平面光栅测量系统零位对准技术研究

发布时间：2017-09-14 05:23

  本文关键词：平面光栅测量系统零位对准技术研究

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【摘要】：光栅尺由于具有精度高、不易受环境干扰、体积小、操作方便、成本不高等优点而被广泛地作为超精密测量工具之一。对准精度是增量式光栅尺的重要指标,所以如何提高对准精度是光栅测量技术发展的一个重要方面。本文设计了一种双光栅零位对准系统,双光栅包括标尺光栅和扫描光栅。设计了双光栅结构和光路结构,然后通过设计相关电路进行光电转换和数据采集得到基本的输出信号,设计算法对信号进行滤波处理,实现了在较大工作距离(≥20mm)的前提下达到微米级的对准精度(≤1μm)。课题的主要研究内容如下:首先,利用相关理论,设计了标尺光栅和扫描光栅的重要参数。利用成像扫描原理设计了双光栅的编码结构,并进行了仿真;进行了菲涅耳衍射效应的仿真,设计了双光栅的基本刻线宽度;推导衍射效率公式,设计了标尺光栅的内部周期刻线结构。其次,设计了基于双光栅零位对准的光路结构,实现了对平行光正入射时的光信号检测。然后,设计了相关的光电转换电路与多个级次衍射光之间的运算电路。在实现采集信号之后,对于输出信号噪声较大的缺点,自行设计了一种大跳变压缩滤波算法,成功对信号进行了去噪,并且与卡尔曼滤波方法进行了对比。最后,对双光栅零位对准系统进行了实验验证。实验中的标尺光栅和扫描光栅的距离为21mm,满足较大的工作距离的前提条件。使用单频激光干涉仪进行测量比较,双光栅对准系统获得的信号经过卡尔曼滤波和跳变值压缩滤波时,对准精度均为0.72μm。最终成功实现了微米级的对准精度。
【关键词】：光栅测量 零位对准 工作距离 对准精度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH741.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题来源及研究背景和意义10-13
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景和意义10-13
• 1.2 关于光栅尺的国内外研究现状13-15
• 1.3 光栅零位对准技术的国内外研究现状15-17
• 1.3.1 国外关于光栅零位对准技术的研究现状15-16
• 1.3.2 国内关于光栅零位对准技术的研究现状16
• 1.3.3 国内外关于光栅零位对准技术的比较16-17
• 1.4 主要研究内容17-18
• 第2章 光学结构设计18-46
• 2.1 引言18
• 2.2 双光栅对准系统总体尺寸设计18-20
• 2.3 双光栅对准标记编码最小宽度设计20-29
• 2.3.1 衍射分析20-22
• 2.3.2 光强分布仿真22-27
• 2.3.3 最小刻线宽度的参数设计27-29
• 2.4 双光栅对准标记编码设计29-36
• 2.4.1 编码设计的仿真29-34
• 2.4.2 编码参数设计34-36
• 2.5 标尺光栅台阶结构的的设计36-43
• 2.5.1 反射光衍射效率的推导36-38
• 2.5.2 台阶高度与占空比的设计38-39
• 2.5.3 周期刻线结构的设计39-43
• 2.6 双光栅正入射系统的光路设计43-45
• 2.6.1 双光栅正入射系统的设计43-45
• 2.6.2 双光栅正入射系统的优缺点分析45
• 2.7 本章小结45-46
• 第3章 电路和算法的设计46-58
• 3.1 引言46
• 3.2 光电转换电路的设计46-49
• 3.2.1 光电转换的前置放大电路46-47
• 3.2.2 次级放大电路的原理47-48
• 3.2.3 光电转换电路的仿真48-49
• 3.3 运算电路的设计49-52
• 3.3.1 加法电路的设计49-50
• 3.3.2 减法电路的设计50
• 3.3.3 运算电路的仿真50-52
• 3.4 优化算法的设计52-57
• 3.4.1 卡尔曼滤波算法52-55
• 3.4.2 跳变值压缩算法55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 测量系统的实验与分析58-76
• 4.1 引言58
• 4.2 光斑的测量实验58-61
• 4.3 电路的性能测试61-64
• 4.3.1 光电转换板的功能测试61-63
• 4.3.2 运算电路板的性能测试63-64
• 4.4 双光栅正入射系统的对准实验64-71
• 4.4.1 对准精度测量方案64-66
• 4.4.2 各级次衍射光的光斑检测66-68
• 4.4.3 基于卡尔曼滤波的对准实验68-70
• 4.4.4 基于跳变值压缩算法的对准实验70-71
• 4.5 基于激光干涉仪的对准评价实验71-74
• 4.6 影响对准精度的原因74-75
• 4.7 本章小结75-76
• 结论76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81

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本文编号：848122