光栅莫尔条纹干涉计量及其应用研究

论文摘要

目前,以莫尔条纹技术为基础的光栅线性位移传感器发展十分迅速,光栅长度测量系统的分辨率达到纳米级,测量精度已达0.1um,已成为位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术。它的应用非常广泛,几乎渗透到社会科学中的各个领域,如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。本文首先详细阐述了莫尔条纹的形成机理,当计量光栅为粗光栅时,莫尔条纹形成机理用遮光阴影原理解释,当计量光栅为细光栅时,则用衍射干涉原理解释。然后系统介绍了基于莫尔条纹技术的光电测量仪器的设计原理,它由光栅读数头和对莫尔条纹信号进行处理的电子学部分组成,光栅读数头包括光栅副,光电接收元件,由光源和准直镜组成的照明系统,以及必要的光阑、接收狭缝、调整机构等。最后提出了基于光栅莫尔条纹干涉计量技术的一种新的应用,即把光栅线性位移传感器应用在数字读数显微镜上,数字读数显微镜包括光学系统、控制与显示系统、CCD摄像机与显示器四部分,其中,控制与显示系统是设计的核心模块,是基于FPGA技术实现的,它包括倍频鉴相模块、可逆计数模块、显示控制和显示接口模块。经过大量的理论研究和实践测试工作,我们已经把光栅莫尔条纹技术成功地应用在数字读数显微镜上,实现了对被测物体线性位移的精密测量,测量分辨率达到0.5um,测量精度达到±1um。设计中用CCD摄像头代替目镜可以避免传统的肉眼观察的不便。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究的内容
• 2 光栅的莫尔条纹理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 光栅莫尔条纹的特点
• 2.3 光栅莫尔条纹形成机理
• 2.3.1 遮光阴影原理
• 2.3.2 衍射干涉原理
• 2.4 实际应用中的莫尔条纹情况
• 2.5 光栅测量的原理、方案及特点
• 2.5.1 光栅测量原理
• 2.5.2 光栅测量方案
• 2.5.3 光栅测量的特点
• 2.6 本章小结
• 3 光栅读数头
• 3.1 引言
• 3.2 光栅读数头
• 3.2.1 幅度调制型读数头
• 3.2.2 相位调制型读数头
• 3.3 照明系统与接收元件
• 3.3.1 照明系统
• 3.3.2 光电接收元件
• 3.4 光栅副间隙的选取
• 3.4.1 小间隙下工作
• 3.4.2 大间隙下工作
• 3.4.3 如何选择光栅副间隙
• 3.5 本章小结
• 4 光电信号的处理和光栅测量仪器电路的设计
• 4.1 引言
• 4.2 电子细分对莫尔条纹光电信号质量的要求
• 4.2.1 正弦性
• 4.2.2 信号的等幅性和全行程信号幅值的一致性
• 4.2.3 正弦信号和余弦信号的正交性
• 4.2.4 稳定性
• 4.2.5 对比度
• 4.3 光电信号的处理
• 4.3.1 电平补偿
• 4.3.2 多线均差
• 4.3.3 相减处理
• 4.4 光栅测量仪器电路的设计
• 4.4.1 电路总框图
• 4.4.2 放大器电路模块
• 4.4.3 整形电路模块
• 4.4.4 基于FPGA 完成的电路模块
• 4.5 本章小结
• 5 光栅在精密计量技术中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 数字读数显微镜
• 5.2.1 光学系统
• 5.2.2 控制与显示系统
• 5.2.3 CCD 摄像机与显示器
• 5.2.4 仪器使用说明
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录