CN114322745B - 一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法 - Google Patents

一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，包括：将待测导体固定安装在多自由度移动台上；在传感探针上加载交流调制电压Vs，利用传感探针与待测导体间的静电力矩使得静电力传感探针位置发生变化；将传感探针与待测导体的静电力矩转化为电压信号，对电压信号进行处理，得到静电力矩的基频分量
Figure DDA0003451125930000011
和倍频分量
Figure DDA0003451125930000012
代入电势和形貌计算公式，计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure DDA0003451125930000013
和形貌差异引起的起伏
Figure DDA0003451125930000014
调整待测导体的位置，从而实现对待测导体表面不同区域的电势和形貌进行测量。本发明能满足对不同待测导体表面电势及表面形貌同时测量的需求，具有测量方式简单、测量效率高的特点。

Description

一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法
技术领域
本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法。
背景技术
高精度引力实验主要是通过对物体间相互作用和相互作用规律的研究来检验现有的引力理论以及寻找新的相互作用。此类实验中通常会选择金属材料或者经过镀导电膜处理的材料来制作检验质量。由于待测引力效应非常微弱，在高精度的引力实验中我们必须屏蔽除了引力效应以外的其他来自环境的扰动力。检验质量残余电荷与环境电磁场的电磁扰动是引力实验研究的主要噪声源之一，深入研究检验质量与环境电磁场的相互作用及其抑制方法，对于高精度的引力实验而言具有重要的科学意义。
目前，测量导体表面电势的主要手段是基于原子力显微镜衍生发展出来的Kelvin，该技术能够在小范围内实现对导体表面电势分布的测量，且具有很高的空间分辨率水平。扭摆由于其高灵敏度的优势被广泛地应用于各种精密弱力测量实验中，该技术在近年来也应用到了对导体表面电势的测量中。在目前的精密测量研究中，导体的表面电势分布和表面形貌特征都极具研究意义，传统的方法是采用不同的装置设备分别测量导体表面电势分布和形貌特征，流程复杂，耗时长。
因此，亟需一种能同时测量导体表面电势分布和形貌特征的方法以解决传统测量方法存在流程复杂、耗时长的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，能满足对不同待测导体表面电势及表面形貌同时测量的需求，具有测量方式简单、测量效率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，包括如下步骤：
(1)将待测导体固定安装在多自由度移动台上，所述待测导体的表面与静电力传感探针的端面正对平行间隔布置；
(2)在所述静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，利用所述静电力传感探针与所述待测导体间的静电力矩使得所述静电力传感探针位置发生变化；
(3)检测所述静电力传感探针的位置变化信息，并根据所述位置变化信息向与所述静电力传感探针相连接的连接组件上施加一控制力矩，使得所述静电力传感探针回到预设中心；其中，所述控制力矩通过加载在反馈执行机上的反馈控制电压信号产生，所述反馈执行机设置在所述连接组件上；
(4)当所述静电力传感探针回到预设中心时，采集此时的反馈控制电压信号Vf，并对所述反馈控制电压信号Vf进行处理，得到所述静电力矩的基频分量
Figure BDA0003451125910000021
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000022
将所述基频分量
Figure BDA0003451125910000023
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000024
代入公式
Figure BDA0003451125910000025
和
Figure BDA0003451125910000026
计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure BDA0003451125910000027
和形貌差异引起的起伏
Figure BDA0003451125910000028
其中，dp表示所述静电力传感探针与待测导体的距离；ε表示真空介电常数；S表示静电力传感探针端面面积；lp表示静电作用力的力臂；
(5)驱动所述多自由度移动台使所述待测导体相对于所述静电力传感探针移动，重复步骤(3)和(4)，实现对所述待测导体表面不同区域的电势和形貌进行测量。
本发明提供的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，通过在静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，将待测导体表面的电势和形貌转化为其与传感探针间的静电力矩信息，然后再将该静电力矩信息转化为电压信号，通过对电压进行处理，从而实现对导体表面电势与导体表面形貌的同时测量。相比于传统使用不同的设备装置分别对导体表面电势和形貌进行测量，具有测量方式简单、测量效率高的特点。
在其中一个实施例中，在步骤(4)中，对所述反馈控制电压信号Vf进行处理，得到所述静电力矩的基频分量
Figure BDA0003451125910000031
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000032
的步骤，包括：
将所述反馈控制电压信号Vf进行快速傅里叶变换处理，得到反馈控制电压信号Vf的功率谱密度曲线；
将所述功率谱密度曲线乘以预先标定的灵敏度系数，得到所述静电力矩的基频分量
Figure BDA0003451125910000033
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000034
其中，所述灵敏度系数的标定方法为：通过引力源引力力矩做已知的输入力矩，标定出反馈电压与该输入力矩间的灵敏度系数。
在其中一个实施例中，在步骤(2)中，利用交流调制电压源在所述静电力传感探针上加载交流调制电压Vs。
在其中一个实施例中，步骤(3)具体为：
通过位移传感器检测所述静电力传感探针的位置变化信息；
利用反馈控制器将所述位置变化信息进行PID运算后获得一反馈控制电压，并将所述反馈控制电压传给反馈执行机；
所述反馈执行机根据所述反馈控制电压产生一与所述静电力矩相等的控制力矩并施加在所述连接组件上，使得所述静电力传感探针回到预设中心。
在其中一个实施例中，所述反馈执行机包括电容极板。
在其中一个实施例中，所述连接组件包括扭摆组件、悬臂梁组件或悬挂组件。
在其中一个实施例中，所述位移传感器采用电容传感器。
在其中一个实施例中，步骤(4)具体为：
当所述静电力传感探针回到预设中心时，利用数据采集系统采集所述反馈控制器输出的反馈控制电压信号Vf，并将所述反馈控制电压信号Vf输出至计算机；
将计算机接收到的所述反馈控制电压信号进行处理，提取得到静电力矩的基频分量
Figure BDA0003451125910000041
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000042
并将所述基频分量
Figure BDA0003451125910000043
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000044
代入公式
Figure BDA0003451125910000045
和
Figure BDA0003451125910000046
计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure BDA0003451125910000047
和形貌差异引起的起伏
Figure BDA0003451125910000048
附图说明
图1是本发明一实施例提供的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法的待测导体与传感探针相互作用的局部示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为解决传统采用不同的装置设备分别测量导体表面电势分布和形貌特征，流程复杂，耗时长且成本高的问题，本发明提供了一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，能满足对不同待测导体表面电势及表面形貌同时测量的需求，具有测量方式简单、测量效率高、成本低的特点。
图1是本发明一实施例提供的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法的流程图，如图1所示，该测量方法包括步骤S10～S50，详述如下：
S10，将待测导体固定安装在多自由度移动台上，待测导体的表面与静电力传感探针的端面正对平行间隔布置。
在步骤S10中，将待测导体安装在可实现多自由度运动的移动台上，以配合调整待测导体的姿态，实现对待测导体表面不同区域的测量要求。至于待测导体与静电力传感探针之间的间距可根据实际情况进行相应优化选定，本实施例不作限制。
S20，在静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，利用静电力传感探针与待测导体件间的静电相互作用(静电力矩)使得静电力传感探针的位置发生变化。
在步骤S20中，在静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，其目的是为了通过静电力传感探针与待测导体之间的静电力矩，将待测导体表面的电势与形貌的信息转化为静电力矩信息。
当静电力传感探针上加载交流调制电压Vs时，根据虚功原理可知，静电力传感探针和待测导体间的静电力矩可表示为：
Figure BDA0003451125910000051
式(1)中，Cp表示静电力传感探针与待测导体间的电容；dp表示静电力传感探针与等效待测导体表面间的距离；Vtm表示待测导体正对静电力传感探针区域表面电势；lp表示静电力矩的力臂；ds表示待测导体表面与其等效表面间的距离，即导体表面形貌差异引起的起伏，能表征导体表面形貌。
将交流调制变化的电压Vs加载于静电力传感探针上，令：
Vs＝Vdc+Vac sin(ωct) (2)
式中，Vdc、Vac对应表示交流调制电压Vs的直流、交流分量；ωc表示调制频率。
此时，静电力传感探针与待测导体间的静电力矩表达式为：
Figure BDA0003451125910000061
将式(3)展开可提取出静电力矩的直流分量、基频分量和倍频分量，分别为：
Figure BDA0003451125910000062
Figure BDA0003451125910000063
Figure BDA0003451125910000064
式(4)-(6)中，
Figure BDA0003451125910000065
分别为静电力矩的直流分量、基频分量和倍频分量。通过提取静电力矩信号的基频分量和倍频分量并将二者进行组合(式(5)除式(6))，即可获知待测导体表面不同区域的电势
Figure BDA0003451125910000066
即：
Figure BDA0003451125910000067
为最大程度地提高待测导体表面电势的测量精度，可将交流调制电压Vs的频率选取为本测量系统噪声本底最低的频率处。
而在移动待测导体辅助多自由度移动台进行扫描测量过程中，当把待测导体的移动轴与静电力传感探针的端面调节平行后，通过倍频分量
Figure BDA0003451125910000068
可以得到待测导体表面当前区域的形貌差异引起的起伏
Figure BDA0003451125910000069
即：
Figure BDA0003451125910000071
式(8)中，如图2所示，dp表示静电力传感探针与待测导体的距离；ε表示真空介电常数；S表示静电力传感探针端面面积；lp表示静电作用力的力臂。
由此可见，在静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，此时静电力传感探针与待测导体间的静电相互作用可分解为直流分量、基频分量与倍频分量几个部分，将基频与二倍频分量组合可得到表面电势，提取二倍频分量可获取导体表面形貌，从而实现在测量导体表面区域的电势的同时测量导体的表面形貌。
为更方便地提取得到静电力矩的基频和二倍频分量，本发明通过将待测导体与正对的传感探针间的静电力矩转换成电压信号，通过对得到的电压信号数据进行处理，可以同时获悉导体表面电势与导体表面形貌，具体实现方式可参见步骤S30和步骤S40。
S30，检测静电力传感探针的位置变化信息，并根据位置变化信息向与静电力传感探针相连接的连接组件上施加一控制力矩，该控制力矩与静电力相等，使得静电力传感探针回到预设中心。具体地，控制力矩通过加载在反馈执行机上的反馈控制电压产生，反馈执行机设置在所述连接组件上。
在步骤S30中，通过向与静电力传感探针相连接的连接组件上施加一与静电力矩等大的控制力矩，从而将静电力矩信息转化为控制力矩信息，而控制力矩又是通过在反馈执行机上施加的反馈控制电压信号得到，也即是说，当静电力传感探针回到预设中心时，通过反馈执行机标定即可得到静电力矩和反馈控制电压信号的关系。
S40，当静电力传感探针回到预设中心时，采集此时反馈控制电压信号Vf，并对反馈控制电压信号Vf进行处理，得到静电作用力的基频分量
Figure BDA0003451125910000072
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000081
将上述处理得到的基频分量
Figure BDA0003451125910000082
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000083
代入公式
Figure BDA0003451125910000084
和
Figure BDA0003451125910000085
即可计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure BDA0003451125910000086
和形貌差异引起的起伏
Figure BDA0003451125910000087
在步骤S40中，对反馈控制电压信号Vf处理的方式可以为：将反馈控制电压信号Vf进行快速傅里叶变换处理，得到反馈控制电压信号Vf的功率谱密度曲线；将功率谱密度曲线乘以预先标定的灵敏度系数，得到静电力矩的基频分量
Figure BDA0003451125910000088
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000089
其中，灵敏度系数的标定方法为：通过引力源引力力矩做已知的输入力矩，标定出反馈电压与该输入力矩间的灵敏度系数。
S50，驱动多自由度移动台使待测导体相对于静电力传感探针移动，重复步骤S30和S40，即可实现对待测导体表面不同区域的电势和形貌进行测量。
本实施例提供的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，通过在静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，将待测导体表面的电势和形貌转化为其与传感探针间的静电力矩信息，然后再将该静电力矩信息转化为电压信号，通过对电压进行处理，从而实现对导体表面电势与导体表面形貌的同时测量。相比于传统使用不同的设备装置分别对导体表面电势和形貌进行测量，具有测量方式简单、测量效率高的特点。
下面列举具体实施例，以进一步说明本发明提供的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法的步骤。
步骤1：将待测导体固定安装在多自由度移动台上，使得待测导体的表面与静电力传感探针的端面正对平行间隔布置。
步骤2：利用交流调制电压源在静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，利用静电力传感探针与待测导体件间的静电相互作用(静电力矩)，使得静电力传感探针的位置发生变化。
需要说明的是，本实施例提供的静电力传感探针需设置在连接组件上，通过连接组件，使得该静电力传感探针在非工作状态下，保持与待测导体的端面正对平行间隔布置；在工作状态(加载交流调制电压Vs时)下，由于静电力矩发生位置变化。具体地，该连接组件可以是扭摆组件、悬臂梁组件或悬挂组件，具体采用何种结构可根据实际情况进行相应设置，本实施例不作限制。例如，当采用扭摆组件时，其具体结构可由支架和悬丝组成，支架悬挂在悬丝上构成扭摆，静电力传感探针设置在支架的一端面上。
步骤3：通过位移传感器检测静电力传感探针的位置变化；利用反馈控制器将位置变化信息进行PID运算后获得一反馈控制电压，并将反馈控制电压传给反馈执行机；反馈执行机根据反馈控制电压产生一与静电作用力相等的控制力矩并施加在连接组件上，使得静电力传感探针回到预设中心。
为更清楚地说明施加控制力矩的原理，还是以连接组件为扭摆组件为例，反馈执行机设置在连接组件上，具体可以为电容极板，当向电容极板施加一反馈控制电压信号时，因库伦定律，会在连接组件上产生与静电力矩等大的控制力矩，使支架保持相对静止，即使得静电力传感探针回到预设中心。为使反馈控制器根据位置变化信息运算得到反馈控制电压更准确，本实施例可采用的电容传感器对静电力传感探针的位置进行测量。
步骤4：当静电力传感探针回到预设中心时，利用电压采集器采集此时反馈控制器输出的反馈控制电压信号Vf，并将反馈控制电压信号Vf输出至计算机；将计算机接收到的反馈控制电压信号进行快速傅里叶变换处理其功率谱密度曲线，将该功率谱密度曲线乘以预先标定的灵敏度系数，即可得到静电力矩的基频分量
Figure BDA0003451125910000091
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000092
并将基频分量
Figure BDA0003451125910000093
和倍频分量
Figure BDA0003451125910000094
代入公式
Figure BDA0003451125910000095
和
Figure BDA0003451125910000096
中，计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure BDA0003451125910000101
和形貌差异引起的起伏
Figure BDA0003451125910000102
步骤5：通过电机驱动器驱动多自由度移动台使待测导体相对于静电力传感探针移动，重复步骤3和4，从而实现对待测导体表面不同区域的电势和形貌进行测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测导体固定安装在多自由度移动台上，所述待测导体的表面与静电力传感探针的端面正对平行间隔布置；
(2)在所述静电力传感探针上加载交流调制电压Vs，利用所述静电力传感探针与所述待测导体间的静电力矩使得所述静电力传感探针位置发生变化；
(3)检测所述静电力传感探针的位置变化信息，并根据所述位置变化信息向与所述静电力传感探针相连接的连接组件上施加一控制力矩，使得所述静电力传感探针回到预设中心；其中，所述控制力矩通过加载在反馈执行机上的反馈控制电压信号产生，所述控制力矩与所述静电力矩相等，所述反馈执行机设置在所述连接组件上；
(4)当所述静电力传感探针回到预设中心时，采集此时的反馈控制电压信号Vf，并对所述反馈控制电压信号Vf进行处理，得到所述静电力矩的基频分量
Figure FDA0003780057970000011
和倍频分量
Figure FDA0003780057970000012
将所述基频分量
Figure FDA0003780057970000013
和倍频分量
Figure FDA0003780057970000014
代入公式
Figure FDA0003780057970000015
和
Figure FDA0003780057970000016
计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure FDA0003780057970000017
和形貌差异引起的起伏
Figure FDA0003780057970000018
其中，Vdc、Vac对应表示交流调制电压Vs的直流、交流分量；dp表示所述静电力传感探针与待测导体的距离；ε表示真空介电常数；S表示静电力传感探针端面面积；lp表示静电作用力的力臂；
其中，步骤(4)中，对所述反馈控制电压信号Vf进行处理，得到所述静电力矩的基频分量
Figure FDA0003780057970000019
和倍频分量
Figure FDA00037800579700000110
的步骤，包括：
将所述反馈控制电压信号Vf进行快速傅里叶变换处理，得到反馈控制电压信号Vf的功率谱密度曲线；
将所述功率谱密度曲线乘以预先标定的灵敏度系数，得到所述静电力矩的基频分量
Figure FDA0003780057970000021
和倍频分量
Figure FDA0003780057970000022
所述灵敏度系数的标定方法为：通过引力源引力力矩做已知的输入力矩，标定出反馈电压与该输入力矩间的灵敏度系数；
(5)驱动所述多自由度移动台使所述待测导体相对于所述静电力传感探针移动，重复步骤(3)和(4)，实现对所述待测导体表面不同区域的电势和形貌进行测量。
2.根据权利要求1所述的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，在步骤(2)中，利用交流调制电压源在所述静电力传感探针上加载交流调制电压Vs。
3.根据权利要求1或2所述的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：
通过位移传感器检测所述静电力传感探针的位置变化信息；
利用反馈控制器将所述位置变化信息进行PID运算后获得一反馈控制电压，并将所述反馈控制电压传给反馈执行机；
所述反馈执行机根据所述反馈控制电压产生一与所述静电力矩相等的控制力矩并施加在所述连接组件上，使得所述静电力传感探针回到预设中心。
4.根据权利要求3所述的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，所述反馈执行机包括电容极板。
5.根据权利要求3所述的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，所述连接组件包括扭摆组件、悬臂梁组件或悬挂组件。
6.根据权利要求3所述的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，所述位移传感器采用电容传感器。
7.根据权利要求3所述的同时测量导体表面电势和表面形貌的方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
当所述静电力传感探针回到预设中心时，利用数据采集系统采集所述反馈控制器输出的反馈控制电压信号Vf，并将所述反馈控制电压信号Vf输出至计算机；
将计算机接收到的所述反馈控制电压信号进行处理，提取得到静电力矩的基频分量
Figure FDA0003780057970000031
和倍频分量
Figure FDA0003780057970000032
并将所述基频分量
Figure FDA0003780057970000033
和倍频分量
Figure FDA0003780057970000034
代入公式
Figure FDA0003780057970000035
和
Figure FDA0003780057970000036
计算得到待测导体表面当前区域的电势
Figure FDA0003780057970000037
和形貌差异引起的起伏
Figure FDA0003780057970000038
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