基于条纹相移的光栅干涉仪定位系统超精密位移测量方法与实验研究

发布时间：2017-10-03 17:10

  本文关键词：基于条纹相移的光栅干涉仪定位系统超精密位移测量方法与实验研究

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【摘要】：精密定位技术作为精密制造和精密装备的基础,一直制约着我国精密制造和精密装备产业的发展。而纳米级的位移测量技术又是制约精密定位技术发展的一个重要原因。现代纳米级精密位移测量技术最主要的两个研究方向是激光干涉仪测长系统和精密光栅测长系统。相比而言,精密光栅测长系统在分辨力、测量精度和测量行程不输于激光干涉仪的条件下,对环境的要求更低、抗干扰能力更强、光路结构和机械结构更简单、安装条件更宽松、占用空间更小、成本低廉、更易于推广。国外对于精密光栅测长系统的研究已相当成熟并已实现批量生产,而我国则由于起步较晚,虽已有一定发展,但较之国外先进水平尚存在一定差距,因此,研究基于衍射光栅的纳米级位移测量系统意义重大。本文研究了一种基于光栅干涉相位移动扫描原理的纳米级位移测量系统。利用光栅干涉仪实现光学四倍频,再利用条纹移相机构实现信号的进一步细分,使得系统获得亚纳米级的分辨率。基于光栅干涉原理和相位扫描原理,提出了一种相位移动扫描的方法,并在此基础上设计搭建了具有亚纳米级分辨率的超精密定位测量系统。对精密定位系统的控制方法进行了研究,成功的将基于光栅干涉相位移动扫描的位移测量系统融入到精密定位系统中,提高其定位精度。根据定位过程,完成了精密定位系统上位机测控软件设计。整合光栅干涉测量系统、条纹移相系统、精密定位运动系统和信号生成及采集系统,搭建了基于条纹相移的光栅干涉仪精密定位实验平台,对位移测量系统各单元的性能进行了测试实验,并对精密定位平台的定位精度进行了测量实验,分析实验结果,评估系统性能参数。结果表明,论文所提出的基于光栅干涉相位移动扫描的位移测量系统达到了亚纳米级的测量分辨率,提高了精密定位平台的定位精度。
【关键词】：光栅干涉 相位移动扫描 纳米级测量系统
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.3;TH822
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 引言10
• 1.2 研究背景及意义10-13
• 1.2.1 精密定位的分类11-12
• 1.2.2 基于精密光栅的定位测量系统分类12-13
• 1.3 国内外大行程纳米级定位系统的研究现状13-19
• 1.4 国内外衍射光栅干涉测量系统的研究现状19-23
• 1.5 研究内容和结构安排23-26
• 1.5.1 课题来源及研究内容23-24
• 1.5.2 论文结构安排24-26
• 第二章 光栅干涉相位移动扫描位移测量机理26-35
• 2.1 概述26-27
• 2.2 光栅干涉相位移动扫描位移测量基本原理27-34
• 2.2.1 光栅衍射原理27-28
• 2.2.2 衍射光栅的多普勒效应28-29
• 2.2.3 光栅干涉原理29-31
• 2.2.4 相位扫描原理31-32
• 2.2.5 相位移动扫描原理32-34
• 2.3 本章小结34-35
• 第三章 基于干涉相位移动扫描的超精密定位测量系统35-46
• 3.1 引言35
• 3.2 光栅干涉测量系统的设计原则35-36
• 3.3 光栅干涉测量系统36-38
• 3.3.1 光源37-38
• 3.3.2 光电探测器38
• 3.4 条纹移相系统38-41
• 3.4.1 条纹移相装置38-39
• 3.4.2 条纹移相过程39-41
• 3.5 精密定位运动系统41-44
• 3.5.1 精密定位运动平台的选择41-42
• 3.5.2 运动控制器42-44
• 3.6 信号采集系统44-45
• 3.7 本章小结45-46
• 第四章 超精密定位控制系统设计及其测控软件实现46-64
• 4.1 控制系统设计46-51
• 4.1.1 控制任务分析46-47
• 4.1.2 控制方法选择47-48
• 4.1.3 经典PID控制原理48-49
• 4.1.4 增量式PID控制原理49-51
• 4.2 定位过程分析51
• 4.3 控制系统的软件实现51-58
• 4.3.1 VC++多线程52-56
• 4.3.2 基于MSComm控件编程的串口通信56-58
• 4.4 控制系统软件设计58-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第五章 基于光栅干涉相位移动扫描方法的超精密定位测量系统性能实验与误差分析64-77
• 5.1 引言64
• 5.2 精密定位实验台的搭建64-70
• 5.2.1 光栅干涉测量系统关键元件65-67
• 5.2.2 条纹移相系统关键元件67-68
• 5.2.3 精密定位运动系统关键元件68-70
• 5.3 精密定位系统实验研究70-74
• 5.3.1 光栅干涉测量系统功能测试实验70-71
• 5.3.2 条纹移相系统性能测试实验71-72
• 5.3.3 精密定位运动系统性能测试实验72-73
• 5.3.4 超精密位置测量系统性能测试实验73-74
• 5.4 实验结果与误差分析74-76
• 5.5 本章小结76-77
• 第六章 结论与展望77-79
• 6.1 全文总结77
• 6.2 创新点77-78
• 6.3 展望78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-83
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文83-85

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本文编号：965689