测
X-Y二维气浮平台和三维压电位移台作用带动其上的被测样品在水平方向进行运动，锁相放大器获取柔性铰链的实时振幅，柔性铰链先带动纳米电极探针维持预设振幅A1进行振动，在Z向闭环反馈作用下，当被测样品表面的凹面运动到纳米电极探针位置时，由于纳米电极探针与被测样品表面的间距增大，振幅增大为扩展振幅A2，为达到振幅恒定，控制系统根据检测到的扩展振幅A2对应的电压信号调节压电促动器使其向下伸展，从而加重纳米电极探针与被测样品表面的挤压直至振幅减小为预设振幅A1，完成被测样品检测的凹面反馈，当被测样品表面的凸面运动到纳米电极探针位置时，由于纳米电极探针与被测样品表面的间距减小，振幅减小为减缩振幅A3，为达到振幅恒定，控制系统根据检测到的减缩振幅A3对应的电压信号调节压电促动器使其向上收缩，从而减轻纳米电极探针与被测样品表面的挤压直至振幅增大为预设振幅A1，完成被测样品检测的凸面反馈，压电促动器、X-Y二维气浮平台和三维压电位移台向上位机实时传送位置信息，纳米电极探针检测的被测样品的电化学信息通过外接导线连入电化学工作站，直至被测样品检测完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、检测装置的纳米电极探针以振动模式接近被测样品表面，振动模式下电极针尖与被测样品的接触是一种准接触模式，相比于传统的接触模式，可以减小两者间的相互作用力，从而保证纳米电极探针在逼近被测样品时的损坏降到最低；
2、进行电化学检测时，控制系统的Z向闭环反馈功能可以保证纳米电极探针与被测样品表面的距离恒定，从而使检测被测样品表面的电化学特性更加准确；
3、整体组装调试方便容易，自动化程度高，操作简单，实用性强，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的检测装置的装配结构轴测图；
图2是本发明的控制系统的原理图；
图3是本发明的控制系统的Z向闭环反馈的原理图；
图4是本发明的检测方法中电极逼近的过程示意图；
图5是本发明的检测方法中凹面反馈的过程示意图；
图6是本发明的检测方法中凸面反馈的过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图3所示，一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统，包括检测装置1、Z向位移台2、X-Y二维气浮平台3、三维压电位移台4、上位机5、UMAC控制器6、信号发生器7、电荷放大器8、锁相放大器9以及PID控制器10。
结合图1所示，所述检测装置1包括滑槽固定座1-1、滑块1-3、压电促动器1-4、电容固定器1-5、调距环1-7、电容式位移传感器1-8、激振压电陶瓷环1-9、上固定环1-10、定位螺钉1-11、柔性铰链1-12、下固定环1-13以及纳米电极探针1-18，所述滑槽固定座1-1上竖向滑动安装有滑块1-3，并且滑槽固定座1-1设有紧固螺栓1-2能够对所述滑块1-3紧固定位，所述压电促动器1-4竖向固定在滑块1-3上，压电促动器1-4采用中空式封装柱状压电陶瓷，所述电容固定器1-5上端螺接固定在压电促动器1-4底部，电容固定器1-5下端为中空结构并设有内螺纹，所述调距环1-7上端设有外螺纹与电容固定器1-5下端旋接配合，所述电容式位移传感器1-8为棒状且其上端穿过调距环1-7竖向插装在电容固定器1-5内部，电容固定器1-5设有锁紧螺钉1-6能够对电容式位移传感器1-8锁紧定位，所述激振压电陶瓷环1-9粘接固定在调距环1-7底部，所述柔性铰链1-12夹装固定在上固定环1-10与下固定环1-13之间，柔性铰链1-12采用十字交叉柔性铰链或环形内单臂柔性铰链，柔性铰链1-12边缘固定导电片1-14并连接有外接导线1-15，所述上固定环1-10粘接固定在激振压电陶瓷环1-9底部，所述定位螺钉1-11上端卡设在柔性铰链1-12中心开设的穿孔处，定位螺钉1-11下端安装螺母接头1-16与柔性铰链1-12紧固定位，所述纳米电极探针1-18可拆卸固定在所述螺母接头1-16底部，纳米电极探针1-18根部粘接固定有保护套1-17，螺母接头1-16沿径向对应设有至少一组夹紧螺钉将所述保护套1-17夹紧固定。
结合图3所示，所述信号发生器7连接激振PZT驱动器11控制激振压电陶瓷环1-9的振动，电容式位移传感器1-8测得激振压电陶瓷环1-9的位移变化经电荷放大器8处理后传递给锁相放大器9，所述锁相放大器9根据信号发生器7产生的信号频率提取同频率的所述电荷放大器8的电压幅值信号，所述PID控制器10将锁相放大器9的电压幅值信号进行运算处理后通过压电陶瓷控制器12对压电促动器1-4进行控制，完成检测装置1的Z向闭环反馈。
结合图2所示，检测装置1通过所述滑槽固定座1-1固定在所述Z向位移台2上，所述X-Y二维气浮平台3上固定安装所述三维压电位移台4并位于检测装置1下方，压电促动器1-4、X-Y二维气浮平台3和三维压电位移台4分别为上位机5提供实时信号，所述上位机5通过UMAC控制器6控制Z向位移台2、X-Y二维气浮平台3和三维压电位移台4的位移。
一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤一：电极逼近
控制Z向位移台2进行移动并结合紧固螺栓1-2调节定位滑块1-3相对于滑槽固定座1-1的高度位置，使纳米电极探针1-18初步下移逼近被测样品，外接导线1-15与电化学工作站连接以表征被测样品表面的电化学特性，通过锁紧螺钉1-6初步调节定位电容式位移传感器1-8相对电容固定器1-5的高度位置，并转动调距环1-7进一步调节定位螺钉1-11与电容式位移传感器1-8的间距，使电容式位移传感器1-8满足使用性能，结合图4所示，逼近过程中，激振压电陶瓷环1-9作用使柔性铰链1-12保持在其固有频率以初始振幅A0振动，之后压电促动器1-4作用使纳米电极探针1-18以微米或纳米级的精度向下运动直到与被测样品发生接触，柔性铰链1-12的振幅开始小于初始振幅A0，并随着向下步进柔性铰链1-12的振幅逐渐减小直至达到预先通过PID控制器10设定的预设振幅A1，预设振幅A1的大小宜设定在初始振幅A0的1/4～3/4，完成电极逼近过程；
步骤二：电化学检测
X-Y二维气浮平台3和三维压电位移台4作用带动其上的被测样品在水平方向进行运动，锁相放大器9获取柔性铰链1-12的实时振幅，柔性铰链1-12先带动纳米电极探针1-18维持预设振幅A1进行振动，在Z向闭环反馈作用下，结合图5所示，当被测样品表面的凹面运动到纳米电极探针1-18位置时，由于纳米电极探针1-18与被测样品表面的间距增大，振幅增大为扩展振幅A2，为达到振幅恒定，控制系统根据检测到的扩展振幅A2对应的电压信号调节压电促动器1-4使其向下伸展，从而加重纳米电极探针1-18与被测样品表面的挤压直至振幅减小为预设振幅A1，完成被测样品检测的凹面反馈，结合图6所示，当被测样品表面的凸面运动到纳米电极探针1-18位置时，由于纳米电极探针1-18与被测样品表面的间距减小，振幅减小为减缩振幅A3，为达到振幅恒定，控制系统根据检测到的减缩振幅A3对应的电压信号调节压电促动器1-4使其向上收缩，从而减轻纳米电极探针1-18与被测样品表面的挤压直至振幅增大为预设振幅A1，完成被测样品检测的凸面反馈，压电促动器1-4、X-Y二维气浮平台3和三维压电位移台4向上位机5实时传送位置信息，纳米电极探针1-18检测的被测样品的电化学信息通过外接导线1-15连入电化学工作站，直至被测样品检测完成。
信号发生器7产生一定频率的正弦输入电压信号，激振PZT驱动器11使得激振压电陶瓷环1-9在固有频率下进行恒定幅值的振动，其振动产生的位移变化由电容式位移传感器1-8测量得到，并经过电荷放大器8处理，经处理后的电压信号传入到锁相放大器9中，锁相放大器9根据信号发生器7输入的参考信号的幅值和频率，锁住电荷放大器8在输出的一定频率下的振幅值，之后PID控制器10根据锁相放大器9输入的幅值信号对压电促动器1-4进行控制，完成检测装置1的Z向闭环反馈。
当信号发生器7给定激振PZT驱动器11正弦信号后，电容式位移传感器1-8测定纳米电极探针1-18和定位螺钉1-11振动时的位置变化，其值将在稳定区间内变化，之后由锁相放大器9根据参考信号频率，锁定振动的幅值大小，此时为空载幅值，根据空载幅值的大小在PID控制器10中设定一个合适的初始振幅A0，并开始对PID控制器10进行参数调节，当PID控制器10的P、I、D三个参数调制符合要求的值之后，便可以让X-Y二维气浮平台3和三维压电位移台4预定方式开始水平移动，进行电化学检测，锁相放大器9实时获取振幅，当系统稳定工作时，柔性铰链1-12和纳米电极探针1-18的振幅维持在预设振幅A1，被测样品在水平方向继续移动，当被测样品凹面运动到纳米电极探针1-18位置时，纳米电极探针1-18振幅增大为扩展振幅A2，为了到达振幅恒定，控制系统根据检测到的振动幅值对应的电压信号，对压电促动器1-4进行调节，使其向下运动，从而挤压纳米电极探针1-18与被测样品表面，将振幅减小为预设振幅A1，从而完成被测样品检测的凹面反馈；当被测样品凸面运动到纳米电极探针1-18位置时，由于纳米电极探针1-18与被测样品表面的距离减小，形成挤压，纳米电极探针1-18的振幅减小为减缩振幅A3，为了到达振幅恒定，控制系统根据检测到的振动幅值对应的电压信号，对压电促动器1-4进行调节，使其向上运动，从而减轻纳米电极探针1-18与被测样品表面的挤压，将振幅增大为预设振幅A1，从而完成被测样品检测的凸面反馈。检测过程中，压电促动器1-4、X-Y二维气浮平台3和三维压电位移台4向上位机5实时传送位置信息，纳米电极探针1-18检测的被测样品的电化学信息通过外接导线1-15连入电化学工作站，其中，三维压电位移台4的的Z向位移可以和X、Y方向联动，利用现有技术在上位机5内设定控制算法，能够实现补偿被测样品倾斜度的作用。
当三维压电位移台4运动范围达不到使用要求时，采用相同控制方式对X-Y二维气浮平台3进行控制，X-Y二维气浮平台3的运动范围一般为100×100mm，满足绝大多数的被测样品检测区域。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统，其特征在于：包括检测装置(1)、Z向位移台(2)、X-Y二维气浮平台(3)、三维压电位移台(4)、上位机(5)、UMAC控制器(6)、信号发生器(7)、电荷放大器(8)、锁相放大器(9)以及PID控制器(10)，所述检测装置(1)包括滑槽固定座(1-1)和能够通过紧固螺栓(1-2)与其紧固定位的滑块(1-3)，所述滑块(1-3)上固定压电促动器(1-4)，所述压电促动器(1-4)底部固定电容固定器(1-5)，所述电容固定器(1-5)下端螺纹连接调距环(1-7)并插装电容式位移传感器(1-8)，所述电容式位移传感器(1-8)能够通过锁紧螺钉(1-6)锁紧定位，所述调距环(1-7)底部固定激振压电陶瓷环(1-9)，所述激振压电陶瓷环(1-9)底部固定上固定环(1-10)，所述上固定环(1-10)底部固定下固定环(1-13)且二者之间夹装柔性铰链(1-12)，所述柔性铰链(1-12)边缘固定导电片(1-14)并连接外接导线(1-15)，柔性铰链(1-12)中心通过定位螺钉(1-11)与螺母接头(1-16)安装纳米电极探针(1-18)，检测装置(1)通过所述滑槽固定座(1-1)固定在所述Z向位移台(2)上，所述X-Y二维气浮平台(3)上固定安装所述三维压电位移台(4)并位于检测装置(1)下方，所述信号发生器(7)连接激振PZT驱动器(11)控制激振压电陶瓷环(1-9)的振动，电容式位移传感器(1-8)测得激振压电陶瓷环(1-9)的位移变化经电荷放大器(8)处理后传递给锁相放大器(9)，所述锁相放大器(9)根据信号发生器(7)产生的信号频率提取同频率的所述电荷放大器(8)的电压幅值信号，所述PID控制器(10)将锁相放大器(9)的电压幅值信号进行运算处理后通过压电陶瓷控制器(12)对压电促动器(1-4)进行控制，完成检测装置(1)的Z向闭环反馈，压电促动器(1-4)、X-Y二维气浮平台(3)和三维压电位移台(4)分别为上位机(5)提供实时信号，所述上位机(5)通过UMAC控制器(6)控制Z向位移台(2)、X-Y二维气浮平台(3)和三维压电位移台(4)的位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统，其特征在于：所述纳米电极探针(1-18)根部粘接固定有保护套(1-17)，所述螺母接头(1-16)沿径向对应设有至少一组夹紧螺钉将所述保护套(1-17)夹紧固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统，其特征在于：所述压电促动器(1-4)为中空式封装柱状压电陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种基于振动模式的电化学检测装置控制系统，其特征在于：所述柔性铰链(1-12)为十字交叉柔性铰链或环形内单臂柔性铰链。
5.一种根据权利要求1所述的基于振动模式的电化学检测装置控制系统的检测方法，其特征在于：所述检测方法包括以下步骤：
步骤一：电极逼近
控制Z向位移台(2)进行移动并结合紧固螺栓(1-2)调节定位滑块(1-3)相对于滑槽固定座(1-1)的高度位置，使纳米电极探针(1-18)初步下移逼近被测样品，外接导线(1-15)与电化学工作站连接以表征被测样品表面的电化学特性，通过锁紧螺钉(1-6)初步调节定位电容式位移传感器(1-8)相对电容固定器(1-5)的高度位置，并转动调距环(1-7)进一步调节定位螺钉(1-11)与电容式位移传感器(1-8)的间距，使电容式位移传感器(1-8)满足使用性能，逼近过程中，激振压电陶瓷环(1-9)作用使柔性铰链(1-12)保持在其固有频率以初始振幅A0振动，之后压电促动器(1-4)作用使纳米电极探针(1-18)以微米或纳米级的精度向下运动直到与被测样品发生接触，柔性铰链(1-12)的振幅开始小于初始振幅A0，并随着向下步进柔性铰链(1-12)的振幅逐渐减小直至达到预先通过PID控制器(10)设定的预设振幅A1，完成电极逼近过程；
步骤二：电化学检测
X-Y二维气浮平台(3)和三维压电位移台(4)作用带动其上的被测样品在水平方向进行运动，锁相放大器(9)获取柔性铰链(1-12)的实时振幅，柔性铰链(1-12)先带动纳米电极探针(1-18)维持预设振幅A1进行振动，在Z向闭环反馈作用下，当被测样品表面的凹面运动到纳米电极探针(1-18)位置时，由于纳米电极探针(1-18)与被测样品表面的间距增大，振幅增大为扩展振幅A2，为达到振幅恒定，控制系统根据检测到的扩展振幅A2对应的电压信号调节压电促动器(1-4)使其向下伸展，从而加重纳米电极探针(1-18)与被测样品表面的挤压直至振幅减小为预设振幅A1，完成被测样品检测的凹面反馈，当被测样品表面的凸面运动到纳米电极探针(1-18)位置时，由于纳米电极探针(1-18)与被测样品表面的间距减小，振幅减小为减缩振幅A3，为达到振幅恒定，控制系统根据检测到的减缩振幅A3对应的电压信号调节压电促动器(1-4)使其向上收缩，从而减轻纳米电极探针(1-18)与被测样品表面的挤压直至振幅增大为预设振幅A1，完成被测样品检测的凸面反馈，压电促动器(1-4)、X-Y二维气浮平台(3)和三维压电位移台(4)向上位机(5)实时传送位置信息，纳米电极探针(1-18)检测的被测样品的电化学信息通过外接导线(1-15)连入电化学工作站，直至被测样品检测完成。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述步骤一中预设振幅A1为初始振幅A0的1/4～3/4。
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