用于六自由度纳米工作台的位移传感器研制

摘要

本学位论文选题为国家自然科学基金项目“纳米三坐标测量机关键技术的研究”(5017524)的后续研究。项目中研制了一个六自由度纳米工作台,该工作台的压电陶瓷驱动器控制系统通过抗蠕变和抗迟滞的驱动方法使工作台的定位精度达到了0.050μm,但工作台的定位速度较慢,不能应用于快速场合。本论文的目的是利用位移传感器进行工作台位置反馈,通过闭环控制来提高六自由度纳米工作台的定位速度,从而拓展它的应用范围。为与纳米工作台匹配,位移传感器的体积应在20mm×20mm×40mm安装空间内,测量范围不小于30μm,测量误差小于±0.050μm,位移分辨率不低于0.01μm。光纤微弯式位移传感器具有体积小、造价低、系统简单、测量灵敏度高和不易受环境干扰等特点,能满足六自由度纳米工作台的要求。因此,本文对微弯式光纤位移传感器进行了研究,主要研究成果如下:
　　 1.根据光纤微弯理论,分析了微弯调制周期和光纤结构等因素对微弯式光纤位移传感器灵敏度的影响,基于分析结果,设计了光路系统并确定了光纤、光源和光电探测器等关键部件的参数。
　　 2.基于体积小、精度高、灵敏度高和光纤防断的要求,设计并制作了位移传感器机械结构,其中包括微弯调制机构、基于双弹簧片的微动导向机构和上下限位机构。实验研究了关键零件安装方法对传感器灵敏度和重复性的影响。所研制的传感器体积为20mm×20mm×37mm,满足了微动台的要求。完成了传感器机械结构的重复性实验,实验结果表明传感器机械结构具有较好的重复性。
　　 3.基于线性放大、低噪声和抗干扰性强的要求设计了传感器信号调理电路。该电路实现了微变信号的提取、滤波和线性放大;通过电源滤波器和接地技术,减少了外界干扰对电路的影响。在数字信号处理中,利用比值处理方法,减小了光源波动对测量精度的影响。
　　 4.完成了微位移测量系统的重复性实验和测量误差标定实验。实验结果表明,在普通实验室环境中,位移传感器在线性和重复性较好的测量区域内的最大测量误差为±0.052μm,分辨率低于0.01μm。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

致谢

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 用于纳米工作台的微位移传感器

1.3 课题主要研究内容

第二章 位移传感器的基本原理及光路设计

2.1 位移传感器的基本原理和位移灵敏度分析

2.1.1 位移传感器基本原理

2.1.2 位移传感器灵敏度的相关因素分析

2.2 位移传感器光路设计

2.2.1 微弯调制器件设计

2.2.2 光源部件设计

2.2.3 光探测部件设计

2.2.4 位移测量系统

第三章 位移传感器的机械结构设计

3.1 传感器的机械结构设计

3.2 传感器中主要结构的参数确定

3.2.1 微弯调制结构主要参数确定

3.2.2 导向结构主要参数确定

3.3 传感器主要零件的安装方法研究

3.3.1 敏感光纤的安装方法研究

3.3.2 弹性微动导轨的安装研究

3.3.3 限位结构的安装研究

3.4 传感器的重复性实验

第四章 位移测量系统的信号处理电路设计

4.1 信号处理电路设计思想

4.2 信号处理电路设计

4.2.1 前置放大电路的设计与噪声分析

4.2.2 差分放大电路设计

4.2.3 信号调理电路抗干扰措施

4.2.4 信号调理电路特性实验

第五章 位移测量系统相关实验

5.1 实验系统构建

5.2 位移传感器重复性实验

5.3 位移测量系统测量误差实验

第六章 总结与展望

6.1 研究工作的总结

6.2 研究工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文