基于法拉第效应的角度误差补偿式精密位移测量方法研究

摘要

激光外差干涉测量系统基于高信噪比、高分辨率、可溯源性等优势，被广泛应用于各个精密测量领域，因而提高激光外差干涉的位移测量精度具有重要意义。本论文依托国家自然科学基金项目“基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数测量方法研究”(No:51605445)。基于法拉第效应的角度误差分析及其补偿方法展开相关研究，旨在设计一套角度误差补偿式精密位移测量系统，减小甚至消除角度误差对位移测量的影响，从而提高位移测量精度，并实现三自由度参数同时测量。
　　本论文在国内外研究的激光外差干涉位移测量方法及其补偿方法的基础上，提出了基于法拉第效应的角度误差补偿式精密位移测量方法。以法拉第效应的线偏振光原路逆返光路为基础，设计了角度误差补偿式精密位移测量系统的光路结构。通过分析被测对象的角度误差对位移测量的影响，建立了相关的数学模型，并得到了结合角度误差补偿的位移测量表达式。分析了角度误差与位移测量之间的耦合问题，讨论了影响角度测量范围的系统参数，并分析及评定了系统的不确定度。设计了测量系统的信号处理方案，包括激光外差干涉信号处理方案、光束位置探测信号处理及上位机软件。
　　为验证本论文优化的激光外差干涉信号处理方法的可行性，研制了一块基于FPGA的信号处理板，并分别进行大数相位测量计数和大小数结合的验证实验。为验证本论文提出的基于法拉第效应的角度误差补偿式精密位移测量方法的可行性及有效性，进行的一系列实验如下:(1)角度对比实验。实验结果验证了测量系统的角度分辨率能够达到0.0001°，同时提出的ADU模块能够应用于位移测量中的角度误差检测。(2)角度误差补偿式位移测量方法验证实验。角度误差补偿式位移测量方法验证实验。以转台转动角度来模拟测量镜的角度误差，当角度误差值达到0.12°时，补偿前的位移值严重偏离了初始值，其最大偏差达到6.268μm。基于本论文提出的补偿方法对位移值进行补偿，补偿后的位移值最大偏差为11.8nm，标准偏差为4.7nm，结果表明该方法具有显著的补偿效果。(3)角度误差补偿式位移测量方法应用实验。线性工作台XML350以1mm步进进行移动，系统干涉仪和Renishaw干涉仪同时测量其位移值。实验结果表明系统干涉仪未补偿的位移偏差与Renishaw干涉仪的位移偏差具有一致性。通过系统ADU模块测得的角度误差值对位移测量值进行补偿，补偿后的位移值最大偏差被有效地减小。实验结果验证了本论文提出的补偿方法能够应用于实际的精密位移测量中，并提高测量精度。

目录

声明

摘要

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 激光干涉位移测量方法现状

1．2．2 位移测量补偿方法研究现状

1．3 论文的研究内容及组织结构

第二章 测量系统的方案设计及理论分析

2．1 基于法拉第效应的逆返方法测量原理

2．2 系统方案设计

2．3 系统测量原理与分析

2．3．1 角度误差测量分析

2．3．2 角度误差对位移测量的影响及补偿

2．4 测量系统机械结构设计

2．5 本章小结

第三章 信号处理系统的研制

3．1 系统信号处理总体方案设计

3．2 激光外差干涉信号处理方法及实现

3．2．1 大数相位测量

3．2．2 小数相位测量

3．2．3 大小数相位结合

3．2．4 基于FPGA信号处理板的实现

3．3 光束位置探测信号处理方法及实现

3．3．1 位置敏感探测器原理及信号处理

3．3．2 光斑位置探测模块的实现

3．4 系统软件设计

3．5 本章小结

4．1 转角误差的解耦与测量

4．2 转角误差测量范围分析

4．2．1 偏摆角误差和俯仰角测量范围理论分析

4．2．2 仿真分析

4．3 转轴中心的影响分析

4．4 不确定度分析与评定

4．5 本章小结

第五章 实验测试与分析

5．1 激光外差干涉信号处理方法验证实验的构建

5．1．1 大数相位测量计数验证实验

5．1．2 大小数结合验证实验

5．2 角度误差补偿式位移测量系统的构建

5．3 角度测量对比实验与分析

5．4 角度误差补偿式位移测量方法验证实验及分析

5．5 角度误差补偿式位移测量方法应用实验及分析

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果