激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究

摘要

直线度是表征各类高端装备中精密导轨或运动平台性能的重要几何参数，直线度的高精度测量是保证高端装备整体性能的先决条件。直线度测量技术属测试计量技术领域重要研究课题，可以用于超精密加工、微电子制造、微机电系统(MEMS)等领域的直线度误差检测与校准。随着中国供给侧结构性改革的不断深化，“加快发展先进制造业，加快建设制造业强国”制造业发展战略路线的不断推进，愈加突显测量仪器的作用与地位。然而，中国在新型精密测量技术及仪器领域与欧美日等工业发达国家之间存在差距。
　　本论文从国家对高端装备制造业需求出发，开展新型直线度与位移同时测量技术研究，提出了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量方法，利用非线性更具优势的激光单频干涉技术实现了高精度测量，建立直线度、位移以及转动误差六自由度参数同时测量数学模型，充分利用激光单频干涉技术高精度测量优点实现了4个自由度参数测量，依据直线度、位移以及转动误差耦合关系，实现了直线度及位移测量结果的补偿。论文详细研究了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量的方法及测量系统研制的相关技术。论文主要的研究工作和创新点如下:
　　1、从直线度及位移测量的实际实现方法出发，深入分析直线度及位移测量模型，从“共光路”结构与空气折射率影响方面进行光路分析与优化，提出了一种激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量方法，通过激光单频偏振干涉技术解调两测量光束的位移信息，解决了直线度误差及其位置信息同时获取的技术问题，并利用其非线性优势实现了高精度测量。
　　2、在激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量光路的基础上，提出了一种直线度、位移以及转动误差六自由度参数同时测量方法，采用基于单频干涉条纹图分析的二维小角度测量方法检测俯仰角与偏摆角误差，结合准直测量方法检测滚转角与水平直线度误差，实现了六自由度参数同时测量;建立了直线度、位移及转动误差的六自由度参数同时测量数学模型，结合测量光束渥拉斯顿棱镜内部光程分析，实现了对直线度及位移测量结果的准确补偿。
　　3、提出了一种基于信号修正的激光单频偏振干涉信号处理方法，设计预处理、前置处理和相位延迟修正用于干涉信号修正，消除了直流偏置、振幅不一致以及相位非正交产生的相位测量影响，设计CORDIC小数计数方法，结合双路信号整数计数方法，实现了高精度的相位检测;提出了以中值滤波器、二值化、分离条纹、条纹直线拟合以及直线间距计算算法为核心的干涉条纹图像处理方法，实现了基于LabVIEW的干涉条纹图像处理程序;分析了四象限探测器差分电流信号与光斑位置坐标关系，对用于归一化坐标与实际坐标之间转换参数κ进行推导与仿真分析;最后给出了信号处理系统配套设计的软件系统，并对各个功能模块进行了说明。
　　4、建立了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量非线性误差分析模型，理论研究和仿真分析了激光偏振态椭偏化、渥拉斯顿棱镜安装误差、直角反射棱镜偏摆角误差、四分之一波片安装误差以及偏振分光棱镜安装误差对直线度及位移测量影响;利用空气折射率间接测量方法(PTF法)实现了激光波长的修正，设计了测量装置环境扰动抑制方案，降低了外界环境干扰对实验测量的影响;结合最小二乘法与满足最小包容区域法的优点，提出了基于最小二乘法与二分搜索法的直线度误差评定方法。
　　5、构建了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量与运动误差检测系统，分别进行可行性验证实验、综合性能验证实验与应用性验证实验。可行性验证实验结果表明研制的测量系统三次重复性六自由度参数同时测量结果趋势一致，且均符合被测导轨自身的规格参数;综合性能验证实验中俯仰角、偏摆角、水平直线度、垂直直线度误差以及位移测量数据与英国Renishaw公司XL80干涉仪测量数据比对，标准偏差分别为0.353arcsec、0.414arcsec、0.882μm、0.398μm和0.320μm，滚转角误差测量与青岛前哨精密仪器有限公司的WLll型数字水平仪测量数据比对，标准差为0.839arcsec，实验结果显示研制的测量系统测量数据与比对测量数据具有较好的一致性;应用性验证实验进行了VM1000型数控机床Y轴导轨直线度校准检测实验，检测结果表明研制的测量系统可应用于实地数控机床直线度校准检测。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外直线度测量技术研究进展及现状

1．2．1 激光准直测量法

1．2．2 激光光栅测量法

1．2．3 激光旋光测量法

1．2．4 激光干涉测量法

1．2．5 各种测量方法小结

1．3 论文研究目的和内容安排

第2章 激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量方法研究

2．1 概述

2．2 激光单频偏振干涉测量原理

2．2．1 激光单频线偏振干涉原理

2．2．2 激光单频圆偏振干涉原理

2．2．3 激光单频偏振干涉位移测量

2．3 激光单频偏振干涉直线度测量模型

2．3．1 以渥拉斯顿棱镜为移动镜

2．3．2 以双直角反射棱镜为移动测量镜

2．4 激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量光路设计

2．4．1 间接检测光路

2．4．2 直接检测光路

2．4．3 两种检测光路分析与优化

2．5 激光单频偏振干涉直线度误差及位移同时测量原理

2．6 本章小结

第3章 直线度及位移同时测量运动误差检测与补偿方法研究

3．1 概述

3．2 测量镜运动误差对测量光束影响

3．2．1 运动误差对测量光束方向影响

3．2．2 运动误差对测量光束横向偏移影响

3．3 激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量与运动误差检测光路

3．4 运动误差测量原理

3．4．1 俯仰角与偏摆角误差测量

3．4．2 滚转角与水平直线度误差测量

3．5 直线度及位移测量的运动误差分析与补偿

3．5．1 测量镜内部的光程分析

3．5．2 渥拉斯顿棱镜内部及测量镜外部光程分析

3．5．3 直线度及位移运动误差补偿

3．6 本章小结

第4章 六自由度参数同时测量信号处理方法研究

4．1 概述

4．2 信号处理总体方案

4．3 激光单频偏振干涉信号处理方法

4．3．1 干涉信号预处理与前置处理

4．3．2 干涉信号整数计数

4．3．3 干涉信号小数计数

4．3．4 整小数结合计数

4．3．5 相位非正交整小数计数误差修正方法

4．3．6 基于FPGA的干涉信号处理实现与仿真验证

4．4 干涉条纹图像处理方法

4．4．1 干涉条纹分离与条纹直线拟合算法

4．4．2 基于LabVIEW的干涉条纹图像处理实现与仿真验证

4．5 光斑位置信号处理

4．5．1 四象限探测器信号处理

4．5．2 光斑位置信号参数推导与仿真分析

4．6 软件系统设计与实现

4．7 本章小结

第5章 测量系统性能影响因素分析

5．1 概述

5．2 偏振非线性误差分析

5．2．1 偏振非线性误差分析模型

5．2．2 激光偏振态椭偏化影响分析

5．2．3 渥拉斯顿棱镜安装误差影响分析

5．2．4 测量镜转动误差影响分析

5．2．5 四分之一波片安装误差影响分析

5．2．6 偏振分光棱镜安装误差影响分析

5．3 环境因素干扰分析

5．4 直线度误差评定方法

5．5 本章小结

第6章 实验结果及分析

6．1 概述

6．2 测量系统研制

6．3 可行性验证实验

6．4 综合性能验证实验

6．4．1 俯仰角与偏摆角误差测量比对实验

6．4．2 滚转角误差测量比对实验

6．4．3 水平直线度误差测量比对实验

6．4．4 垂直直线度误差测量比对实验

6．4．5 位移测量比对实验

6．5 应用性验证实验

6．6 测量不确定度分析

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的相关研究成果

致谢