采用多模态模糊控制算法的扫描隧道显微镜反馈控制装置 技术领域
本发明涉及一种扫描隧道显微镜，特别是一种采用多模态模糊控制算法的扫描隧道显微镜反馈控制装置
背景技术
扫描隧道显微镜根据检测方式的不同，可以分为恒高法检测和恒流法检测。恒高法是保持针尖在样品上方一个恒定高度的水平面上做扫描运动，检测隧道电流的变化，检测数据集代表了样品表面的形貌和电特性。用这个数据集可以做出样品表面的形貌图像。恒高法因为不必移动针尖的高度，因此，测试速度较快；但它仅适用于相对平滑的样品表面。恒流法是用反馈的方法调整针尖的高度，保持恒定的隧道电流，针尖高度的运动轨迹反映了样品表面形貌的变化。恒流法可以高精度地测量不规则的表面；但是由于需要不停地移动针尖的高度，因此测试速度较慢。由于样品表面形貌未知，因此恒流法是目前该类仪器中使用的主要方法。
由于施加在压电陶瓷上的电压与压电陶瓷的电位移之间为非线性关系，因此不能给出电压与位移之间地确定的对应关系，只能采用反馈控制的办法实现位移的控制，而采用何种控制算法，就成为直接影响控制性能的关键因素。目前STM采用的控制算法为PID(或PI)算法，由于压电陶瓷电压——电位移曲线具有严重的非线性，造成PID参数的整定很困难。特别是环境、条件、时间等因素的变化，使初始整定的参数不再合适，调节特性变差，调节精度降低，调节速度变慢。
目前扫描隧道显微镜生产厂家有Digital Instruments Co.(USA)、Park InstrumentsCo.(USA)，我国生产的性能较弱，市场基本上被上述两家占领。DI公司为保证X，Y，Z三个方向位移的准确性，在三个方向分别加入电容位移传感器，压电陶瓷的位移值由电容传感器测得。缺点是电容传感器需要进行标定，否则数据失真。
Park公司为提高测量速度，在原系统两种扫描速度(2Hz，10Hz)的基础上，加入了样品形貌的预判别功能。在相对平坦的样品表面，用较快的扫描速度(10Hz)，在相对不平坦的样品表面，用较慢的扫描速度(2Hz)，使扫描速度得以提高。缺点是还是没有脱开基于时间的扫描方法，同样会产生数据失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可克服上述不足，保证扫描的速度及准确性，数据不会失真的采用多模态模糊控制算法的扫描隧道显微镜反馈控制装置。
本发明的目的是这样实现的：采用多模态模糊控制算法的扫描隧道显微镜反馈控制装置，包括有传感器、控制计算机、X、Y、Z扫描驱动电路、X轴、Y轴、Z轴扫描器，其特征在于还设有扫描控制电路，传感器收到隧道电流信号，将其放大，传至扫描控制电路，扫描控制电路接收控制计算机来的参考电压REF-H和REF-L，同时输出放大后的隧道电流信号Im和控制信号Ready，控制信号Ready在隧道电流信号Im小于REF-H且大于REF-L时为高电位，否则为低电位，控制计算机接收扫描控制电路输出的控制信号Ready，当控制信号Ready为高电位时，计算机输出X、Y方向的扫描驱动信号，并分别通过X、Y扫描驱动电路控制X轴和Y轴扫描器分别作X、Y方向的扫描运动；当控制信号Ready为低电压时，计算机仅输出Z方向的扫描驱动信号，并通过Z扫描驱动电路控制Z轴扫描器作Z方向的扫描运动。
本发明由于采用上述电路结构和相应计算机程序，从而具有扫描准确、精度高，扫描速度快、没有失真的特点。
附图说明
图1是本发明的电结构框图
图2是扫描控制电路原理图
图3是模糊控制算法流程图
具体实施方式
如图1所示，采用多模态模糊控制算法的扫描隧道显微镜反馈控制装置，包括有传感器、扫描控制电路，控制计算机、X、Y、Z扫描驱动电路、X轴、Y轴、Z轴扫描器，传感器收到隧道电流信号，将其放大，传至扫描控制电路，扫描控制电路接收控制计算机来的参考电压REF-H和REF-L，同时输出放大后的隧道电流信号Im和控制信号Ready，控制信号Ready在隧道电流信号Im小于REF-H且大于REF-L时为高电位，否则为低电位，控制计算机接收扫描控制电路输出的控制信号Ready，当控制信号Ready为高电位时，计算机输出X、Y方向的扫描驱动信号，并分别通过X、Y扫描驱动电路控制X轴和Y轴扫描器分别作X、Y方向的扫描运动；当控制信号Ready为低电压时，计算机仅输出Z方向的扫描驱动信号，并通过Z扫描驱动电路控制Z轴扫描器作Z方向的扫描运动。
如图2所示，扫描控制电路是由两级放大器F1、F2、比较器B1、B2、异或门E、电阻R1-R8、可调电阻P1、P2、电容C1-C6共同构成，传感器Sensor的负信号经电阻R1连接第一级放大器F1的脚3，传感器Sensor的正信号经电阻R2连接第一级放大器F1的脚2，F1的脚2还通过电容C4接地、通过电阻R4接脚6，脚6通过电容C2与脚5相连，脚5通过电容C1和脚4一起接-15V电源，F1的脚3还通过电阻R3与电容C3的并联接地，脚8通过可调电阻P1与脚1相连，可调电阻P1的可调端和脚7一起接+15V电源，F1的脚6还通过电容C5接地，脚6还连接电阻R5，电阻R5的另一端分别通过电容C6接地、通过电阻R6接到第二级放大器F2的脚2；第二级放大器F2的脚2通过电阻R7、可调电阻P2与脚6相连，脚3通过电阻R8接地，脚4接-15V电源，脚7接+15V电源，脚6还分别连接比较器B1、B2的脚3；比较器B1的脚2连接控制计算机的输出参考电压REF-H，B2的脚2连接控制计算机的输出参考电压REF-L，比较器B1的输出端脚7连接异或门E的输入端1，B2的输出端脚7连接异或门E的输入端2，异或门的输出端3输出至计算机，即Ready控制信号，放大器F2的脚6还输出一个信号连接至控制计算机的电流输入端Im。此电路中放大器F1的型号是：μA725，F2的型号是：μA741；比较器B1、B2的型号为LM393；异或门的型号是7486。
控制电路的输出信号进入计算机后，计算机按照模糊控制程序进行运算，其程序的具体流程如图3所示：
程序从100开始，将程序从硬盘调入内存，CPU开始运行程序；101执行系统初始化，CPU接收操作员通过键盘键入的隧道电流设定值；移动探针，使其接近样品，并进入隧道状态。
102从A/D转换器读取隧道电流检测值；103用隧道电流设定值减隧道电流检测值，其差值为偏差，偏差赋给偏差寄存器e；程序转入104。
104判断偏差寄存器e是否为零，结果如果为True，则转入105；如果为False，则转入108。
108执行计算偏差变化率的操作，偏差变化率Δe由下式决定：Δe=eΔt;]]>109对e和Δe执行模糊化操作，程序转入110。
110根据模糊化的结果，调用模糊控制规则子程序；111调用模糊推理规则子程序；112根据计算结果进行模糊判决操作，得出输出变量。
113根据输出变量产生输出控制增量；程序转入114。
114将增量进行存储，并进行D/A转换，输出一个0～5V的电压。
115将该电压送入高压发生器，产生相对应的0～300V(有些压电陶瓷器件用0～150V)的电压；116将该电压加到压电陶瓷上，使探针产生相应的位移；然后程序转回102，继续反复执行。
105判断是否已扫过预定区域的每一个点，如果为True，程序转入106；如果为False，程序转入114，继续执行。
106对所存储的数据进行处理，并将数据送入图像缓冲存储器，为在显示器上显示图象作好准备。107反馈控制程序结束。