渥拉斯顿棱镜移动式激光单频干涉直线度及位移同时测量方法研究
发布时间：2021-04-17 08:46
直线度是表征各类高端装备中运动平台或精密导轨性能的重要几何参数,直线度的高精度测量是保证高端装备整体性能的先决条件。本文从国家对高端装备制造的需求出发,对新型直线度及位移同时测量技术展开研究,提出了一种渥拉斯顿棱镜移动式激光单频干涉直线度及位移同时测量方法,设计了一种结合渥拉斯顿棱镜与半透半反镜的移动测量镜,避免了由被测对象旋转角度变化引起的直线度测量误差,利用激光单频干涉测量技术,减小了测量过程中的周期性非线性误差,实现了直线度及位移的高精度测量。论文主要研究工作和创新点如下:1.以直线度及位移同时测量的实现方法为出发点,在激光单频干涉测量技术的基础上,提出了渥拉斯顿棱镜移动式直线度及位移同时测量方法,引入正弦加三角波复合调制解调方法来获取三束测量光束的相位信息,减小了相位检测过程中的非线性误差,在不增加任何测量光束的情况下实现直线度及位移的高精度同时测量。2.建立了渥拉斯顿棱镜旋转角度变化所引起的直线度测量误差分析模型,理论研究了渥拉斯顿棱镜的偏摆角、滚转角以及俯仰角变化对直线度误差测量的影响情况,推导得出了直线度测量误差表达式,并根据表达式提出了直线度测量误差的消除方法。3.基于...
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２紧凑型四自由度测量系统［２１］??
浙江理工大学硕士学位论文?渥拉斯顿棱镜移动式激光单频干涉直线度及位移同时测量方法研究??渥ｙ斯顿ｙ镜?＼??。?ｎ?ｚ＼??－叫?＼／＾ｉｉ〇。??ＬＶ」?（、、、、、＾Ｖ??Ｓｏ?、、、??双面平面反射镜??图１．３激光外差干涉直线度测量原理Ｉ３５】??如图１．３所示，渥拉斯顿棱镜作为测量镜，跟随被测对象自Ｓｏ位置运动至Ｓｉ位置。Ｓ０??位置时，渥拉斯顿棱镜位于测量基准线中心；Ｓｉ位置时，渥拉斯顿棱镜在垂直于测量轴线??的方向上存在Ａ／？的直线度误差，此时令两束测量光束之间的位移差为ＡＬ，由几何关系可??以推得，直线度误差可以表示为：??Ａｈ＝从?１－（１）??２ｓｉｎ?６??美国安捷伦公司的５５２９Ａ型激光外差干涉仪［３６１、成都工具所ＭＪＳ系列激光外差干涉??仪［３７］均基于上述原理设计。但是双面平面反射镜的回光问题不可忽视，部分测量光束会被??反射进入激光器的激光腔，对光源产生影响。需要注意的是，单频激光干涉仪受到回光问??题的影响相较于双频激光干涉仪更大，回光问题甚至会使单频激光器因为稳频失锁而停止??工作，导致单频激光器受损。??为了解决回光问题，英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司选择使用双直角反射棱镜代替双面反射镜。渥??拉斯顿棱镜与双直角反射棱镜作为直线度测量组件被应用于Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司的ＭＬ１０和??ＸＬ８０型号激光干涉仪中，实现直线度误差的测量［３８１。如图１．４所示，使用渥拉斯顿棱镜作??为移动镜，双直角反射棱镜固定，可以实现入射测量光束与返回测量光束的分离，避免回??光问题的出现，从而可以在测量系统中省去回光组件，减小测量系统复杂度的同时也提高??了激光能量的使用效率，在长距离的垂直直线
浙江理工大学硕士学位论文?渥拉斯顿棱镜移动式激光单频千涉直线度及位移同时测量方法研究??渥拉斯顿棱镜?Ｖ／?／??双直角反射棱镜??图１．４Ｒｅｎｉｓｈａｗ直线度组件ｈｘｌ??国立台北科技大学的Ｌｉｎ．Ｓ．Ｔ提出了一种基于组合测量镜组的激光直线度干涉仪［３９］。??其光路结构与测量原理分别如图和图１．５所示。该直线度干涉仪将一个角锥棱镜ＣＣ和一??个渥拉斯顿棱镜Ｗ组合在一起，作为测量镜跟随被测对象移动，感测直线度误差。反射器??ＳＲ由两个直角棱镜组成，固定不动，用于将两束直线度误差测量光束反射回到渥拉斯顿棱??镜后重新组合。组合光束的千涉信号由探测器检测后转换为直线度误差。该系统将直线度??误差的测量灵敏度提升了一倍，在２５０ｍｍ的测量范围内，直线度误差的测量标准差达到??０．３２６ｎｍ，测量重复性达到ｌｕｍ。??我??ＳＲ??图１．５基于组合测量镜组的激光直线度干涉仪光路结构［３９］??该团队还提出了一种基于低相干光源的直线度干涉仪［４（＞］，其光路结构如图１．６所示。??该直线度干涉仪同样使用渥拉斯顿棱镜来产生两束直线度误差测量光束，测量光束经过分??析仪Ａ后，在ＣＣＤ相机上产生干涉图样。当渥拉斯顿棱镜沿ｙ轴运动时，由于直线度误??差的存在，ＣＣＤ相机采集到的干涉条纹图案中，零阶条纹将会偏离原始位置，此时在ｘ轴??方向上驱动渥拉斯顿棱镜移动，直至干涉条纹图案中的零阶条纹回到原始位置，此时渥拉??斯顿棱镜在ｘ轴方向上的位移即为垂直直线度误差。该直线度干涉仪的测量分辨率达到??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国如何实现从制造业大国向制造业强国的转变——基于政府转型的研究视角[J]. 陈万灵,卢万青. 财经科学. 2017(11)
[2]面向高端装备制造业的高端制造装备需求趋势分析[J]. 张俊,卢秉恒. 中国工程科学. 2017(03)
[3]一种超精密大行程导轨直线度检测新方法[J]. 徐淼,王新宽,钱林弘. 机床与液压. 2017(10)
[4]24m大长度计量检测自动化系统[J]. 杨斌. 计测技术. 2015(S1)
[5]平尺直线度测量系统及其实验仪器[J]. 陈刚,翟琼劼,胡祯,孙晓莉,朱纬. 中国测试. 2014(S1)
[6]大跨距、小步距法测量导轨系统的导轨直线度研究[J]. 郭敬滨,李斌. 机械科学与技术. 2013(11)
[7]利用CORDIC算法计算平方根及其FPGA实现[J]. 邓强. 通信技术. 2013(07)
[8]正弦相位调制自混合干涉大范围位移测量精度测试与分析[J]. 杨振宇,王鸣,夏巍,郝辉,郭冬梅. 光学学报. 2013(04)
[9]提高我国装备制造业国际竞争力的对策[J]. 向一波,郑春芳. 经济纵横. 2013(04)
[10]参数估计误差对光纤水听器PGC反正切解调性能的影响[J]. 王凯,施清平,蒋佳佳,戴之光,田长栋,段发阶,张敏,廖延彪. 光电子.激光. 2012(10)
博士论文
[1]激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究[D]. 楼盈天.浙江理工大学 2018
硕士论文
[1]电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究[D]. 陈周强.浙江理工大学 2018
[2]激光外差干涉长行程精密导轨直线度测量及补偿方法研究[D]. 程亮.浙江理工大学 2017
[3]激光外差干涉直线度测量的阿贝误差分析及补偿研究[D]. 徐斌.浙江理工大学 2015
[4]基于双频干涉的直线度及其位置测量方法研究[D]. 张恩政.浙江理工大学 2010
[5]图像法实现导轨直线度测量系统的研究[D]. 李晓蕾.西安理工大学 2007
本文编号：3143160
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２紧凑型四自由度测量系统［２１］??
浙江理工大学硕士学位论文?渥拉斯顿棱镜移动式激光单频干涉直线度及位移同时测量方法研究??渥ｙ斯顿ｙ镜?＼??。?ｎ?ｚ＼??－叫?＼／＾ｉｉ〇。??ＬＶ」?（、、、、、＾Ｖ??Ｓｏ?、、、??双面平面反射镜??图１．３激光外差干涉直线度测量原理Ｉ３５】??如图１．３所示，渥拉斯顿棱镜作为测量镜，跟随被测对象自Ｓｏ位置运动至Ｓｉ位置。Ｓ０??位置时，渥拉斯顿棱镜位于测量基准线中心；Ｓｉ位置时，渥拉斯顿棱镜在垂直于测量轴线??的方向上存在Ａ／？的直线度误差，此时令两束测量光束之间的位移差为ＡＬ，由几何关系可??以推得，直线度误差可以表示为：??Ａｈ＝从?１－（１）??２ｓｉｎ?６??美国安捷伦公司的５５２９Ａ型激光外差干涉仪［３６１、成都工具所ＭＪＳ系列激光外差干涉??仪［３７］均基于上述原理设计。但是双面平面反射镜的回光问题不可忽视，部分测量光束会被??反射进入激光器的激光腔，对光源产生影响。需要注意的是，单频激光干涉仪受到回光问??题的影响相较于双频激光干涉仪更大，回光问题甚至会使单频激光器因为稳频失锁而停止??工作，导致单频激光器受损。??为了解决回光问题，英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司选择使用双直角反射棱镜代替双面反射镜。渥??拉斯顿棱镜与双直角反射棱镜作为直线度测量组件被应用于Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司的ＭＬ１０和??ＸＬ８０型号激光干涉仪中，实现直线度误差的测量［３８１。如图１．４所示，使用渥拉斯顿棱镜作??为移动镜，双直角反射棱镜固定，可以实现入射测量光束与返回测量光束的分离，避免回??光问题的出现，从而可以在测量系统中省去回光组件，减小测量系统复杂度的同时也提高??了激光能量的使用效率，在长距离的垂直直线
浙江理工大学硕士学位论文?渥拉斯顿棱镜移动式激光单频千涉直线度及位移同时测量方法研究??渥拉斯顿棱镜?Ｖ／?／??双直角反射棱镜??图１．４Ｒｅｎｉｓｈａｗ直线度组件ｈｘｌ??国立台北科技大学的Ｌｉｎ．Ｓ．Ｔ提出了一种基于组合测量镜组的激光直线度干涉仪［３９］。??其光路结构与测量原理分别如图和图１．５所示。该直线度干涉仪将一个角锥棱镜ＣＣ和一??个渥拉斯顿棱镜Ｗ组合在一起，作为测量镜跟随被测对象移动，感测直线度误差。反射器??ＳＲ由两个直角棱镜组成，固定不动，用于将两束直线度误差测量光束反射回到渥拉斯顿棱??镜后重新组合。组合光束的千涉信号由探测器检测后转换为直线度误差。该系统将直线度??误差的测量灵敏度提升了一倍，在２５０ｍｍ的测量范围内，直线度误差的测量标准差达到??０．３２６ｎｍ，测量重复性达到ｌｕｍ。??我??ＳＲ??图１．５基于组合测量镜组的激光直线度干涉仪光路结构［３９］??该团队还提出了一种基于低相干光源的直线度干涉仪［４（＞］，其光路结构如图１．６所示。??该直线度干涉仪同样使用渥拉斯顿棱镜来产生两束直线度误差测量光束，测量光束经过分??析仪Ａ后，在ＣＣＤ相机上产生干涉图样。当渥拉斯顿棱镜沿ｙ轴运动时，由于直线度误??差的存在，ＣＣＤ相机采集到的干涉条纹图案中，零阶条纹将会偏离原始位置，此时在ｘ轴??方向上驱动渥拉斯顿棱镜移动，直至干涉条纹图案中的零阶条纹回到原始位置，此时渥拉??斯顿棱镜在ｘ轴方向上的位移即为垂直直线度误差。该直线度干涉仪的测量分辨率达到??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国如何实现从制造业大国向制造业强国的转变——基于政府转型的研究视角[J]. 陈万灵,卢万青. 财经科学. 2017(11)
[2]面向高端装备制造业的高端制造装备需求趋势分析[J]. 张俊,卢秉恒. 中国工程科学. 2017(03)
[3]一种超精密大行程导轨直线度检测新方法[J]. 徐淼,王新宽,钱林弘. 机床与液压. 2017(10)
[4]24m大长度计量检测自动化系统[J]. 杨斌. 计测技术. 2015(S1)
[5]平尺直线度测量系统及其实验仪器[J]. 陈刚,翟琼劼,胡祯,孙晓莉,朱纬. 中国测试. 2014(S1)
[6]大跨距、小步距法测量导轨系统的导轨直线度研究[J]. 郭敬滨,李斌. 机械科学与技术. 2013(11)
[7]利用CORDIC算法计算平方根及其FPGA实现[J]. 邓强. 通信技术. 2013(07)
[8]正弦相位调制自混合干涉大范围位移测量精度测试与分析[J]. 杨振宇,王鸣,夏巍,郝辉,郭冬梅. 光学学报. 2013(04)
[9]提高我国装备制造业国际竞争力的对策[J]. 向一波,郑春芳. 经济纵横. 2013(04)
[10]参数估计误差对光纤水听器PGC反正切解调性能的影响[J]. 王凯,施清平,蒋佳佳,戴之光,田长栋,段发阶,张敏,廖延彪. 光电子.激光. 2012(10)
博士论文
[1]激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究[D]. 楼盈天.浙江理工大学 2018
硕士论文
[1]电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究[D]. 陈周强.浙江理工大学 2018
[2]激光外差干涉长行程精密导轨直线度测量及补偿方法研究[D]. 程亮.浙江理工大学 2017
[3]激光外差干涉直线度测量的阿贝误差分析及补偿研究[D]. 徐斌.浙江理工大学 2015
[4]基于双频干涉的直线度及其位置测量方法研究[D]. 张恩政.浙江理工大学 2010
[5]图像法实现导轨直线度测量系统的研究[D]. 李晓蕾.西安理工大学 2007
本文编号：3143160
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