基于双频干涉的直线度及其位置测量方法研究

论文摘要

直线度误差作为重要的几何公差之一,直接影响到仪器或机器的质量、精度及性能,直线度的测量在精密仪器制造与检测、大型仪器的安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛的应用。现有的激光干涉类的直线度测量仪器实现了高精度的直线度测量,但很少给出直线度测量点的具体位置,给实际应用带来不便,为此,论文提出了基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法,旨在实现直线度及其位置的大范围、高精度测量。论文在对国内外高精度直线度测量方法及装置分析研究的基础上,设计了基于双频干涉原理的直线度及其位置测量系统的光路结构,并结合光路结构对测量方法进行了理论研究；研制了大小数同步计量及大小数有效整合的信号处理方法；基于可编程逻辑器件FPGA设计了相应的数据采集处理电路,实现了对测量信号的数据采集处理及与上位机的通讯；基于Visual Basic语言设计了相应的测量软件；最终设计并构建了一套可实现直线度及其位置测量的干涉仪系统。为验证本论文提出的测量方法及研制的测量系统的可行性,分别进行了以下实验：（1）研制系统的比对实验（与美国Agilent公司生产的直线度干涉仪,德国Physik Instrumente公司生产的M-521.DD线性导轨及PI-517.3CL型PZT驱动微位移运动工作台）。毫米级直线度及其位置测量比对实验：100mm测量范围内,步进距离为1mm,直线度偏差为0.16438μm,位移误差平均值为0.006μm,线性拟合度优于0.999；微米级的比对实验：5μm测量范围内,步进距离为0.1μm,直线度偏差为0.18nm,位移误差平均值为1.09nm,线性拟合度优于0.999；纳米级的比对实验：500nm测量范围内,步进距离为10nm,直线度偏差为1.05nm,位移误差平均值为2.43nm,线性拟合度为0.998；（2）研制的信号处理系统的相位测试实验：分别以100°,10°,5°为步进间隔进行相位测量,实验结果表明线性拟合度优于0.999。（3）研制的信号处理系统的直线度测试实验：20mm测量范围内,步进距离1mm,直线度偏差为0.1μm,位移误差平均值为1.3μm,位移线性拟合度优于0.999；50μm测量范围内,步进距离1μm,直线度偏差为0.05μm,位移误差平均值为0.054μm,位移线性拟合度优于0.999。实验结果表明了所研制的基于双频干涉原理的直线度及其位置测量系统可实现直线度及其位置的大范围、高精度测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 综述
• 1.1 直线度测量的国内外研究现状
• 1.1.1 非激光类的直线度测量方法
• 1.1.2 激光类的直线度测量方法
• 1.2 论文的研究意义
• 1.3 论文的组织结构及研究思路
• 第二章 方案设计及理论分析
• 2.1 本章概述
• 2.2 方案设计
• 2.2.1 光路结构的初步设计
• 2.2.2 光路结构的优化设计
• 2.3 测量原理及分析
• 2.4 光学元件的选择
• 2.4.1 激光器
• 2.4.2 分光器
• 2.4.3 反射镜
• 2.5 关键技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 信号处理方法
• 3.1 本章概述
• 3.2 信号处理系统方案设计
• 3.3 外差干涉的数字信号处理方法
• 3.3.1 边沿触发器型鉴相法
• 3.3.2 双向差动触发器型鉴相法
• 3.4 信号处理方法及实现
• 3.4.1 小数计数
• 3.4.2 大数计数
• 3.4.3 大小数整合
• 3.5 硬件电路设计
• 3.5.1 FPGA及其配置电路
• 3.5.2 信号预处理电路
• 3.5.3 电源电路
• 3.5.4 时钟电路
• 3.5.5 复位电路
• 3.5.6 串口传输电路
• 3.5.7 硬件电路实物图
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验测试与分析
• 4.1 本章概述
• 4.2 比对实验
• 4.2.1 毫米级实验
• 4.2.2 微米级实验
• 4.2.3 纳米级实验
• 4.3 信号处理测试实验
• 4.3.1 100°步进实验
• 4.3.2 10°步进实验
• 4.3.3 5°步进实验
• 4.4 系统实验
• 4.4.1 毫米级实验
• 4.4.2 微米级实验
• 4.5 误差分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文的创新点
• 5.2 论文完成的具体工作
• 5.3 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果
• 附录一
• 附录二
• 附录三
• 附录四