pyafm/auxiliary.tex: Bring in some text and figures from my oral
authorW. Trevor King <wking@tremily.us>
Fri, 14 Jun 2013 11:14:10 +0000 (07:14 -0400)
committerW. Trevor King <wking@tremily.us>
Fri, 14 Jun 2013 11:14:10 +0000 (07:14 -0400)
Back in 2007-07-01 ;).

src/pyafm/auxiliary.tex

index 22825273ef1f3dac2543ad6925585574c5400b93..80a409f65125289b5cf382b21d5e41e76550ebf0 100644 (file)
@@ -83,6 +83,16 @@ phase).
 \subsection{stepper}
 \label{sec:pyafm:stepper}
 
+Because of thermal drift and mechanical instability, the distance
+between the tip and the surface changes significantly over time.  When
+the distance change exceeds the range of the piezo scanner, the
+stepper motor must be engaged to reposition the AFM tip relative to
+the sample.  The earlier LabVIEW software (\cref{sec:labview}) lacked
+the ability to control the motor on its own, so it would pause roughly
+every half hour and prompt the operator to make the necessary manual
+adjustments.  Automatic motor control allows the system to run longer
+without interrupts, facilitating the collection of large data sets.
+
 The \stepper\ package provides Python control of stepper
 motors\cite{jones95}.  The package is mostly concerned with the
 maintenance of internal motor state:
@@ -101,7 +111,61 @@ maintenance of internal motor state:
 Actualizing the motor control signal is left up to the caller, in this
 case \pyafm.
 
-TODO: backlash and step-size graphics.
+We verified the stability and reproducibility of the microscopic
+movement of the motor by making several approach-retreat cycles from
+the surface of $\sim$70 steps which resulted in the data displayed in
+\cref{fig.stepper:backlash}.  We also measured the distance the
+surface moved with every step by determining the change in deflection
+voltage as a function of peizo position as we stepped the AFM tip
+closer the the surface.  Our stepsize data is displayed in
+\cref{fig:stepper:step-size}.
+
+The motor is very consistent when approaching the surface, which
+indicates that our control software is operating correctly.  However,
+the motor exhibits some hysteretic behavior on a scale of $\sim$46
+steps, which is almost certainly due to \emph{backlash}, or slack in
+the motor--surface coupling machinery.  The first 46 steps in a new
+direction take the slack out of the coupling, and further steps move
+the tip relative to the surface.  The problem can be avoided entirely
+by simply replacing ``backwards motion by one step'' with ``backwards
+motion by 60 steps and forward motion by 59 steps''.
+
+One issue raised by backlash is that it might be the source of some of
+our surface drift, as the drive-chain relaxes towards some central
+value and pulls the surface with it.  By oscillating into our eventual
+position, we could perhaps settle the system at the beginning,
+reducing the need for adjustments later on.  While this is not a
+problem for the current unfolding experiments, it could be an issue
+for longer unfolding-refolding experiments.
+
+\begin{figure}
+  \begin{center}
+    \subfloat[][]{\label{fig:stepper:backlash}
+      \asyinclude{figures/stepper/backlash}}
+    \hspace{\stretch{1}}
+    \subfloat[][]{\label{fig:stepper:step-size}
+      \asyinclude{figures/stepper/step-size}}
+    \caption{\protect\subref{fig:stepper:backlash} Stepper motor
+      reproducibility, stability, and backlash.  The data are from a
+      single continuous counterclockwise trace of 14 approach-retreat
+      cycles.  The jump from about $(18, -6)$ to $(17, -0.4)$ is the
+      snap-off effect, where short-range attractive interactions
+      between the tip and the sample---due to surface wetting in
+      air---require the tip to be actively pulled off surface.  Signal
+      noise is comparable to that expected by drift.
+      \protect\subref{fig:stepper:step-size} Motor step size
+      calibration.  The stepper gradually stepped closer to the
+      surface, feeling forward with the piezo after each step.
+      Successive motor positions yield traces $a$, $b$, $c$, $d$, and
+      $e$.  As the motor moves the sample closer, less piezo movement
+      is required to approach to same deflection level.  The average
+      spacing between the traces is roughly $170\U{nm}$.  Traces $c$
+      and $d$ have regions of negative deflection because the tip no
+      longer retracts far enough from the surface to break free of the
+      snap-off effect.  There is no backlash because the data were
+      taken during a single approach.\label{fig:stepper}}
+  \end{center}
+\end{figure}
 
 \subsection{pypid}
 \label{sec:pyafm:pypid}