基于条纹相移的光栅干涉仪定位系统超精密位移测量方法与实验研究

摘要

精密定位技术作为精密制造和精密装备的基础，一直制约着我国精密制造和精密装备产业的发展。而纳米级的位移测量技术又是制约精密定位技术发展的一个重要原因。现代纳米级精密位移测量技术最主要的两个研究方向是激光干涉仪测长系统和精密光栅测长系统。相比而言，精密光栅测长系统在分辨力、测量精度和测量行程不输于激光干涉仪的条件下，对环境的要求更低、抗干扰能力更强、光路结构和机械结构更简单、安装条件更宽松、占用空间更小、成本低廉、更易于推广。国外对于精密光栅测长系统的研究已相当成熟并已实现批量生产，而我国则由于起步较晚，虽已有一定发展，但较之国外先进水平尚存在一定差距，因此，研究基于衍射光栅的纳米级位移测量系统意义重大。
　　本文研究了一种基于光栅干涉相位移动扫描原理的纳米级位移测量系统。利用光栅干涉仪实现光学四倍频，再利用条纹移相机构实现信号的进一步细分，使得系统获得亚纳米级的分辨率。
　　基于光栅干涉原理和相位扫描原理，提出了一种相位移动扫描的方法，并在此基础上设计搭建了具有亚纳米级分辨率的超精密定位测量系统。
　　对精密定位系统的控制方法进行了研究，成功的将基于光栅干涉相位移动扫描的位移测量系统融入到精密定位系统中，提高其定位精度。根据定位过程，完成了精密定位系统上位机测控软件设计。
　　整合光栅干涉测量系统、条纹移相系统、精密定位运动系统和信号生成及采集系统，搭建了基于条纹相移的光栅干涉仪精密定位实验平台，对位移测量系统各单元的性能进行了测试实验，并对精密定位平台的定位精度进行了测量实验，分析实验结果，评估系统性能参数。结果表明，论文所提出的基于光栅干涉相位移动扫描的位移测量系统达到了亚纳米级的测量分辨率，提高了精密定位平台的定位精度。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外大行程纳米级定位系统的研究现状

1.4 国内外衍射光栅干涉测量系统的研究现状

1.5 研究内容和结构安排

第二章 光栅干涉相位移动扫描位移测量机理

2.1 概述

2.2 光栅干涉相位移动扫描位移测量基本原理

2.3 本章小结

第三章 基于干涉相位移动扫描的超精密定位测量系统

3.1 引言

3.2 光栅干涉测量系统的设计原则

3.3 光栅干涉测量系统

3.4 条纹移相系统

3.5 精密定位运动系统

3.6 信号采集系统

3.7 本章小结

第四章 超精密定位控制系统设计及其测控软件实现

4.1 控制系统设计

4.2 定位过程分析

4.3 控制系统的软件实现

4.4 控制系统软件设计

4.5 本章小结

第五章 基于光栅干涉相位移动扫描方法的超精密定位测量系统性能实验与误差分析

5.1 引言

5.2 精密定位实验台的搭建

5.3 精密定位系统实验研究

5.4 实验结果与误差分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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