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基于衍射光栅的高精度位移测量系统的设计

作　者: 邸晶晶
导　师: 王雷
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 位移测量衍射光栅干涉测量信号处理误差分析
分类号: TH741
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着现代科学技术的不断进步，微电子制造工业、纳米技术以及MEMS等技术得到了蓬勃发展，而这些技术的实现必须以精密的测量技术作为基础。在众多的测量方法中，光学测量方法以其高精度、非接触、宽动态范围和易于数字化的特点而显示出特有的优势。其中，基于光栅的位移测量系统以光栅栅距作为测量基准，具有对光源的稳频要求不高，光路结构简单，体积小等优势，能在超精密加工中胜任高分辨率、高速度、大量程的位移测量任务。在此技术上国外已经具备批量化生产的能力，而我国与之相比还存在一定的差距。研究出高分辨力、高测速的光栅位移测量系统有其重要的意义。本文的主要研究内容和工作如下：首先，本文研究了莫尔条纹的分析理论、多普勒频移理论、衍射光干涉理论和偏振光学理论。依据这些理论设计并搭建了基于衍射光栅的位移测量光路系统，完成了该系统基于琼斯矩阵的理论推导。与常见光路相比，该光路系统使用较少的光学器件，即能够进行光学四细分。此外，光路应用偏振光学的特性，合理分离测量光和杂散光，抗干扰能力强。其次，对光栅位移测量系统的各种信号处理方法进行了分析和研究，其中着重研究了电子学细分方法，提出了适用于高速位移信号测量的辨向和细分算法。再次，完成了测量系统的信号处理硬件电路设计。根据光栅测量的常见误差，设计了信号调理电路，经过调理电路后，可以有效补偿光信号的不等幅误差和非正交误差。设计了基于FPGA和DSP的信号采集与处理电路，完成了系统的软件编程设计，可控制高速A/D对信号进行采集并实现位移计算方法以及与上位机间的数据通信。此外，设计了基于LabVIEW的上位机显示界面，读取数据并对测量进行控制。最后，对本位移测量系统进行了误差分析和比对实验。分析了光栅、激光器、光路、电路以及测量环境对系统精度的影响，并对系统精度进行了评估。对光路和电路系统的功能进行了验证，测试了系统的分辨力参数。实验结果表明，本系统可以达到2.6nm的分辨率，最大测量速度能够达到100mm/s。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-11
  1.2 光栅位移测量的发展及现状  11-15
    1.2.1 光栅的发展和概述  11-12
    1.2.2 莫尔条纹细分技术  12-14
    1.2.3 光栅测量系统的发展及现状  14-15
  1.3 课题主要研究内容  15-16
第2章光栅位移测量系统的测量原理  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 莫尔条纹理论  16-19
    2.2.1 基于几何光学的测量原理  16-17
    2.2.2 基本衍射干涉的测量原理  17-19
  2.3 多普勒频移理论  19-21
  2.4 衍射光干涉理论  21-23
    2.4.1 经典干涉原理  21-22
    2.4.2 差频干涉原理  22-23
  2.5 偏振光学理论  23-26
    2.5.1 偏振光的矩阵表示  23-25
    2.5.2 偏振器件的矩阵表示  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章光路系统的设计与分析  27-36
  3.1 引言  27
  3.2 光栅测量系统光路的设计原则  27-28
  3.3 光路系统的设计  28-32
    3.3.1 光栅的选择  28-29
    3.3.2 测量光路设计  29-31
    3.3.3 检测光路设计  31-32
  3.4 光路系统的琼斯矩阵推导  32-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章系统位移计算方法的研究  36-41
  4.1 引言  36
  4.2 辨向及计数方法的研究  36-37
  4.3 细分方法的研究  37-39
    4.3.1 数字化细分方法的分析  37-38
    4.3.2 正切量化查表细分方法  38-39
  4.4 位移计算  39-40
  4.5 本章小结  40-41
第5章系统硬件结构设计与软件实现  41-56
  5.1 引言  41
  5.2 光电信号检测部分设计  41-43
    5.2.1 光电转换元件的选择  41-42
    5.2.2 电流电压转换电路的设计  42-43
  5.3 调理电路的设计  43-47
    5.3.1 正交补偿电路的设计  44-45
    5.3.2 滤波电路的设计  45-47
  5.4 信号处理电路设计  47-53
    5.4.1 A/D转换模块  48-50
    5.4.2 数据处理模块  50-53
  5.5 软件系统的总体设计  53-55
    5.5.1 FPGA软件系统设计  53
    5.5.2 DSP软件系统的设计  53-54
    5.5.3 上位机显示系统的介绍  54-55
  5.6 本章小结  55-56
第6章光栅测量系统的误差分析与实验  56-70
  6.1 引言  56
  6.2 系统误差来源分析  56-60
    6.2.1 光栅引入的误差分析  56-57
    6.2.2 激光器引入的误差分析  57-58
    6.2.3 光路引入的误差分析  58-59
    6.2.4 电路引入的误差分析  59-60
    6.2.5 测量环境引入的误差分析  60
    6.2.6 系统精度评估  60
  6.3 系统的测试与分析  60-68
    6.3.1 测量系统介绍  61
    6.3.2 光路系统功能测试实验  61-62
    6.3.3 电路系统功能测试实验  62-68
    6.3.4 测量系统的测试  68
  6.4 本章小结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-76
致谢  76

基于衍射光栅的高精度位移测量系统的设计

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