纳米时栅超精密实验系统设计与优化

摘要

纳米测量技术已成为世界各国热门的研究课题,美国、德国、日本等世界工业发达国家均把纳米测量技术作为本国纳米战略的重要组成部分。纳米时栅位移传感器在此前提下提出,是一种基于变面积型电场耦合原理的电容式结构的位移传感器。利用人类目前对时间测量精度要比空间测量精度高三个数量级的优势,采用高频时钟脉冲插补技术,通过高精度时间差的测量从而得出空间纳米级位移量的测量。结合电场耦合原理,传感器在信号获取方面有了很大的突破,能获得较稳定且强度高的信号;微纳制造技术的引入,使得传感器在制造加工方面更加方便与可靠;差动式的平板电容结构原理设计,使传感器结构简单,安装方便;从理论上来说,纳米时栅位移传感器有望达到纳米级测量精度甚至更高,但研究这些工作是一项原始创新性工作,没有任何成熟的技术和资料可以借鉴学习。因此,需要通过大量的实验与理论相结合,逐渐形成一套传感器设计理论。为了使传感器实验研制的顺利进行,设计一套超精密的实验系统成为必要。　　本研究围绕着纳米时栅位移传感器超精密实验系统的设计与优化,做了以下工作:第一,详细阐述纳米时栅位移传感器的结构形式与工作原理,通过对其分析找出纳米时栅实验过程中误差的来源,建立误差理论模型,提出超精密实验系统设计要求。第二,根据超精密实验系统的设计要求,研究传感器的动测头驱动系统,通过两套方案的设计与实验对比,最终选用气浮平台系统来保证传感器动测头的精确运动;第三,通过四套传感器定测头的安装方案设计与优化,使得实验更加方便,并通过大量实验数据得出传感器安装位置对精度的影响规律;第四,利用 NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW软件和PXI-5422任意波形发生器硬件设备相结合,设计一套高精度的纳米时栅位移传感器实验信号激励系统,为传感器激励信号的研究提供了帮助。最后,通过超精密实验系统的设计与优化,开展大量的实验验证与分析,实验结果表明:纳米时栅位移传感器在行程为200mm范围内,实验精度可以达到±400nm。

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1 绪 论

1.1研究背景、目的与意义

1.2 纳米位移测量技术现状

1.3 大量程纳米级位移传感器发展趋势

1.4 研究的内容

2 纳米时栅工作原理与理论分析

2.1 时空转换理论概述

2.2传感器结构模型

2.3传感器工作原理

2.4传感器数学模型与误差分析

2.5传感器实验系统设计要求

3 超精密定位工作台设计与优化

3.1 引言

3.2 传统定位系统的结构与工作方式

3.3 气浮导轨定位系统结构及工作方式

3.4 控制器工作原理

3.5 气浮导轨系统精度检测

3.6 小结

4 纳米时栅实验基座设计与优化

4.1 引言

4.2实验基座方案一

4.3实验基座方案二

4.4实验基座方案三

4.4实验基座方案四

4.5 小结

5 纳米时栅传感器实验激励信号设计与优化

5.1 引言

5.2 虚拟仪器技术

5.3 数据采集卡及软件配置

5.4 激励信号发生器的设计

5.5 小结

6 实验验证与分析

6.1 引言

6.2 实验系统的搭建

6.3 稳定性的观察实验

6.4 纳米时栅几何位置参数分析与实验

6.5 纳米时栅大行程精度实验

6.5 小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

在学期间尚未发表但已被录用的学术论文