漂移量靶标反馈激光自准直系统关键技术

论文摘要

随着超精密加工、微电子、微光学、微机械集成制造和空间探测等技术的迅速发展,对超精密工作台的小角度测量精度和稳定性提出了更高的要求。传统的激光CCD自准直仪只能满足一般精度的角度测量问题,对于超精密工作台的小角度测量,则由于激光光束角漂移量的影响,使得测量精度难以提高。因此,开发和研制一种高精度高稳定性的超精密激光自准直测量系统迫在眉睫。课题“漂移量靶标反馈激光自准直系统关键技术”,目的就是探讨研究一种高稳定性的超精密激光自准直小角度测量方法,所涉及到的理论、方法以及若干关键技术,具体如下:从漂移量产生的机理入手,分析了各种漂移之间的内在联系以及对自准直测量的影响。在此基础上,提出了一种基于闭环反馈控制思想的激光CCD自准直小角度测量方法。利用分光式靶标探测器实现激光束角漂移量的实时分离,结合闭环反馈控制技术可实现高稳定性高精度小角度测量。对构成系统的自准直光学测量系统、分光式靶标探测器、角漂移量监测装置以及微转角工作台闭环控制系统等组成部分的特性进行了研究。研制了基于四象限光电探测器的光电检测电路,用于光束角漂移的实时监测;设计的柔性铰链微转角工作台,实现了压电陶瓷驱动器线位移向柔性铰链角位移的转换;通过完成系统辨识及参数整定获取增量式PID控制算法的控制参数,并且在Visual C++环境下完成包括光电信号采集及处理程序、压电陶瓷驱动程序、PID控制算法子程序等的系统软件开发。论文最后,对系统的各个主要组成部分进行了性能测试和实验研究,测试和分析了压电陶瓷驱动电源的静态稳定性,电压分辨率以及输出线性特性;测试和分析了柔性微转角工作台的迟滞和非线性。用双频激光干涉仪对测量系统的测量稳定性以及测量精度分别进行了比对实验。论文结尾,对自准直系统的测量不确定度进行了简要分析。实验结果表明,系统的稳定性由控制前的0.23″提高到0.14″,测量精度由控制前的0.24″提高到0.16″。充分验证了其正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外相关研究的发展与现状
• 1.2.1 国外光电自准直技术发展现状
• 1.2.2 我国光电自准直技术发展现状
• 1.3 光电自准直技术的主要技术难题
• 1.3.1 激光光束的平行漂移和角漂移
• 1.3.2 激光束漂移量反馈控制方法
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 靶标反馈激光自准直原理
• 2.1 引言
• 2.2 激光束漂移量分类及产生机理
• 2.2.1 激光器自身热漂移
• 2.2.2 空气折射率变化引起的光束漂移
• 2.2.3 大气随机扰动引起的光束漂移
• 2.3 漂移量靶标反馈激光自准直系统整体结构
• 2.3.1 自准直光学测量基本原理
• 2.3.2 分光式靶标探测器角度分离原理
• 2.3.3 自准直闭环控制系统组成及测量原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 自准直系统关键技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 角漂移量监测装置
• 3.2.1 光电检测原理
• 3.2.2 光电检测电路设计
• 3.3 柔性铰链微动工作台设计
• 3.3.1 柔性铰链工作原理
• 3.3.2 柔性铰链参数设计
• 3.4 压电陶瓷特性分析
• 3.5 柔性微转角工作台闭环控制系统研究
• 3.6 控制系统中的软件实现
• 3.6.1 ADDA转换模块与QPD数据处理程序
• 3.6.2 压电陶瓷驱动程序
• 3.6.3 PID闭环控制算法子程序
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统性能测试及不确定度分析
• 4.1 引言
• 4.2 系统各组成部分性能测试
• 4.2.1 压电陶瓷驱动电源性能实验
• 4.2.2 柔性微转角工作台性能实验
• 4.3 自准直系统综合实验
• 4.3.1 自准直系统稳定性实验
• 4.3.2 自准直系统的测量分辨力
• 4.3.3 自准直系统测量精度实验
• 4.4 自准直系统不确定度分析
• 4.4.1 圆孔目标安装偏差引入的不确定度分量
• 4.4.2 CCD安装偏差引入的不确定度分量
• 4.4.3 图像亚像素定位偏差引入的不确定度分量
• 4.4.4 驱动电源DA转换引入的不确定度分量
• 4.4.5 分光式靶标探测器变形引入的不确定度分量
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢