纳米时栅测量精度与电气误差的关系研究

摘要

大量程纳米位移测量技术及器件是纳米数控机床、国防军工等精密高端装备的核心技术和关键功能部件，是精密加工制造发展水平重要标志之一。然而大量程与高测量精度兼顾，一直是世界性的技术难题。工业应用领域占据至高地位的光栅传感器的测量原理和加工制造因为光学衍射问题，性能难以进一步提升。此外，少数发达国家掌握相关原创思想和核心技术，却对其他国家严格封锁。我国对于光栅传感器主要还在做跟踪式的研究工作，技术水平始终落后，高端光栅传感器大量依赖进口。为此，作者所在的课题组通过对纳米测量技术的长期研究，提出了一种基于电容阵列结构、采用交变电场来构建匀速运动参考系的第三代电场式时栅传感器——纳米时栅。利用时栅测量技术解决了分辨率受栅距制约的问题，采用平板电容结构作为传感单元可降低制造精度要求，依托光栅先进的微纳制造工艺，可实现大批量高效率的生产。以此为背景，本文开展了对纳米时栅传感器电气误差深入研究，主要研究内容和创新点如下：　　1）根据纳米时栅传感器的测量原理进行建模，建立含有极片引线阻抗、分布电容、放大器输入电阻电路模型。根据电路相关知识，计算推出以复数运算法则为基础的电气误差的复杂数学表达式。　　2）重点分析了引线阻抗、分布电容、放大器输入阻抗产生的电气误差与测量精度的关系。通过仿真在保证电气误差最小的情况下找到较优引线阻抗、分布电容、放大器输入阻抗值参数。　　3）优化传感器结构与参数，进一步减小电气误差，提高测量精度。在传感器的制作方面通过优化传感器几何尺寸，调整电容的面积，增大工作电容，提高传感器精度。通过改变动定尺的间隙来改变电容值，同时减少耦合信号中非线性成分，减小非线性误差，提高传感器精度。时间差测量环节，优化测量电路，在信号处理整形电路方面利用多路比较技术，使动尺感应到的正弦信号整形成的方波信息更完整，提高传感器精度。最后依据时间测量空间，同样利用时间信号补偿空间信号的思想设计实验，针对第三张电气误差进行补偿，进一步提高测量精度。形成了一套纳米时栅传感器的参数优化设计准则，为高精度纳米时栅传感器的研制打下了基础。　　4）搭建超精密实验平台并制作了传感器样机。对传感器的测量精度、稳定性能进行了测试，验证了理论分析的正确性，最终研制出一款量程在 200mm，测量精度能够稳定在?200nm的纳米时栅传感器样机，并且具备了杰出的抗干扰能力、稳定性、安装适应性以及更低廉的制造成本的特点。　　综上所述，通过理论与实践相互结合，本文最终建立了纳米时栅电气误差理论体系和参数优化设计方法，文中提出的结构和参数的优化设计方案对纳米时栅参数提高测量精度具有一定的指导意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 本文的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 时栅传感器原理

2.1 时空转换原理

2.2 时栅发展过程

2.3 纳米时栅传感原理

2.4 本章小结

3 纳米时栅电气误差分析

3.1 电气参数分析及模型建立

3.2 电气误差计算与分析

3.3 误差与测量精度的关系

3.4 电气参数仿真

3.5 本章小结

4 实验平台搭建

4.1 PI并联定位系统

4.2 激励信号系统LabVIEW

4.3 系统硬件设计

4.4 系统软件设计

4.5 本章小结

5 纳米时栅实验研究

5.1 传感器的制作

5.2 系统稳定性实验

5.3 传感器满量程量精度测试

5.4 传感器优化

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果