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如何检测纳米位移台是否存在滞后误差?

检测纳米位移台是否存在滞后误差,主要是为了判断平台在“往返运动”中是否存在位置响应的不一致。这种误差在压电驱动系统中较为常见,特别是在开环控制状态下。以下是常用的几种检测方法:
1. 正向与反向扫描对比法
这是常用的检测方式:
设置平台在一个轴向上以相同速度正向扫描,再反向返回;
记录对应的位移数据或传感器反馈值;
将两条运动轨迹绘图叠加对比;
如果存在滞后,正向与反向曲线不重合,会形成“滞后回线”(hysteresis loop)。
说明:如果回程曲线滞后于正程,则说明系统存在明显的滞后效应。
2. 三角波驱动测试
对位移台施加一个对称的三角波电压,观察其响应位移;
用外部位移传感器(如电容传感器、干涉仪等)实时采集位置;
绘制“输入电压 vs 实际位移”曲线;
如果曲线呈闭合环形而非单值响应,就说明存在滞后现象。
3. 重复定位精度测试
将位移台反复移动到某一固定位置点;
记录每次到达目标点后的实际位置(传感器值或成像确认);
如果每次停留点不完全一致,可能是滞后误差在影响;
可配合标准重复性指标判断。
4. 响应曲线拟合残差法
给平台施加一个已知曲线(如正弦、斜坡);
实际运动结果与理论模型对比,分析残差;
滞后误差表现为路径方向依赖型的残差波动;
若使用开环系统,滞后更明显;闭环系统中残差应较小。
5. 图像法(结合扫描成像)
适用于带成像功能的平台(如扫描探针显微镜、SEM 多图叠加):
分别进行正向和反向扫描采图;
比较两幅图像是否边缘、位置存在偏移或形变;
滞后会导致正反扫描图像出现几何畸变或重复误差。
补充说明
滞后误差的特点包括:
具有路径依赖性(即响应不仅与当前输入有关,还与过去路径有关);
与压电驱动特性、负载、扫描速度、驱动频率等有关;
开环系统滞后较大,闭环控制可大幅减小;
滞后不可通过简单重复校准消除,只能靠补偿算法或闭环控制。
如何减少或补偿滞后误差:
使用闭环控制系统(带位置反馈);
在控制器中引入滞后补偿模型,如 Preisach 模型、PI 控制器+前馈补偿;
采用慢速扫描、减小加载频率;
使用滞后低的压电材料或驱动机构;
先进行滞后建模后再反向补偿(需要实验拟合支持)。