calibcant/calibrate.py

   1 #!/usr/bin/python
   2 #
   3 # calibcant - tools for thermally calibrating AFM cantilevers
   4 #
   5 # Copyright (C) 2007,2008, William Trevor King
   6 #
   7 # This program is free software; you can redistribute it and/or
   8 # modify it under the terms of the GNU General Public License as
   9 # published by the Free Software Foundation; either version 3 of the
  10 # License, or (at your option) any later version.
  11 #
  12 # This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  13 # WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14 # MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
  15 # See the GNU General Public License for more details.
  16 #
  17 # You should have received a copy of the GNU General Public License
  18 # along with this program; if not, write to the Free Software
  19 # Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA
  20 # 02111-1307, USA.
  21 #
  22 # The author may be contacted at <wking@drexel.edu> on the Internet, or
  23 # write to Trevor King, Drexel University, Physics Dept., 3141 Chestnut St.,
  24 # Philadelphia PA 19104, USA.
  25
  26 """
  27 Aquire and analyze cantilever calibration data.
  28
  29 W. Trevor King Dec. 2007-Jan. 2008
  30
  31 GPL BOILERPLATE
  32
  33
  34 The relevent physical quantities are :
  35  Vzp_out  Output z-piezo voltage (what we generate)
  36  Vzp      Applied z-piezo voltage (after external ZPGAIN)
  37  Zp       The z-piezo position
  38  Zcant    The cantilever vertical deflection
  39  Vphoto   The photodiode vertical deflection voltage (what we measure)
  40  Fcant    The force on the cantilever
  41  T        The temperature of the cantilever and surrounding solution
  42           (another thing we measure or guess)
  43  k_b      Boltzmann's constant
  44
  45 Which are related by the parameters :
  46  zpGain           Vzp_out / Vzp
  47  zpSensitivity    Zp / Vzp
  48  photoSensitivity Vphoto / Zcant
  49  k_cant           Fcant / Zcant
  50
  51 Cantilever calibration assumes a pre-calibrated z-piezo
  52 (zpSensitivity) and a amplifier (zpGain).  In our lab, the z-piezo is
  53 calibrated by imaging a calibration sample, which has features with
  54 well defined sizes, and the gain is set with a knob on the Nanoscope.
  55
  56 photoSensitivity is measured by bumping the cantilever against the
  57 surface, where Zp = Zcant (see bump_aquire() and the bump_analyze
  58 submodule).
  59
  60 k_cant is measured by watching the cantilever vibrate in free solution
  61 (see the vib_aquire() and the vib_analyze submodule).  The average
  62 energy of the cantilever in the vertical direction is given by the
  63 equipartition theorem.
  64     1/2 k_b T   =   1/2 k_cant <Zcant**2>
  65  so     k_cant  = k_b T / Zcant**2
  66  but    Zcant   = Vphoto / photoSensitivity
  67  so     k_cant  = k_b T * photoSensitivty**2 / <Vphoto**2>
  68
  69 We measured photoSensitivity with the surface bumps.  We can either
  70 measure T using an external function (see temperature.py), or just
  71 estimate it (see T_aquire() and the T_analyze submodule).  Guessing
  72 room temp ~22 deg C is actually fairly reasonable.  Assuming the
  73 actual fluid temperature is within +/- 5 deg, the error in the spring
  74 constant k_cant is within 5/273.15 ~= 2%.  A time series of Vphoto
  75 while we're far from the surface and not changing Vzp_out will give us
  76 the average variance <Vphoto**2>.
  77
  78 We do all these measurements a few times to estimate statistical
  79 errors.
  80
  81 The functions are layed out in the families:
  82  bump_*(), vib_*(), T_*(), and calib_*()
  83 where calib_{save|load|analyze}() deal with derived data, not
  84 real-world data.
  85
  86 For each family, * can be any of :
  87  aquire       get real-world data
  88  save         store real-world data to disk
  89  load         get real-world data from disk
  90  analyze      interperate the real-world data.
  91  plot         show a nice graphic to convince people we're working :p
  92  load_analyze_tweaked
  93               read a file with a list of paths to previously saved
  94               real world data load each file using *_load(), analyze
  95               using *_analyze(), and optionally plot using *_plot().
  96               Intended for re-processing old data.
  97 A family name without any _* extension (e.g. bump()), runs *_aquire(),
  98  *_save(), *_analyze(), *_plot().
  99
 100 We also define the two positioning functions:
 101  move_just_onto_surface() and move_far_from_surface()
 102 which make automating the calibration procedure more straightforward.
 103 """
 104
 105 import numpy
 106 import time
 107 import z_piezo_utils
 108 from splittable_kwargs import splittableKwargsFunction, \
 109     make_splittable_kwargs_function
 110 import FFT_tools
 111
 112 import common
 113 import config
 114 import bump_analyze
 115 import T_analyze
 116 import vib_analyze
 117 import analyze
 118
 119 # bump family
 120
 121 @splittableKwargsFunction()
 122 def bump_aquire(zpiezo, push_depth=200, npoints=1024, push_speed=1000) :
 123     """
 124     Ramps closer push_depth and returns to the original position.
 125     Inputs:
 126      zpiezo     an opened zpiezo.zpiezo instance
 127      push_depth distance to approach, in nm
 128      npoints    number points during the approach and during the retreat
 129      push_speed piezo speed during approach and retreat, in nm/s
 130     Returns the aquired ramp data dictionary, with data in DAC/ADC bits.
 131     """
 132     # generate the bump output
 133     nm_per_step = float(push_depth) / npoints
 134     freq = push_speed / nm_per_step # freq is sample frequency in Hz
 135     start_pos = zpiezo.curPos()
 136     pos_dist = zpiezo.pos_nm2out(push_depth) - zpiezo.pos_nm2out(0)
 137     close_pos = start_pos + pos_dist
 138     appr = numpy.linspace(start_pos, close_pos, npoints)
 139     retr = numpy.linspace(close_pos, start_pos, npoints)
 140     out = numpy.concatenate((appr, retr))
 141     # run the bump, and measure deflection
 142     if config.TEXT_VERBOSE :
 143         print "Bump %g nm at %g nm/s" % (push_depth, push_speed)
 144     data = zpiezo.ramp(out, freq)
 145     return data
 146
 147 @splittableKwargsFunction(bump_aquire,
 148                           (bump_analyze.bump_save, 'data'),
 149                           (bump_analyze.bump_analyze, 'data'))
 150 def bump(**kwargs):
 151     """
 152     Wrapper around bump_aquire(), bump_save(), bump_analyze()
 153     """
 154     bump_aquire_kwargs,bump_save_kwargs,bump_analyze_kwargs = \
 155         bump._splitargs(bump, kwargs)
 156     data = bump_aquire(**bump_aquire_kwargs)
 157     bump_analyze.bump_save(data, **bump_save_kwargs)
 158     photoSensitivity = bump_analyze.bump_analyze(data, **bump_analyze_kwargs)
 159     return photoSensitivity
 160
 161 # T family.
 162 # Fairly stubby, since a one shot Temp measurement is a common thing.
 163 # We just wrap that to provide a consistent interface.
 164
 165 @splittableKwargsFunction()
 166 def T_aquire(get_T=None) :
 167     """
 168     Measure the current temperature of the sample,
 169     or, if get_T == None, fake it by returning config.DEFAULT_TEMP
 170     """
 171     if get_T == None :
 172         if config.TEXT_VERBOSE :
 173             print "Fake temperature %g" % config.DEFAULT_TEMP
 174         return config.DEFAULT_TEMP
 175     else :
 176         if config.TEXT_VERBOSE :
 177             print "Measure temperature"
 178         return get_T()
 179
 180 @splittableKwargsFunction(T_aquire,
 181                           (T_analyze.T_save, 'T'),
 182                           (T_analyze.T_analyze, 'T'))
 183 def T(**kwargs):
 184     """
 185     Wrapper around T_aquire(), T_save(), T_analyze(), T_plot()
 186     """
 187     T_aquire_kwargs,T_save_kwargs,T_analyze_kwargs = \
 188         T._splitargs(T, kwargs)
 189     T_raw = T_aquire(**T_aquire_kwargs)
 190     T_analyze.T_save(T_raw, **T_save_kwargs)
 191     T_ret = T_analyze.T_analyze(T_raw, **T_analyze_kwargs) # returns array
 192     return T_ret[0]
 193
 194 # vib family
 195
 196 @splittableKwargsFunction()
 197 def vib_aquire(zpiezo, time=1, freq=50e3) :
 198     """
 199     Record data for TIME seconds at FREQ Hz from ZPIEZO at it's current position.
 200     """
 201     # round up to the nearest power of two, for efficient FFT-ing
 202     nsamps = FFT_tools.ceil_pow_of_two(time*freq)
 203     time = nsamps / freq
 204     # take some data, keeping the position voltage at it's current value
 205     out = numpy.ones((nsamps,), dtype=numpy.uint16) * zpiezo.curPos()
 206     if config.TEXT_VERBOSE :
 207         print "get %g seconds of data" % time
 208     data = zpiezo.ramp(out, freq)
 209     data['sample frequency Hz'] = numpy.array([freq])
 210     return data
 211
 212 @splittableKwargsFunction(vib_aquire,
 213                           (vib_analyze.vib_save, 'data'),
 214                           (vib_analyze.vib_analyze, 'deflection_bits', 'freq'))
 215 def vib(**kwargs) :
 216     """
 217     Wrapper around vib_aquire(), vib_save(), vib_analyze()
 218     """
 219     vib_aquire_kwargs,vib_save_kwargs,vib_analyze_kwargs = \
 220         vib._splitargs(vib, kwargs)
 221     data = vib_aquire(**vib_aquire_kwargs)
 222     vib_analyze.vib_save(data, **vib_save_kwargs)
 223     freq = data['sample frequency Hz']
 224     deflection_bits = data['Deflection input']
 225     Vphoto_var = vib_analyze.vib_analyze(deflection_bits=deflection_bits,
 226                                          freq=freq, **vib_analyze_kwargs)
 227     return Vphoto_var
 228
 229 # A few positioning functions, so we can run bump_aquire() and vib_aquire()
 230 # with proper spacing relative to the surface.
 231
 232 @splittableKwargsFunction()
 233 def move_just_onto_surface(stepper, zpiezo, Depth_nm=100, setpoint=2) :
 234     """
 235     Uses z_piezo_utils.getSurfPos() to pinpoint the position of the surface.
 236     Adjusts the stepper position as required to get within stepper_tol nm
 237     of the surface.
 238     Then set Vzp to place the cantilever Depth_nm onto the surface.
 239
 240     If getSurfPos() fails to find the surface, backs off (for safety)
 241     and steps in (without moving the zpiezo) until Vphoto > setpoint.
 242     """
 243     stepper_tol = 250 # nm, generous estimate of the fullstep stepsize
 244
 245     if config.TEXT_VERBOSE :
 246         print "moving just onto surface"
 247     # Zero the piezo
 248     if config.TEXT_VERBOSE :
 249         print "zero the z piezo output"
 250     zpiezo.jumpToPos(zpiezo.pos_nm2out(0))
 251     # See if we're near the surface already
 252     if config.TEXT_VERBOSE :
 253         print "See if we're starting near the surface"
 254     try :
 255         dist = zpiezo.pos_out2nm( \
 256             z_piezo_utils.getSurfPos(zpiezo, zpiezo.def_V2in(setpoint))
 257                                 )
 258     except (z_piezo_utils.tooClose, z_piezo_utils.poorFit), string :
 259         if config.TEXT_VERBOSE :
 260             print "distance failed with: ", string
 261             print "Back off 200 half steps"
 262         # Back away 200 steps
 263         stepper.step_rel(-400)
 264         stepper.step_rel(200)
 265         sp = zpiezo.def_V2in(setpoint) # sp = setpoint in bits
 266         zpiezo.updateInputs()
 267         cd = zpiezo.curDef()           # cd = current deflection in bits
 268         if config.TEXT_VERBOSE :
 269             print "Single stepping approach"
 270         while cd < sp :
 271             if config.TEXT_VERBOSE :
 272                 print "deflection %g < setpoint %g.  step closer" % (cd, sp)
 273             stepper.step_rel(2) # Full step in
 274             zpiezo.updateInputs()
 275             cd = zpiezo.curDef()
 276         # Back off two steps (protecting against backlash)
 277         if config.TEXT_VERBOSE :
 278             print "Step back 4 half steps to get off the setpoint"
 279         stepper.step_rel(-200)
 280         stepper.step_rel(196)
 281         # get the distance to the surface
 282         zpiezo.updateInputs()
 283         if config.TEXT_VERBOSE :
 284             print "get surf pos, with setpoint %g (%d)" % (setpoint, zpiezo.def_V2in(setpoint))
 285         for i in range(20) : # HACK, keep stepping back until we get a distance
 286             try :
 287                 dist = zpiezo.pos_out2nm( \
 288                     z_piezo_utils.getSurfPos(zpiezo,zpiezo.def_V2in(setpoint)))
 289             except (z_piezo_utils.tooClose, z_piezo_utils.poorFit), string :
 290                 stepper.step_rel(-200)
 291                 stepper.step_rel(198)
 292                 continue
 293             break
 294         if i >= 19 :
 295             print "tried %d times, still too close! bailing" % i
 296             print "probably an invalid setpoint."
 297             raise Exception, "weirdness"
 298     if config.TEXT_VERBOSE :
 299         print 'distance to surface ', dist, ' nm'
 300     # fine tune the stepper position
 301     while dist < -stepper_tol : # step back if we need to
 302         stepper.step_rel(-200)
 303         stepper.step_rel(198)
 304         dist = zpiezo.pos_out2nm( \
 305             z_piezo_utils.getSurfPos(zpiezo, zpiezo.def_V2in(setpoint)))
 306         if config.TEXT_VERBOSE :
 307             print 'distance to surface ', dist, ' nm, step back'
 308     while dist > stepper_tol : # and step forward if we need to
 309         stepper.step_rel(2)
 310         dist = zpiezo.pos_out2nm( \
 311             z_piezo_utils.getSurfPos(zpiezo, zpiezo.def_V2in(setpoint)))
 312         if config.TEXT_VERBOSE :
 313             print 'distance to surface ', dist, ' nm, step closer'
 314     # now adjust the zpiezo to place us just onto the surface
 315     target = dist + Depth_nm
 316     zpiezo.jumpToPos(zpiezo.pos_nm2out(target))
 317     # and we're there :)
 318     if config.TEXT_VERBOSE :
 319         print "We're %g nm into the surface" % Depth_nm
 320
 321 @splittableKwargsFunction()
 322 def move_far_from_surface(stepper, um_back=50) :
 323     """
 324     Step back a specified number of microns.
 325     (uses very rough estimate of step distance at the moment)
 326     """
 327     step_nm = 100
 328     steps = int(um_back*1000/step_nm)
 329     print "step back %d steps" % steps
 330     stepper.step_rel(-steps)
 331
 332
 333 # and finally, the calib family
 334
 335 @splittableKwargsFunction((move_just_onto_surface, 'stepper', 'zpiezo'),
 336                           (bump, 'zpiezo', 'freq', 'log_dir', 'Vphoto_in2V'),
 337                           (move_far_from_surface, 'stepper'),
 338                           (T, 'log_dir'),
 339                           (vib, 'zpiezo', 'log_dir', 'Vphoto_in2V'),
 340                           (analyze.calib_save, 'bumps','Ts','vibs','log_dir'))
 341 def calib_aquire(stepper, zpiezo, num_bumps=10, num_Ts=10, num_vibs=20,
 342                  bump_freq=100e3,
 343                  log_dir=config.LOG_DIR, Vphoto_in2V=config.Vphoto_in2V,
 344                  **kwargs):
 345     """
 346     Aquire data for calibrating a cantilever in one function.
 347     return (bump, T, vib), each of which is an array.
 348     Inputs :
 349      stepper       a stepper.stepper_obj for coarse Z positioning
 350      zpiezo        a z_piezo.z_piezo for fine positioning and deflection readin
 351      setpoint      maximum allowed deflection (in Volts) during approaches
 352      num_bumps     number of 'a's (see Outputs)
 353      push_depth_nm depth of each push when generating a
 354      num_temps     number of 'T's (see Outputs)
 355      num_vibs      number of 'vib's (see Outputs)
 356      log_dir       directory to log data to.  Default 'None' disables logging.
 357     Outputs (all are arrays of recorded data) :
 358      bumps measured (V_photodiode / nm_tip) proportionality constant
 359      Ts    measured temperature (K)
 360      vibs  measured V_photodiode variance in free solution
 361     """
 362     move_just_onto_surface_kwargs,bump_kwargs,move_far_from_surface_kwargs, \
 363         T_kwargs,vib_kwargs,calib_save_kwargs = \
 364         calib_aquire._splitargs(calib_aquire, kwargs)
 365     # get bumps
 366     move_just_onto_surface(stepper, zpiezo, **move_just_onto_surface_kwargs)
 367     bumps = numpy.zeros((num_bumps,), dtype=numpy.float)
 368     for i in range(num_bumps) :
 369         bumps[i] = bump(zpiezo=zpiezo, freq=bump_freq, log_dir=log_dir,
 370                         Vphoto_in2V=Vphoto_in2V, **bump_kwargs)
 371     if config.TEXT_VERBOSE :
 372         print bumps
 373
 374     move_far_from_surface(stepper, **move_far_from_surface_kwargs)
 375
 376     # get Ts
 377     Ts = numpy.zeros((num_Ts,), dtype=numpy.float)
 378     for i in range(num_Ts) :
 379         Ts[i] = T(**T_kwargs)
 380         time.sleep(1) # wait a bit to get an independent temperature measure
 381     print Ts
 382
 383     # get vibs
 384     vibs = numpy.zeros((num_vibs,), dtype=numpy.float)
 385     for i in range(num_vibs) :
 386         vibs[i] = vib(zpiezo=zpiezo, log_dir=log_dir, Vphoto_in2V=Vphoto_in2V,
 387                       **vib_kwargs)
 388     print vibs
 389
 390     analyze.calib_save(bumps, Ts, vibs, log_dir, **calib_save_kwargs)
 391
 392     return (bumps, Ts, vibs)
 393
 394
 395 @splittableKwargsFunction( \
 396     (calib_aquire, 'log_dir'),
 397     (analyze.calib_analyze, 'bumps','Ts','vibs'))
 398 def calib(log_dir=config.LOG_DIR, **kwargs) :
 399     """
 400     Calibrate a cantilever in one function.
 401     The I-don't-care-about-the-details black box version :p.
 402     return (k, k_s)
 403     Inputs:
 404      (see calib_aquire())
 405     Outputs :
 406      k    cantilever spring constant (in N/m, or equivalently nN/nm)
 407      k_s  standard deviation in our estimate of k
 408     Notes :
 409      See get_calibration_data() for the data aquisition code
 410      See analyze_calibration_data() for the analysis code
 411     """
 412     calib_aquire_kwargs,calib_analyze_kwargs = \
 413         calib._splitargs(calib, kwargs)
 414     a, T, vib = calib_aquire(**calib_aquire_kwargs)
 415     k,k_s,ps2_m, ps2_s,T_m,T_s,one_o_Vp2_m,one_o_Vp2_s = \
 416         analyze.calib_analyze(a, T, vib, **calib_analyze_kwargs)
 417     analyze.calib_save_analysis(k, k_s, ps2_m, ps2_s, T_m, T_s,
 418                                 one_o_Vp2_m, one_o_Vp2_s, log_dir)
 419     return (k, k_s)
 420
 421
 422