高精度二维平面光栅测量系统及关键技术研究

论文摘要

测量技术与国民经济的各个部门、科学技术各个领域的发展都有着十分密切的联系。现代科学技术的飞速发展,特别是信息技术、MEMS技术、纳米技术、航空航天技术的发展,对测量技术提出愈来愈高的要求,促使精密测试计量技术不断涌现新理论、新技术和新方法,大大提高了测试计量仪器的精度和效率,为科学技术的进步提供了有力的保障。在精密机械、电子以及微机电系统等产业中,精密制造技术的要求已经转化为对精密测量和定位的强烈要求。现代测量系统无论是坐标测量机还是精密数控加工中心,都需要对系统工作台的二维方向进行精确测量与定位。对于应用最多的二维平面微位移测量系统,通常在二维方向上分别采用一维测量装置在测量平面上装夹定位来实现,装夹定位的精度对二维平面运动的测量影响很大,安装定位时往往造成阿贝误差降低测量结果的精度,同时这种测量方法组成的测量系统占据较大的空间,对于一些小空间测量造成困难,给测量带来不便。在微位移测量方法中,光栅测量技术具有精度高、量程大、对测量环境要求相对较低等优点而广泛应用,特别是近年来光栅测量系统向纳米级精度发展,为光栅的在高精度测量应用中提供了广阔的应用前景。二维光栅测量技术具备一维光栅测量的优点,可同时对两个方向的平面微位移进行测量,并且可以实现较为紧凑的结构,为高精度二维平面测量提供了一种解决的方法,因此对二维光栅在精密测量应用中的研究是具有现实意义。 本课题受到河南省杰出青年基金项目:“激光—全息光栅小孔传感器中的关键技术研究(02120001500)”的资助,对利用单二维光栅与单光源的平面微位移测量方法以及测量系统进行了系统地研究,这种方法为解决小空间平面微位移测量提供了一种切实可行的办法,单光源和单二维平面光栅组成的测量系统在应用中易于定位,对测量环境要求相对不高,同时这种测量系统输出方波或者脉冲信号可以用来对平面位置的实时控制,为现代工业技术中精确定位提供一种紧凑的测量系统。 本论文主要对二维平面光栅在平面位移测量系统及其关键技术进行了理论和实验研究,论文的主要内容和工作包括: (1)对单平面二维光栅测量平面位移的理论进行研究。分析了二维平面光栅衍射场的分布规律,推导了二维光栅方程;基于波动光学、多普勒分析以及傅立叶光学的方法推导了二维光栅平面微位移测量的基本原理;并对二维光栅测量系统中主要光学元件对测量信号的影响进行了理论分析。 (2)基于平面二维光栅微位移测量理论的分析,研制了具有纳米分辨率的平面二维光栅实验测量系统。结合二维光栅测量系统的特点,为获得质量较好的莫尔条纹信号,降低测量系统对光栅平面运动误差的敏感性,增强系统适应性,对二维平面光栅测量系统的检测光路和光电接收电路进行实验分析,并在基于对二维光栅测量系统分析的基础上进行了实验研究。 (3)对平面二维光栅测量系统的信号处理方法进行了研究,提出基于BP神经网络的光栅信号细分方法。这种测量方法针对二维光栅测量信号的特点,这种细分方法对信号的调整精度降低了要求,当测量系统改变时,可以实现细分模型的软件自动化处理。BP神经

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 二维精密测量系统概述
• 1.2 光栅测量系统发展现状及趋势
• 1.2.1 光栅
• 1.2.2 光栅位移测量技术概述
• 1.2.3 莫尔条纹细分技术
• 1.2.4 光栅测量系统国内外研究状况
• 1.3 课题研究的来源、目的及内容
• 第二章 二维平面光栅位移测量的基本理论
• 2.1 二维光栅的衍射特性分析
• 2.1.1 二维反射光栅的衍射特性分析
• 2.1.2 二维光栅的衍射方程
• 2.2 二维光栅位移测量的基本原理
• 2.2.1 光程差分析法
• 2.2.2 激光多普勒分析法
• 2.3 光源和光学镜片对测量的影响
• 2.3.1 理论基础
• 2.3.2 分光光束能量分析
• 2.4 小结
• 第三章 二维平面光栅测量系统分析与设计
• 3.1 系统结构组成
• 3.2 莫尔条纹信号分析
• 3.2.1 激光光束对干涉信号的影响
• 3.2.2 导轨运动误差对莫尔条纹的影响
• 3.2.3 莫尔条纹的空间分布
• 3.3 光栅定位对莫尔条纹的影响
• 3.4 光路设计
• 3.3.1 光栅的选取
• 3.3.2 测量光路的设计
• 3.3.3 干涉检测光路设计
• 3.3.4 其他光学元件
• 3.5 激光光源分析
• 3.5.1 激光二极管
• 3.5.2 温度的影啊
• 3.5.3 半导体激光器的稳频
• 3.5.4 半导体激光器输出的光学准直
• 3.6 信号检测系统设计
• 3.6.1 光电检测元件
• 3.6.2 光电检测电路
• 3.7 系统实验
• 3.8 小结
• 第四章 二维平面光栅测量系统信号处理技术
• 4.1 光栅信号细分方法概述
• 4.1.1 常用细分方法比较
• 4.1.2 二维光栅测量信号计数细分技术
• 4.2 基于BP神经网络的二维光栅信号细分方法
• 4.2.1 二维光栅测量系统的计数细分系统
• 4.2.2 正交信号零漂的消除
• 4.2.3 基于BP网络的光栅细分技术
• 4.3 二维光栅信号细分的实验研究
• 4.3.1 大周期计数
• 4.3.2 神经网络细分
• 4.4 小结
• 第五章 二维平面光栅测量系统精度实验
• 5.1 测量系统的误差来源分析
• 5.2 光源误差分析
• 5.2.1 激光波长波动引入的误差分析
• 5.2.2 光源其他特性对测量的影响
• 5.2.3 减小光源误差源途径
• 5.3 二维光栅带来的误差
• 5.3.1 光栅的刻划误差
• 5.3.2 光栅基坯缺陷及尺面质量
• 5.3.3 减小光栅误差影响方法
• 5.4 光路结构误差分析
• 5.4.1 光栅在X、Y轴定位误差
• 5.4.2 光栅平面在Z轴的定位误差
• 5.4.4 减小光栅定位误差影响方法
• 5.5 电路误差分析
• 5.5.1 光电转换误差
• 5.5.2 计数细分误差
• 5.6 测量环境误差影响分析
• 5.6.1 温度影响
• 5.6.2 振动及空气扰动的影响
• 5.6.3 减小测量环境误差途径
• 5.7 二维光栅测量系统精度实验
• 5.7.1 测量系统精度评估
• 5.7.2 测量系统精度实验
• 5.8 小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文