基于構(gòu)造運(yùn)動光場的高精度直線時柵位移傳感器研究.pdf

1、精密位移測量是精密制造運(yùn)行過程中最關(guān)鍵的物理量測量，也是產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段。常見精密位移測量以光學(xué)測量為主，其中以激光干涉儀和光柵傳感器為最主要的兩種測量方式。激光干涉儀價格昂貴且對環(huán)境要求高，而高精度光柵對基礎(chǔ)設(shè)施、制造工藝要求高，并且國外對我國實行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國光學(xué)精密測量技術(shù)及設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于先進(jìn)技術(shù)水平?；诖耍疚脑趪易匀豢茖W(xué)基金的資助下開展了構(gòu)造運(yùn)動光場的直線時柵位移傳感器研究。利用國內(nèi)相對落后的光柵制作工藝和基

2、礎(chǔ)設(shè)施，研制一種可以媲美國外高精度光柵的位移傳感器。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　①將形式各異的位移測量方法，歸納成兩種主要的數(shù)學(xué)模型，并對其位移測量特征進(jìn)行分析；同時歸納總結(jié)了時柵位移測量的數(shù)學(xué)模型，并解釋了時柵以“時間戳”實現(xiàn)位移測量的本質(zhì)特征。
　　②從旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生原理出發(fā)，提出在光學(xué)領(lǐng)域?qū)鈴?qiáng)用精確的空間和時間調(diào)制，實現(xiàn)高精度運(yùn)動光場的構(gòu)建的方法。并設(shè)計一種光敏陣列直接調(diào)制的單柵式時柵傳感器樣機(jī)，用實驗驗證了這種利

3、用光強(qiáng)空間和時間調(diào)制實現(xiàn)位移測量方案的可行性。
　?、坶_展LED準(zhǔn)直光源設(shè)計、仿真和制作研究工作。根據(jù)LED點(diǎn)光源特征，結(jié)合仿真軟件對光源模型進(jìn)行仿真，并提出采用自由曲面準(zhǔn)直透鏡設(shè)計方法，對LED進(jìn)行二次配光設(shè)計。通過搭建3D仿真模型仿真、透鏡實際制作和光源效果測試，完成了四組出光角度±10°的準(zhǔn)直光源設(shè)計與制作。
　?、苎芯苛烁呔冗\(yùn)動光場產(chǎn)生及控制方法。主要包括傳感器透光面空間結(jié)構(gòu)設(shè)計、光源設(shè)計、高精度交變光場產(chǎn)生及高精

4、度光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計等，為如何獲取高精度運(yùn)動光場提供了依據(jù)。對最終合成運(yùn)動光場的性能，在兩種不同結(jié)構(gòu)的傳感器樣機(jī)上分別進(jìn)行了測試，驗證了以上控制方法的可行性。
　?、蓍_展了兩種結(jié)構(gòu)時柵傳感器的實驗研究工作，分別檢驗構(gòu)造運(yùn)動光場實現(xiàn)位移測量的實際效果和傳感器樣機(jī)的工作性能。對影響構(gòu)造運(yùn)動光場直線時柵傳感器系統(tǒng)的主要誤差源進(jìn)行了分析和計算，并提出硬件和直線插補(bǔ)的軟件相結(jié)合的誤差修正方法。實驗結(jié)果表明，在150mm量程范圍內(nèi)，四相透光式時

5、柵測量準(zhǔn)確度為±0.45μm，三相差動透光式時柵測量準(zhǔn)確度為±0.4μm。
　?、扪芯刻岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性的方法。對不同對極數(shù)、差動結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行對比測量，并提出遞推平均濾波的數(shù)字濾波方法，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實驗證明，采用差動結(jié)構(gòu)、多對極平均效應(yīng)、遞推平均算法等方法后，可以獲取一個高穩(wěn)定性的測量系統(tǒng)。
　　綜上所述，本文結(jié)合時柵測量原理，在光學(xué)領(lǐng)域提出用光強(qiáng)時空正交調(diào)制合成運(yùn)動光場實現(xiàn)精密位移測量的方法，基于此方法，設(shè)