微纳技术应用中的快速频率响应测量方法-厦门大学学术典藏库.PDF

第27卷第4 常熟理工学院学报（自然科学） Vol.27No.4 2013年7月 JournalofChangshuInstituteTechnology（NaturalSciences） Jul.,2013 微纳技术应用中的快速频率响应测量方法 Tomi Roinila ，刘凯 ，席文明 ，雷李辉 ，俞 骁 ，张惠国 ，MattiVilkko1 2 2 2 3 4 1 （1. 坦佩雷理工大学 自动化科学技术系，芬兰 坦佩雷 33101； 2. 厦门大学 机电系，福建 厦门 361005； 3. 中国科学院 上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室，上海 200050； 4. 常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500） 摘 要：频率响应测试技术作为一种有效的系统辨识技术，可用于开发新型全自动系统，如微 注射等. 由于缺乏快速、高效的测量方法，频率响应测试技术仍未得到广泛应用. 典型的频率响应 测试是采用传统的正弦扫描法，一次测量往往需要几分钟. 本文提出一种快速测量方法，以最大长 度的伪随机二进制序列作为激励信号，利用互相关技术处理输出信号，得到系统的特征频率响应. 采用这种方法只需几秒钟就能获得频率响应的测试结果. 对三种不同系统的实际测试结果证实了 该方法的有效性. 关键词：微纳米技术；频率响应；激励信号设计；快速分析 中图分类号：TN06 文献标识码：B 文章编号：1008-2794（2013）04-0039-07 1 引言 [1] [2] 纳米相关技术的快速发展，推动了其他领域如物理 和化学 中纳米技术的广泛应用. 这些应用中，由于 微纳器件非常脆弱且容易损坏以及相应的反馈信号强度小，其自动测控水平还很低. 为了更好地了解测试 对象系统的特性，完成更高自动化水平的测控，需要先建立一个合适的数学模型. 可用的数学模型有两种形 式：参数化模型和非参数化模型. 参数化模型下反馈的是诸如系统差分方程组系数等系统参数，而非参数化 模型下反馈的是脉冲响应或频率响应等信号. 参数化模型需要事先对系统建立较为完整的几何模型甚至有 限元模型，而非参数模型只需要选择合适的输入激励，而不要求对系统的总体参数进行估计或任何限定性 假设. 非参数模型比参数化模型直观，非参数模型中辨识对象也比在参数化模型中的更简单，可迅速完成计 [3] 算取得结果，因而往往具有高的测量效率. 这两种方法既可以用于时域分析，也可以用于频域分析 . 采用阶跃响应信号的时域分析方法简单直接，能够为系统的动态特性提供充分的信息，但由于抗干扰 能力较差，具有一定局限性. 实际测试中，通常增大阶跃步长来提高测试性能，但因此可能使系统变得更加 非线性. 此外，这种测试仅能在极其有限的频带宽度内得到信号，得到的数据信息对于复杂和高干扰性的系 统精度低. 相对传统的时域分析，另一种选择是在频域中分析系统过程. 目前许多领域中的应用都表明了 [3] 它可以提供最有效的系统动态信息，相比时域中的分析，频域中的分析具有许多优势 . 收稿日期：2013-03-24 基金项目：江苏省自然科学基金资助项目“高灰阶低干扰LED显示驱动芯片关键技术研究”（BK2011366） 通讯联系人：TomiRoinila（芬兰），博士后，研究方向：系统建模、仿真及分析，E-mail：roinit@. 4040 常熟理工学院学报（自然科学） 2013年 测量频率响应的简单方法是直接利用对单频正弦输入信号的响应来辨识系