高精度微拉伸台数据处理方法研究

    扫描电子显微镜( scanning electron microscope，SEM)^［1］等超精密成像设备目前已广泛应用于对材料表面的成像表征． 随着材料学研究的进一步发展，需要在对材料样品进行微观检测的同时，对样品进行同步微操作^［2］，如采用安装在 SEM 真空腔体里的微拉伸台对样品进行微拉伸操作，从而实现特定条件下的材料弹性、塑性、断裂行为等研究^［3］．

    目前国内还未见对用于 SEM 的微拉伸台的相关研究报导． 尽管国外已有相关产品，如 Gatan 公司生产的 Microtest200，Microtest300 等，但由于其价格昂贵，且只能用于几种固定型号的 SEM，对于其他型号SEM 则需要根据样品室的空间结构来设计定制，加大了实验研究的成本． 本课题组已成功研制出用于FEI 公司 Quanta200 型环境扫描电镜的微拉伸台，它可以完成对材料的原位微拉伸、压缩、三点弯曲和四点弯曲等操作，具有最大 500 N 载荷，载荷精度 1 N，最大行程 10 mm，位移精度 1 μm，速度 0. 02 ～2 mm/min等特点．

    1 系统概述

    如图 1 所示为微拉伸台的控制系统框图． 其中，上位机 PC 提供微拉伸台控制的人机交互界面，该界面采用 VC + +6. 0^［4］编程实现，通过网络与下位机通讯; 下位机 PC104 主控板安装有嵌入式 Linux 操作系统^［5］，作为人机交互界面与具体硬件模块功能实现的桥梁，主要负责控制指令的发送以及采集数据的上传; 直流伺服微电机采用美国国家半导体公司专用运动控制芯片 LM629 驱动; 位移传感器和力传感器采集到的模拟电压信号通过 A/D( analog to digital) 模数转换成计算机可以识别的数字信号^［6］．

    微拉伸台的实物如图 2 所示．

    2 高精度数据采集

    实现高精度微拉伸的关键问题之一是高精度的数据采集． 本系统设计数据采集模块采用 Analog Devices 公司 AD7671 芯片，它具有 16 位并行数据宽度 80 万次 / s 的传输速率，既能满足转换精度的要求，又具有足够高的采集转换速率． 在系统精度要求不太高的情况下，A/D 转换一般采用多次采样后取平均值的算法，该方法简单易行，得到广泛应用． 但对于本系统来说，需要实现高精度的测量，如以位移传感器全行程0 ～10 mm 对应0 ～5 V 电压计算，实现1 μm 位移精度需要将电压值精确到0. 5 mV，这就对 A/D 转换的精度提出了较高的要求．

    对本系统 A/D 转换的线性度进行测试，具体测试方法为: 通过线性 D/A( digital to analog) 在 0 ～5 V电压区间以 0. 5 mV 为步距输出模拟电压，再经 A/D 转换成数字量，将 D/A 的输入与 A/D 的输出对比可以得出 A/D 转换的线性效果． 在实测中得出未进行矫正的 A/D 转换线性度为 1. 81%，这将带来较大的数据采集测量误差^［7］，不能满足高精度的要求．