大行程纳米分辨力光栅位移测量系统研究

发布时间：2017-10-09 02:23

  本文关键词：大行程纳米分辨力光栅位移测量系统研究

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【摘要】：随着科技的进步,纳米测量技术在大多数领域得到蓬勃发展。位移是最基本物理量之一,而现代精密位移测量技术的两个主要手段是激光干涉测量和光栅计量。相较于激光干涉测量,光栅计量不易受环境干扰、成本较低、易于小型化,因此得到广泛地研究和应用。虽然国内外对于计量光栅的研究与应用已经相当成熟且已批量生产,但其测量分辨力较低,因此研究高分辨力的光栅位移测量系统具有重要意义。本研究利用光栅位移传感器作为核心元件,采用了数字滤波的方式减小了信号的噪声,配合软硬件综合的细分方法,搭建了一个高分辨力、高稳定性的位移测量系统。主要完成了以下工作：(1)根据课题所要实现的目标,设计承载光栅尺、电机、导轨的机械结构；(2)设计信号调理电路,包括差分放大、消除直流、归一化处理、滤波等模块,从而得到信噪比较高的两路正交的正余弦信号；(3)确定细分方法为软硬件结合的方法,设计相应的脉冲计数电路,并结合数据采集卡编写位移测量程序,并采用数字滤波算法滤除输出信号的噪声,进一步提高了系统的分辨力；(4)搭建实验系统,对其进行各项性能测试,并对其在全程范围内进行误差补偿。实验结果证明：大行程纳米光栅位移测量系统在测量行程220mm以内,测量分辨力达亚纳米量级,60min内其稳定性可保持在纳米级,经误差补偿后在测量行程内其测量误差可保持在士0.5μm以内。
【关键词】：光栅 纳米 分辨力 稳定性 大行程
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH822
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 课题研究背景及意义15-16
• 1.2 光栅测长技术概述16-18
• 1.2.1 光栅尺的特点16-17
• 1.2.2 光栅测长技术的基本原理17-18
• 1.3 光栅测长技术的研究进展18-23
• 1.3.1 国外研究现状18-21
• 1.3.2 国内研究现状21-23
• 1.4 课题来源及主要研究内容23-25
• 1.4.1 课题来源23-24
• 1.4.2 研究内容24-25
• 2 纳米光栅测长系统测量原理25-34
• 2.1 引言25
• 2.2 弦波信号的细分技术25-29
• 2.3 纳米光栅位移测量原理29-31
• 2.4 弦波信号的处理方法31-33
• 2.4.1 基于Heydemann法的信号调理方法31-32
• 2.4.2 数字滤波算法32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 3 系统方案与结构设计34-39
• 3.1 引言34
• 3.2 整体方案设计34-35
• 3.3 关键元件选取35-36
• 3.3.1 光栅尺35
• 3.3.2 导轨35-36
• 3.4 机械结构设计36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 光栅信号处理的软硬件设计39-53
• 4.1 引言39
• 4.2 信号调理电路设计与实验分析39-43
• 4.2.1 差分放大电路40
• 4.2.2 正交化电路40-42
• 4.2.3 归一化电路42-43
• 4.2.4 实验分析43
• 4.3 位移测量硬件基础43-47
• 4.3.1 脉冲计数电路43-45
• 4.3.2 数据采集卡45
• 4.3.3 PCB设计45-47
• 4.4 位移测量系统软件设计47-51
• 4.4.1 采集卡参数测试47-48
• 4.4.2 数字滤波方式48-49
• 4.4.3 程序设计49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 5 系统性能测试及误差分析53-62
• 5.1 引言53
• 5.2 测量系统性能测试及对比实验53-57
• 5.2.1 单点往返测试53-54
• 5.2.2 不同滤波方式结果比较54-55
• 5.2.3 漂移测试55-56
• 5.2.4 导轨全程位移比对测试56-57
• 5.3 主要误差源分析及补偿57-61
• 5.3.1 要误差源分析57-60
• 5.3.2 误差补偿60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6 总结与展望62-63
• 6.1 研究总结62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士期间研究成果66

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本文编号：997637