Патент на изобретение №2334204

(54) ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ/МАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к высокочувствительным способу и устройству измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты. Устройство включает в себя механический вибратор, регулятор фазы, схему преобразования в двоичную форму для детектирования фазы колебательного сигнала колебательного контура. Гетеродин, характеризующийся низким уровнем фазового шума и высокой чистотой. Фазовый компаратор для сравнения фазы колебательного сигнала механического вибратора с фазой колебательного сигнала гетеродина и фильтр в цепи обратной связи, соединенный с фазовым компаратором. Способ заключается в том, что в фазовом компараторе сравниваются фаза колебательного сигнала механического вибратора с фазой сигнала гетеродина. Далее выходной сигнал фазового компаратора подается по цепи обратной связи в регулятор фазы через фильтр. В зависимости от характеристики фильтра в цепи обратной связи фазовый шум механического вибратора можно ослабить до уровня фазового шума гетеродина за счет изменения фазы в регуляторе фазы. Технический результат заключается в ослаблении фазового шума вибратора, регулировке предела и разрешающей способности измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высокочувствительным способу и устройству для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты, которые можно применить в датчике силы, устройстве для измерения вибрации, датчике материала, датчике массы и т.п.

Уровень техники

Известные технологии датчика силы или датчика массы можно ориентировочно разделить на три типа.

(1) Механический вибратор принудительно возбуждают на внешней фиксированной частоте и взаимодействие между силой и массой определяют по изменению амплитуды или изменению фазы вибрационного сигнала. В общем, данную технологию именуют дискриминированием.

Известные исследования в данной области описаны в нижеприведенных непатентных документах 1 и 2.

(2) Чтобы регулировать эффективный коэффициент добротности механического вибратора для регулирования детектирующей характеристики, внешний принудительно возбуждаемый сигнал регулируют подачей по цепи обратной связи сигнала, соответствующего сигналу скорости механического вибратора, и возбуждают сигнал. В общем, данную технологию именуют регулированием коэффициента добротности.

Известные исследования в данной области описаны в нижеприведенных непатентных документах 3, 4 и 5.

(3) Вибрационный сигнал механического вибратора подают по цепи обратной связи в возбудитель через подстроечный фазовращатель, приводят в действие автоколебания и измеряют резонансную частоту, которая изменяется в зависимости от взаимодействия действующей силы или массы в данный момент, с использованием внешней схемы частотного детектирования. В общем, данную технологию именуют детектированием частотно-модулированных сигналов.

Известные исследования в данной области описаны в нижеприведенных непатентных документах 6, 7, 8 и 9.

Кроме того, существует способ применения системы фазовой автоподстройки частоты. В соответствии с данным способом RC-генератор, LC-генератор, кварцевый генератор или сходный с ними генератор поддерживают в режиме с синхронизацией колебаний по фазе, данный способ применяли несколько десятилетий. Известное исследование в данной области описано в нижеприведенном непатентном документе 10.

Непатентный документ 1: Atomic force microscope-force mapping and profiling on sub 100-Å scale, Y.Martin, C.C.Williams and H.K.Wickramasinghe: J. Appl. Phys. 61 (1987) 4723.

Непатентный документ 2: Contact electrification using force microscopy, B.D.Terris, J.E.Stern, D.Rugar and H.J.Mamin: Phys. Rev. Lett. 63 (1989) 2669.

Непатентный документ 3: Regulation of a microcantilever response by force feed back, J.Mertz, O.Marti and J.Mlynek: Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 2344.

Непатентный документ 4: High-speed tapping mode imaging with active Q control for atomic force microscopy, T.Sulchek, R.Hsieh, J.D.Adams, G.G.Yaralioglu, S.C.Minne, C.F.Quate, J.P.Cleveland, A.Atalar and D.M.Adderton: Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 1473.

Непатентный документ 5: High-Q dynamic force microscopy in liquid and its application to living cells, J.Tamayo, A.D.L.Humphris, R.J.Owen and M.J.Miles: Biophys. J. 81 (2001) 526.

Непатентный документ 6: Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity, T.R.Albrecht, P.Grütter, D.Horne and D.Rugar: J. Appl. Phys. 69 (1991) 668.

Непатентный документ 7: Dynamic force microscopy by means of the phase-controlled oscillator method, U.Dürig, H.R.Steinauer and N.Blanc: J. Appl. Phys. 82 (1997) 3641.

Непатентный документ 8: Fast digital electronics for application in dynamic force microscopy using high-Q cantilevers, Ch.Loppacher, M.Bammerlin, F.Battiston, M.Guggisberg, D.Müller, H.R.Hidber, R.Lüthi, E.Meyer and H.J.Güntherodt: Appl. Phys. A66 (1998) S215.

Непатентный документ 9: Analog frequency modulation detector for dynamic force microscopy, K.Kobayashi, H.Yamada, H.Itoh, T.Horiuchi, K.Matsushige: Rev. Sci. Instrum. 72 (2001) 4383.

Непатентный документ 10: Phaselock technique, 2nd edition, F.M.Gardner: (Wiley, New York, 1979). Disclosure of Invention.

Известные датчики силы/массы (сенсоры силы/массы) применялись в разных средах, например в вакууме, воздухе и жидкостях. Существующие способы измерения ориентировочно делят на три вышеописанные группы. Из данных способов вышеупомянутое детектирование частотно-модулированных сигналов (3) является способом, который может обеспечить наибольшую чувствительность измерения.

Фазовый шум во время автоколебаний при данном способе выражается формулой N/C=NFk_BT/8CQ²×(f₀/f_m)², где Q означает механический коэффициент добротности, C означает энергию колебаний, NF означает коэффициент шума колебательного контура, k_B означает постоянную Больцмана, T означает абсолютную температуру, f₀ означает резонансную частоту и f_m означает частоту смещения. Определение смещения механического вибратора обычно привносит много шумовых составляющих и потому NF сократить невозможно. Кроме того, коэффициент добротности является, особенно в жидкостях, приблизительно однозначным, а это является значительной проблемой.

Соответственно, механический вибратор, который функционирует как датчик, характеризуется более высоким фазовым шумом по сравнению с обычным кварцевым или подобным генератором. Фазовый шум является фоном сдвига частоты из-за воздействия извне такого объекта измерения, как сила или масса, и данный шум является помехой высокочувствительному измерению.

То есть при существующем способе возбуждения механическим вибратором невозможно регулировать фазовый шум самих колебаний.

Ввиду вышеописанных недостатков задачей настоящего изобретения является создание высокочувствительных способа и устройства для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты, в которых фазовый шум механического элемента можно ослабить применением системы фазовой автоподстройки частоты за счет синхронизации вибрационного сигнала механического элемента с колебательным сигналом гетеродина, который характеризуется низким уровнем фазового шума и высокой чистотой.

Для решения вышеприведенной задачи настоящее изобретение обладает следующими признаками:

[1] В высокочувствительном способе измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты фазовый шум механического элемента ослабляют с использованием системы фазовой автоподстройки частоты за счет синхронизации вибрационного сигнала механического элемента, в котором частота колебаний меняется при регулировании фазы регулятором фазы в колебательном контуре механического элемента, с колебательным сигналом гетеродина, который характеризуется низким уровнем фазового шума и высокой чистотой.

[2] В высокочувствительном способе измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по предшествующему пункту [1] механический элемент является механическим вибратором.

[3] В высокочувствительном способе измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по предшествующему пункту [1] или [2] в качестве гетеродина используют кварцевый генератор.

[4] В высокочувствительном способе измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по предшествующему пункту [1] или [2] в качестве гетеродина используют атомный осциллятор на атомах таких элементов, как рубидий или цезий.

[5] В высокочувствительном способе измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по пункту [1], [2], [3] или [4] система фазовой автоподстройки частоты содержит фильтр в цепи обратной связи.

[6] В высокочувствительном способе измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по пункту [5], в котором в соответствии с характеристикой фильтра в цепи обратной связи регулируют фазовый шум механического элемента.

[7] Высокочувствительное устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты содержит колебательный контур механического элемента, содержащий регулятор фазы, схему преобразования в двоичную форму для детектирования фазы колебательного сигнала колебательного контура, гетеродин, характеризующийся низким уровнем фазового шума и высокой чистотой, фазовый компаратор для сравнения фазы колебательного сигнала механического элемента с фазой колебательного сигнала гетеродина и фильтр в цепи обратной связи, соединенный с фазовым компаратором. В высокочувствительном устройстве для измерения силы/массы выходной сигнал фазового компаратора подается по цепи обратной связи в регулятор фазы через фильтр в цепи обратной связи для ослабления фазового шума механического элемента.

[8] В высокочувствительном устройстве для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по пункту [7] механический элемент является механическим вибратором.

[9] В высокочувствительном устройстве для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по пункту [7] гетеродин является кварцевым генератором.

[10] В высокочувствительном устройстве для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по пункту [7] гетеродин является атомным осциллятором на атомах таких элементов, как рубидий или цезий.

[11] В высокочувствительном устройстве для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по пункту [7] устройство дополнительно содержит средство регулирования фазового шума механического элемента в соответствии с характеристикой фильтра в цепи обратной связи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – блок-схема высокочувствительного устройства для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 – график, иллюстрирующий зависимость между фазами и частотами колебаний датчика силы/массы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 – график, иллюстрирующий зависимость между частотами и амплитудой датчика силы/массы в соответствии с настоящим изобретением.

Наилучший вариант осуществления настоящего изобретения

Предложен колебательный контур механического элемента, содержащий регулятор фазы, схему преобразования в двоичную форму для детектирования фазы колебательного сигнала колебательного контура, гетеродин, характеризующийся низким уровнем фазового шума и высокой чистотой, фазовый компаратор для сравнения фазы колебательного сигнала механического элемента с фазой колебательного сигнала гетеродина и фильтр в цепи обратной связи, соединенный с фазовым компаратором, выходной сигнал фазового компаратора подается по цепи обратной связи в регулятор фазы через фильтр в цепи обратной связи и имеет место ослабление фазового шума механического элемента.

При использовании датчика силы/массы в колебательном контуре с регулируемой частотой в системе фазовой автоподстройки частоты детектирующую характеристику датчика силы/массы регулируют синтезом с колебательным сигналом внешнего гетеродина.

В датчике силы/массы с помощью цепи обратной связи генерируются автоколебания и измерение силы/массы механическим элементом может выполняться с контрольным значением для синхронизации фазы механического элемента колебательным сигналом от внешнего гетеродина.

То есть схема фазовой подстройки в автоколебательной схеме подает по цепи обратной связи значение, детектируемое синхронно с сигналом внешнего гетеродина, и вследствие этого датчик силы/массы всегда возбуждается на частоте сигнала гетеродина или на частоте со значением частоты деления. Затем регулированием фазового шума автоколебательной схемы в соответствии с характеристикой фильтра в цепи обратной связи можно регулировать характеристику датчика силы/массы.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже приведено подробное описание вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 представлена блок-схема высокочувствительного устройства для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением.

На чертеже позиция 1 обозначает механический вибратор, позиция 2 обозначает возбудитель, который сообщает вибрацию механическому вибратору 1, позиция 3 обозначает узел оптического датчика механического вибратора 1, который подсвечивает механический вибратор 1 и принимает отраженный им свет, позиция 4 обозначает датчик перемещения, который определяет перемещение механического вибратора 1, позиция 5 обозначает схему преобразования в двоичную форму, содержащую цепь автоматической регулировки усиления, которая подсоединена к выходной стороне датчика 4 перемещения, позиция 6 обозначает фазовый компаратор, который подсоединен к выходной стороне схемы 5 преобразования в двоичную форму, позиция 7 обозначает гетеродин, который подсоединен к входной стороне фазового компаратора 6, позиция 8 обозначает фильтр в цепи обратной связи, который подсоединен к выходной стороне фазового компаратора 6, позиция 9 обозначает фильтр нижних частот, который подсоединен к выходной стороне фильтра 8 в цепи обратной связи, позиция 10 обозначает регулятор фазы, который подсоединен к фильтру 8 в цепи обратной связи и датчику 4 перемещения, и позиция 11 (которая может представлять собой схему регулировки амплитуды, состоящую из простой схемы преобразования в двоичную форму) обозначает усилитель, содержащий цепь автоматической регулировки усиления, которая подсоединена к выходной стороне регулятора 10 фазы, и выходной сигнал усилителя 11 подается в возбудитель 2 и осуществляется регулирование вибрации механического вибратора 1.

Частота колебаний механического вибратора 1 изменяется в соответствии с коэффициентом добротности механического вибратора 1 посредством регулятора 10 фазы или сходного устройства в колебательном контуре. В традиционных способах контрольное значение регулятора фазы является подстраиваемым.

В соответствии с высокочувствительным способом измерения силы/массы согласно настоящему изобретению для создания возможности быстрой реакции на внешний управляющий сигнал и динамической регулировки в состав колебательного контура включена система фазовой автоподстройки частоты (фазовращатель). Поэтому колебательный контур механического вибратора 1 может представлять собой генератор регулируемой частоты, в котором управляющий сигнал регулятора 10 фазы должен быть входным сигналом.

То есть фаза колебательного сигнала механического вибратора 1 сравнивается с фазой сигнала гетеродина (кварцевого генератора) 7, который характеризуется низким уровнем фазового шума и высокой чистотой, в фазовом компараторе 6. Выходной сигнал фазового компаратора 6 подается через фильтр 8 в цепи обратной связи по цепи обратной связи в регулятор 10 фазы в колебательном контуре механического вибратора 1. В зависимости от характеристики фильтра 8 в цепи обратной связи фазовый шум механического вибратора 1 можно ослабить, в известной мере, до уровня фазового шума гетеродина (кварцевого генератора) 7. Что касается гетеродина 7, то можно применить атомный осциллятор на атомах таких элементов, как рубидий или цезий.

На фиг.2 приведен график, иллюстрирующий зависимость между фазами и частотами колебаний датчика силы/массы в соответствии с настоящим изобретением, и на фиг.3 приведен график, иллюстрирующий зависимость между частотами и амплитудой датчика силы/массы в соответствии с настоящим изобретением.

Как очевидно из фиг.2, когда фаза (в градусах) находится в диапазоне от минус восьмидесяти градусов до плюс восьмидесяти градусов, частота колебаний может изменяться в зависимости от коэффициента добротности и резонансной частоты механического вибратора. То есть в данном случае при нуле градусов регулятора 10 фазы в центре и с использованием того, что частоту колебаний можно регулировать в зависимости от резонансной частоты и коэффициента добротности механического вибратора 1 (на фиг.2 от минус восьмидесяти градусов до плюс восьмидесяти градусов), построен механический вибратор с регулируемой частотой колебаний. Регулируемое значение частоты колебаний f дается выражением f=f₀/2Q×tg.

На фиг.3 самая внешняя линия указывает фазовые шумы механического вибратора в случае, в котором система фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением не применена, а самая внутренняя линия указывает фазовые шумы сигнала гетеродина, характеризующегося высокой чистотой. Жирная линия указывает фазовые шумы механического вибратора в случае, в котором применена система фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением, и заштрихованные части указывают фазовые шумы, которые можно подавить с использованием системы фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением.

Как очевидно из фиг.3, с использованием системы фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением подавляются фазовые шумы (смотри заштрихованные части a) и можно определять вибрации с резким максимумом и малой амплитудой в стороне от центральной частоты.

В настоящем изобретении благодаря использованию системы фазовой автоподстройки частоты ослабляется фазовый шум и регулируются предел и разрешающая способность измерения в прецизионном механическом элементе, обладающем относительно сильным фазовым шумом автоколебания, или в среде, в которой фазовый шум становится сильным.

Как описано выше, в полосе пропускания фильтра в цепи обратной связи можно ослабить фазовые шумы механического вибратора. Настройкой полосы пропускания фильтра 9 нижних частот, показанного на фиг.1, в известной мере около полосы пропускания фильтра 8 в цепи обратной связи можно установить, в основном, отношение сигнала к шуму. Соответственно, можно повысить детектирующую характеристику. Полосу пропускания фильтра 8 в цепи обратной связи целесообразно настраивать в известной мере на ширину полосы регулируемых частот колебаний (разную в каждом механическом вибраторе).

Обычно в таких средах, как жидкий раствор, сложно было задавать датчику режим автоколебаний модуляцией добротности. В соответствии с настоящим изобретением при включении автоколебательного контура в фазосинхронное детектирование проблема становится решаемой.

Кроме того,

(1) настоящее изобретение можно применить к измерению силы/массы с помощью сканирующей зондовой микроскопии с использованием прецизионного механического вибратора, изготовленного по технологии микромеханотроники или сходной технологии, или системы фазовой автоподстройки частоты других силоизмерительных устройств;

(2) при применении настоящего изобретения механический вибратор всегда входит в автоколебательный резонансный режим всегда на фиксированной частоте. Более того, фазовый шум при этом можно регулировать изменением характеристики обратной связи. Настоящее изобретение можно применить для измерения массы или определения материала и сканирующей зондовой микроскопии, когда взаимодействие между механическим вибратором и образцом или изменение массы, сцепленной с механическим вибратором, определяют по изменению коэффициента обратной связи из фазового компаратора.

Все измерительные системы можно ориентировочно подразделить на два типа, такие, как внешняя измерительная система, использующая свет или что-то подобное, и собственная измерительная система, в которую измерительная система заранее встроена в сам механический вибратор.

Что касается внешней измерительной системы, то существуют, например, измерительная система с использованием оптического гомодинного интерферометра, измерительная система с использованием оптического гетеродинного интерферометра, измерительная система с использованием оптического рычага и измерительная система с использованием призматической опоры.

Что касается собственной измерительной системы, то существуют, например, измерительная система, в которую встроен пьезоэлектрический резистивный элемент, измерительная система, в которую встроен пьезоэлектрический тонкопленочный элемент и измерительная система, в которую встроен емкостной датчик.

Все вышеописанные измерительные системы входят в область применения настоящего изобретения.

Настоящее изобретение не ограничено вышеописанным вариантом осуществления и допускает внесение разнообразных модификаций, не выходящих за рамки изобретения, и данные модификации нельзя исключать из рамок изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением можно получить следующие преимущества.

(1) Можно выполнять высокочувствительное измерение в датчике силы/массы и можно значительно улучшить характеристики устройства, которое использует механический элемент в качестве сенсора.

(2) В сравнении с существующими датчиками силы/массы, вне зависимости от свойств окружающей среды самих датчиков, можно получить произвольную детектирующую характеристику.

(3) Хотя существующие датчики обладают заданной детектирующей характеристикой в зависимости от фазового шума автоколебаний, фазовый шум произвольно регулируется посредством выполнения синхронного детектирования и можно регулировать детектирующую характеристику датчиков.

Промышленная применимость

Высокочувствительные способ и устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты в соответствии с настоящим изобретением можно применить в датчике силы, устройстве измерения вибраций, датчике материала или датчике массы.

Формула изобретения

1. Высокочувствительный способ измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты, в котором фазовый шум механического элемента ослабляют с использованием системы фазовой автоподстройки частоты за счет синхронизации вибрационного сигнала механического элемента, в котором частота колебаний меняется при изменении фазы регулятором фазы в колебательном контуре механического элемента, с колебательным сигналом гетеродина, который характеризуется низким уровнем фазового шума и высокой чистотой.

2. Высокочувствительный способ измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.1, в котором механический элемент является механическим вибратором.

3. Высокочувствительный способ измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.1 или 2, в котором кварцевый генератор используют в качестве гетеродина.

4. Высокочувствительный способ измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.1 или 2, в котором атомный осциллятор на атомах таких элементов, как рубидий или цезий, используют в качестве гетеродина.

5. Высокочувствительный способ измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.1 или 2, в котором система фазовой автоподстройки частоты содержит фильтр в цепи обратной связи.

6. Высокочувствительный способ измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.5, в котором, в соответствии с характеристикой фильтра в цепи обратной связи, регулируют фазовый шум механического элемента.

7. Высокочувствительное устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты, содержащее:

(a) колебательный контур механического элемента, содержащий регулятор фазы,

(b) схему преобразования в двоичную форму для детектирования фазы колебательного сигнала колебательного контура,

(c) гетеродин, характеризующийся низким уровнем фазового шума и высокой чистотой,

(d) фазовый компаратор для сравнения фазы колебательного сигнала механического элемента с фазой колебательного сигнала гетеродина и

(e) фильтр в цепи обратной связи, соединенный с фазовым компаратором, причем

(f) выходной сигнал фазового компаратора подается по цепи обратной связи в регулятор фазы через фильтр в цепи обратной связи для ослабления фазового шума механического элемента.

8. Высокочувствительное устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.7, в котором механический элемент является механическим вибратором.

9. Высокочувствительное устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.7, в котором гетеродин является кварцевым генератором.

10. Высокочувствительное устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.7, в котором гетеродин является атомным осциллятором на атомах таких элементов, как рубидий или цезий.

11. Высокочувствительное устройство для измерения силы/массы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты по п.7, дополнительно содержащее средство регулирования фазового шума механического элемента в соответствии с характеристикой фильтра в цепи обратной связи.

РИСУНКИ