大行程納米測(cè)量機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、本文所研究的納米測(cè)量機(jī)主要由納米微位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和納米測(cè)量控制系統(tǒng)兩部分組成，其中納米微位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括納米級(jí)步距壓電微動(dòng)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源;納米測(cè)量控制系統(tǒng)包括8倍頻耦合差動(dòng)式激光干涉系統(tǒng)、光電信號(hào)調(diào)理電路及信號(hào)處理系統(tǒng)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下: 1、壓電微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究 采用基于尺蠖運(yùn)動(dòng)原理的納米級(jí)步距壓電微動(dòng)臺(tái)作為納米定位機(jī)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，變傳統(tǒng)的單驅(qū)動(dòng)器為雙驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，選取平臺(tái)式結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其實(shí)用

2、性并盡可能減小外形尺寸，根據(jù)新穎的推-拉接力運(yùn)動(dòng)原理，配以適當(dāng)?shù)乃穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了壓電微動(dòng)臺(tái)的連續(xù)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。在壓電材料的選擇上進(jìn)行了比較論證，提出了加工精度、配合間隙、絕緣技術(shù)等對(duì)壓電微動(dòng)臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 2、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)研究 以C8051F系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了壓電微動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，為壓電微動(dòng)臺(tái)提供四路具有一定相位差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免了微動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的懸空狀態(tài)，也保證了壓電微動(dòng)臺(tái)在不同頻

3、率和電壓下進(jìn)行工作，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。分析了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的作用原理，根據(jù)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)要求，采用直接穩(wěn)壓和直流放大式原理實(shí)現(xiàn)了具體電路，并對(duì)該電源進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測(cè)試。 3、8倍頻耦合差動(dòng)式激光干涉系統(tǒng)的研究 根據(jù)干涉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想，提出了一套新穎的8倍頻耦合差動(dòng)式激光干涉系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)潔緊湊、光路布局對(duì)稱性好、光程差倍增、符合阿貝原則和結(jié)構(gòu)變形最小原則，不存在死光程及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，和

4、普通的邁克爾遜干涉儀相比，該系統(tǒng)擁有更高的分辨率和穩(wěn)定性。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中各光學(xué)元件的特性參數(shù)，指出了光路調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)整個(gè)納米級(jí)精度激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)的精度進(jìn)行分析，指出影響系統(tǒng)精度的誤差源，并提出減小或補(bǔ)償相應(yīng)誤差的方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行估算。 4、干涉信號(hào)處理系統(tǒng)的研究 針對(duì)干涉信號(hào)中存在的非正交誤差、不等幅誤差、直流電平誤差(簡(jiǎn)稱三差)以及這三種誤差對(duì)細(xì)分精度的影響進(jìn)行了分析，并利用

5、以Heydemann模型為基礎(chǔ)的修正方法完成了對(duì)以上三種誤差的補(bǔ)償，從而保證了細(xì)分精度;根據(jù)多點(diǎn)擬合三差的原理，針對(duì)干涉儀的使用特點(diǎn)，提出了減小三差擬合運(yùn)算的新算法，大大加快了運(yùn)算速度;設(shè)計(jì)了以C8051F系列單片機(jī)為核心的硬件電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及位移量的計(jì)算。 5、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)部分:第一部分包括壓電微動(dòng)臺(tái)平均步距測(cè)試及閉環(huán)控制測(cè)試等，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行必要分析;第二部分采用比對(duì)的方法