CC BY
2
УДК 621.385.833
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ПЕРЕКРЫВАЮЩИХСЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАНОЧАСТИЦ ПРИ КОНТРОЛЕ ДИСПЕРСНОСТИ
ГУЛЯЕВ П.В., ШЕЛКОВНИКОВ Ю.К., ЕРМОЛИН КС.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В статье рассмотрены принципы применения приводов систем позиционирования в процессе контроля дисперсности наночастиц. Представлены возможности использования трения в направляющих предметного столика для улучшения эксплуатационных параметров системы позиционирования. Показано, что применение в приводах датчиков ускорения и алгоритмов обработки перекрывающихся изображений позволяет реализовать координатную привязку наночастиц при небольшом коэффициенте перекрытия.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сканирующая зондовая микроскопия, координатная привязка, приводы микроперемещений, датчики микроперемещений, характерные точки изображения, сдвиг, поворот изображений.
Система позиционирования зондового микроскопа при контроле дисперсности наночастиц в общем случае состоит из устройства позиционирования и программ обработки изображений. Устройство позиционирования обеспечивает перемещение поверхности образца в поле зрения микроскопа таким образом, чтобы получить ряд перекрывающихся изображений, обеспечивающих отображение участка поверхности, значительно превосходящего по площади поле зрения микроскопа. Программы обработки изображений служат для того, чтобы определить сдвиг, угол поворота перекрывающихся изображений и осуществить привязку обнаруженных наночастиц к единой системе координат.
Инерционные пьезоэлектрические приводы (ИПП) вращательно-поступательного типа на основе безлюфтовых пар винт-гайка (рис. 1) привлекают к себе внимание благодаря применению доступных комплектующих, относительной простоте конструкции, возможности самостоятельной сборки, многообразию схем пьезоактивной части и невысокой цене [1, 2].
1
7
2
1 - винт; 2 - гайка; 3 - крепежный элемент; 4 - изгибный пьезоэлемент; 5 - инерционный элемент; 6 - держатель датчика; 7 - датчик ускорения
Рис. 1. Инерционный пьезоэлектрический привод
Использование данных приводов для контроля дисперсности в сканирующем зондовом микроскопе [3 - 4] подразумевает перемещение с их помощью образца относительно поля зрения сканера. При этом точность приводов должна быть не хуже, чем половина поля зрения сканера, что для точных сканеров может составлять десятки нанометров и менее. В данном случае применение ИПП обосновано их высокой точностью [5 - 7].
Особенностью ИПП является форма шагового перемещения - резкий первоначальный скачок с последующим плавным смещением в обратном направлении (обратный ход). Другой характерной особенностью ИПП является немонотонный характер зависимости шагового перемещения от величины нагрузки [8 - 9] (рис. 2).
а) - при изменении момента силы сухого трения М; б) - при изменении углового вязкого трения (подвижности) Я в кинематической паре ИПП
Рис. 2. Графики углового перемещения винта ф
Под нагрузкой в данном случае понимается разновидность деформации пьезоэлементов, масса, момент инерции крепежных и инерционных элементов, сила трения в кинематической паре, зависящая, в том числе, и от массы перемещаемого объекта.
Для снижения величины обратного хода (приближения формы шагового перемещения к ступенчатой) следует уменьшать величину вязкого трения, воздействующего на винт привода, или (и) увеличивать величину сухого трения [10]. Для этого могут применяться элементы предметного столика (рис. 3): направляющие и пружины. В частности, пружины могут использоваться для устранения люфта в обычных парах винт-гайка, а направляющие -для создания необходимого для инерционных приводов трения.
Изменение нагрузки для улучшения переходных процессов ИПП не может гарантировать заранее заданную величину перемещений, поэтому позиционирование образца в процессе контроля дисперсности требует дополнительных мер контроля, таких как интегрированные датчики перемещения [11].
Привод, основанный на изгибных элементах, имеющих достаточно большие прогибы (доли мм), может оснащаться датчиком ускорения, например ММА626^. Датчик необходимо разместить в месте наибольших ускорений - на инерционном элементе или на отдельном держателе 6 (рис. 1), жестко связанном (для упрощения интерпретации данных) с вращающимся винтом посредством держателя 3. Для связи поступательного перемещения винта и углового Дф перемещения инерционного элемента можно использовать следующие выражения:
А/ . Аф- И А/ • И
Аф =—, А — =-,
г 2 •р 2 • р • г
где И - шаг резьбы; А/ - величина изгибного перемещения, который преодолевает центр тяжести инерционного элемента во время пологого фронта управляющего сигнала; г - радиус окружности, описываемой центром тяжести в процессе работы привода. Интеграция датчика в ИПП позволяет существенно расширить функциональные возможности систем позиционирования в области контроля и управления величиной перемещений. В частности, помимо измерения величины перемещений датчик может применяться для проверки работоспособности привода, а также для уточнения взаимного сдвига двух пересекающихся изображений.
1 - ИПП; 2 - платформа с образцом; 3 - направляющие; 4 - возвратные пружины Рис. 3. Схема перемещения образца
В случае применения зондового микроскопа для контроля дисперсности поверхность исследуется с помощью перекрывающихся изображений. С целью формирования единой системы координат для последовательно полученных изображений поверхности, позволяющей корректно установить местоположение каждой частицы и сформировать выборку размеров частиц, для перекрывающихся изображений определяются величина смещения и угол поворота. Для этого используется метод статистической дифференциации изображений [12], в котором выделяются особые точки, пары которых определяют взаимную ориентацию изображений. Для каждой пары точек, образующих на сравниваемых изображениях отрезки равной длины, определяется смещение и угол поворота. Полученные величины определяют индексы (координаты) ячеек гистограмм (массивов) смещения Об и поворота Ой, которые увеличиваются на единицу. При большом количестве общих особых точек в гистограммах формируются отчетливо различимые максимумы, индексы которых определяют параметры ориентации изображений. На рис. 4 представлены результаты координатной привязки разнотипных изображений.
Вверху расположены анализируемые изображения, на которых крестиками отмечены особые точки. Внизу располагаются:
- двумерная гистограмма смещения, в которой точками отмечены экстремумы гистограммы смещений, а крестиком - максимум шяхОб, соответствующий искомому смещению;
- одномерная гистограмма угла поворота, в которой максимум шахОй показан стрелкой (в контексте получения перекрывающихся изображений для контроля дисперсности величина угла поворота стремиться к нулю).
А, пиксель -.256
7 -256'
-180 к 180
я «
№ » =9 "
. к :> О « Л Л & «
Г * &
» в » « »
а)
а) - изображения наноалмазов; б) - изображения периодической структуры Рис. 4. Координатная привязка двух изображений
Как показала практика, метод статистической дифференциации требует значительного (30 - 40 %) перекрытия фрагментов обобщенного изображения. При малом коэффициенте перекрытия изображений и малом количестве общих частиц величина максимума шахОБ в гистограмме может составлять всего несколько единиц, а количество максимумов превышать 1 (рис. 5).
О О ® ® ®
А О о о о а я
о
©®
о • О Й
о о®
А, пиксель
Рис. 5. Координатная привязка двух изображений с малым коэффициентом перекрытия
В данном случае, величины перемещения Ах и Ау, полученные после интегрирования показаний датчиков ускорения, позволяют из множества экстремумов гистограммы Об выбрать наиболее близкий к Ах и Ау (на рис. 5 выделен кружком).
Возможен и обратный случай - когда данные обработки, полученных после перемещения изображений, позволяют откалибровать приводы системы позиционирования для определенных условий применения (сила трения в направляющих, вес образца). Это особенно важно в условиях немонотонных зависимостей величины перемещения от трения в направляющих (рис. 3) и амплитуды управляющего импульса (рис. 6).
Ф,
рад 10-6
3
1.5
0
Рис. 6. Угловое перемещение винта ф привода при различной деформации пьезоэлемента
Таким образом, использование в системе позиционирования приводов, датчиков перемещения, программных методов определения взаимной ориентации перекрывающихся изображений позволяет реализовать контроль дисперсности методами зондовой микроскопии на участках поверхности, значительно превосходящих поле зрения микроскопа. При этом дублирование функций датчика перемещений в программном обеспечении позволяет снизить коэффициент перекрытия изображений и повысить производительность микроскопа в процессе контроля дисперсности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hongzhuang Zhang, Ping Zeng, Shunming Hua, Guangming Cheng, Zhigang Yang Impact drive rotary precision actuator with piezoelectric bimorphs // Front. Mech. Eng. China. 2008. № 3(1). P. 71-75.
2. Быков В.А., Голубок А.О., Котов В.В. и др. Инерционный двигатель // Патент РФ № 2297072 РФ. 2007. Бюл. № 10.
3. Шелковников Е.Ю., Тюриков А.В., Гуляев П.В. Методы и средства контроля дисперсности наночастиц в сканирующей зондовой микроскопии // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 2. С. 314-318.
4. Гафаров М.Р., Шелковников Е.Ю., Гуляев П.В. и др. Контроль дисперсности наночастиц в СТМ-измерениях выделением структурных элементов их изображений // Ползуновский вестник. 2011. № 3-1. С. 118123.
5. Гуляев П.В. Низковольтный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступательного типа // Электротехника. 2014. № 7. С. 12-16.
6. Липанов А.М., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. Прецизионный пьезодвигатель наноперемещений для сканирующего туннельного микроскопа // Датчики и системы. 2004. № 9. С. 30-33.
7. Липанов А.М., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Формирование наноперемещений пьезоэлектрическим осциллятором и кинематической парой вращения // Письма в Журнал технической физики. 2011. Т. 37, № 15. С. 55-61.
8. Гуляев П.В. Особенности применения схем замещения при проектировании инерцоидных пьезоэлектрических приводов // Электротехника. 2011. № 10. С. 8-13.
9. Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю., Тюриков А.В. Влияние нагрузки на переходные процессы в инерционных пьезоэлектрических приводах вращательно-поступательного типа // Ползуновский вестник. 2013. № 2. С. 102-105.
10. Гуляев П.В., Шелковников Ю.К., Тюриков А.В. Дополнительные элементы управления инерционными пьезоэлектрическими приводами наноперемещений // Ползуновский вестник. 2014. № 2. С. 223-226.
11. Липанов А.М., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Инерционный пьезоэлектрический привод с магнитоиндукционным датчиком скорости // Датчики и системы. 2012. № 5. С. 52-54.
12. Шелковников Ю.К., Гафаров М.Р., Гуляев П.В. и др. Построение изображений поверхности при многокадровом режиме сканирующего туннельного микроскопа // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т.10, № 4. С.514-520.
APPLICATION OF POSITIONING SYSTEMS FOR RECEIVING AND PROCESSING THE OVERLAPPING IMAGES IN THE PROCESS OF DISPERSION CONTROL OF NANOPARTICLES
Gulyaev P.V., Shelkovnikov Yu.K., Ermolin K.S.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian
SUMMARY. Principles of positioning system drives application for nanoparticles dispersity control are considered in the article. Possibilities of usage a sample holder table guides friction for improving a positioning system operational parameters are provided. It is shown that application a drives accelerometer and algorithms of overlapped images processing allows to realize a coordinate probe-surface binding for images with low coefficient of overlapping.
KEYWORDS: scanning probe microscopy, coordinate binding, micromovement drives, micromovement sensors, characteristic point of the image, image shift and angle of rotation.
Гуляев Павел Валентинович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail:[email protected]
Шелковников Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, профессор кафедры «Радиотехника» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, e-mail: [email protected]
Ермолин Кирилл Сергеевич, младший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: ermolin@udm. ru
