基于衍射干涉原理的高精度光栅位移测量系统研究

摘要

随着现代科技的发展，纳米测量技术在各领域都得到了广泛应用。而激光干涉测量系统和光栅测量系统是在现代精密测量技术中被应用最广泛的。其中，光栅测量系统采用光栅栅距作为测量基准，测量基准固定，且不受环境影响，对光源稳频要求低，从而降低了成本；光路结构简单，操作方便，方便小型化，这些优点使得光栅测量有着显而易见的优点，弥补了激光干涉的不足，在纳米级测量的研究和应用中越来越被重视。研究国内外光栅测量计数发现，国外的研究已经很成熟，并且各种类型光栅测量的产品已批量生产，国内在这方面虽然取得了一些成就，但据国外还有很大的差距。
　　本文研究了基于衍射干涉原理的光栅位移测量系统，首先分析了干涉衍射原理、光学多普勒效应，衍射光栅的衍射特性。重点对自行设计、搭建的光栅位移测量系统进行理论分析和实验论证，小型化了读数头部分，将所有的光学元件集成。完成了小型化的读数头的光学元件夹紧机构的机械设计。
　　分析了光栅位移测量系统中的误差来源，并且逐项对各误差因素进行分析，包括光路误差分析、电路误差分析两部分。光路误差包括光栅引入的误差、激光光源引入的误差、光路对位误差等。电路误差包括光电转换误差和计数误差等。光路的对位误差分析包括利用光学设计软件Lighttools分析光栅与光学读数头的对位等、借助偏振光学理论分析1/4波片不良对位误差。
　　设计了调理电路和信号处理电路，调理电路消除了信号中存在的误差，包括直流电平漂移误差、非正交误差、以及不等幅误差等，改进了之前电路板中直流偏置误差依旧存在的问题，增加了偏置校正环节。信号处理电路主要是利用FPGA对数据进行采集、辨向、计数和细分处理以及位移计算。并且实现了与上位机的串口通信，显示界面由LabVIEW设计，能显示最后位移数据。
　　最后搭建了光学平台，组装了微型化读数头，构建整个位移测量系统，对系统各模块性能进行了测试，并完成了系统实验和结果分析。实验表明，在(0~100)um的测量范围内，本系统可以达到优于5nm的分辨力，且线性度、重复性良好。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2光栅位移测量系统的研究现状与趋势

1.3主要研究内容

第2章 光栅位移测量系统的测量原理

2.1引言

2.2一维光栅衍射场分布

2.3光栅位移测量基本原理

2.4偏振光学理论

2.5本章小结

第3章 光栅位移传感器设计与分析

3.1引言

3.2光栅位移传感器设计及理论模型分析

3.3关键关学元件选取

3.4系统机械结构设计

3.5本章小结

第4章 光栅位移测量系统非线性误差分析及改进

4.1引言

4.2系统误差来源分析

4.3光栅引入的误差

4.4激光光源误差分析

4.5光路对位误差分析

4.6电路引入的误差

4.7测量环境引入的误差分析

4.8本章小结

第5章 光栅位移测量系统实验分析

5.1引言

5.2测量系统介绍

5.3光栅位移传感器功能测试

5.4调理电路板设计及功能测试实验

5.5信号处理电路设计及功能测试实验

5.6系统整体性能测试

5.7本章小结

结论

参考文献

声明

致谢