基于衍射光柵的高精度位移測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,微電子制造工業(yè)、納米技術(shù)以及MEMS等技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展,而這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須以精密的測量技術(shù)作為基礎(chǔ)。在眾多的測量方法中,光學(xué)測量方法以其高精度、非接觸、寬動態(tài)范圍和易于數(shù)字化的特點(diǎn)而顯示出特有的優(yōu)勢。其中,基于光柵的位移測量系統(tǒng)以光柵柵距作為測量基準(zhǔn),具有對光源的穩(wěn)頻要求不高,光路結(jié)構(gòu)簡單,體積小等優(yōu)勢,能在超精密加工中勝任高分辨率、高速度、大量程的位移測量任務(wù)。在此技術(shù)上國外已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的能力,而

2、我國與之相比還存在一定的差距。研究出高分辨力、高測速的光柵位移測量系統(tǒng)有其重要的意義。
　　本文首先研究了莫爾條紋的分析理論、多普勒頻移理論、衍射光干涉理論和偏振光學(xué)理論。依據(jù)這些理論設(shè)計(jì)并搭建了基于衍射光柵的位移測量光路系統(tǒng),完成了該系統(tǒng)基于瓊斯矩陣的理論推導(dǎo)。與常見光路相比,該光路系統(tǒng)使用較少的光學(xué)器件,即能夠進(jìn)行光學(xué)四細(xì)分。此外,光路應(yīng)用偏振光學(xué)的特性,合理分離測量光和雜散光,抗干擾能力強(qiáng)。其次,對光柵位移測量系統(tǒng)的各種信號

3、處理方法進(jìn)行了分析和研究,其中著重研究了電子學(xué)細(xì)分方法,提出了適用于高速位移信號測量的辨向和細(xì)分算法。再次,完成了測量系統(tǒng)的信號處理硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)光柵測量的常見誤差,設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路,經(jīng)過調(diào)理電路后,可以有效補(bǔ)償光信號的不等幅誤差和非正交誤差。設(shè)計(jì)了基于FPGA和DSP的信號采集與處理電路,完成了系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計(jì),可控制高速A/D對信號進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)位移計(jì)算方法以及與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。此外,設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)顯示