基于频率扫描的绝对距离干涉测量关键技术研究

摘要

随着航空航天、船舶工业、大型装备制造业等多个行业的不断发展，大型机械装备的零件尺寸达到几百毫米到几米，对零件装配的定位精度达到几十微米以下。在装配应用中，大多采用激光跟踪仪进行测量，绝对距离测量技术是激光跟踪仪中的重要技术。本文讨论了不同类型的绝对距离激光测距方法及其优缺点，并针对基于频率扫描测量方法的激光干涉绝对距离测量技术进行了深入的研究与探索，分析了基于频率扫描法的干涉测量系统的原理及其技术特点,研制了一种基于频率扫描的绝对距离干涉测量系统。主要研究内容如下：
　　1）设计一种基于频率扫描的绝对距离干涉测量系统。针对频率扫描干涉测量中激光频率扫描范围难以直接测量的问题，采用参考干涉仪作为测量基准来避免对频率扫描范围的测量。本文对影响测量精度的主要因素进行了分析，在此基础上设计了高速同步干涉信号采集与处理单元，提出基于干涉相位最小二乘拟合的距离解算方法，设计了参考干涉仪恒温控制单元，并搭建了实验平台，验证系统整体的性能。
　　2）设计高速同步干涉信号采集与处理单元。由于参考和测量干涉仪的干涉信号的非同步测量会引入测距误差，需要同步采集参考和测量干涉仪的干涉信号并同步处理同步输出，实现对干涉相信号的20MHz高速同步采集与高分辨力解算。
　　3）提出基于干涉相位最小二乘拟合的距离解算方法。直接根据距离计算公式选择某两个时刻的相位变化计算被测距离的测量精度较低，且数据利用率较低。基于参考干涉仪与测量干涉仪相位的线性关系提出基于干涉相位最小二乘拟合的距离解算方法，减小了相位测量误差对距离测量精度的影响。
　　4）设计参考干涉仪恒温控制单元抑制材料热膨胀对参考长度的稳定性的影响。参考干涉仪的所有器件固定在金属底板上，受到温度影响产生热膨胀会导致参考长度的稳定性变差。设计了基于MSP430单片机和半导体制冷器(TEC)的温度控制系统。
　　基于上述研究内容，搭建了基于频率扫描的绝对距离干涉测量系统，对关键技术单元和测距系统特性参数进行了测试，并与UOI-S500单频干涉仪进行比较。实验结果表明：在200mm~1000mm的测量范围内，测距系统的重复性Up(k=3)优于50μm。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 绝对距离干涉测量方法

1.3 研究现状分析

1.4 课题主要研究内容

第2章 频率扫描测量原理与关键技术研究

2.1 引言

2.2 频率扫描测量原理与特性

2.3 高速同步干涉信号采集与相位测量技术

2.4 基于干涉相位最小二乘拟合的距离解算方法

2.5 参考干涉仪恒温控制技术

2.6 本章小结

第3章 绝对测距系统方案设计

3.1 引言

3.2 测距系统总体结构

3.3 高速同步干涉信号采集与相位测量单元

3.4 参考干涉仪恒温控制单元设计

3.5 本章小结

第4章 绝对测距系统性能测试

4.1 引言

4.2 测距系统搭建

4.3 参考干涉仪恒温控制单元测试

4.4 高速同步干涉信号采集与相位测量单元测试

4.5 绝对测距系统整体测试

4.6 本章小结

结论

参考文献

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