高精度衍射光柵干涉位移傳感器及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、由于高精密制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微小器件的尺寸不斷被突破，達(dá)到微米級甚至是納米級。因此精密定位測量技術(shù)也必須不斷提升。目前工業(yè)上大量應(yīng)用的有He-Ne激光干涉儀高精度位移測量系統(tǒng)。但是其價格昂貴、操作復(fù)雜，同時其測量精度受環(huán)境影響非常大。
　　對于車間中機(jī)床用測量系統(tǒng)，基于光柵干涉測量具有一些特別的優(yōu)點(diǎn)，因此國際上有一些生產(chǎn)和研究衍射光柵干涉測量系統(tǒng)的廠家和研究機(jī)構(gòu)，其成果也層出不窮，但是在國內(nèi)，目前對該技術(shù)的研究仍處在起步階段，工

2、廠和車間仍是靠購買國外的測量系統(tǒng)來滿足需求，價格昂貴，維修周期長；或者僅對系統(tǒng)后期處理電路進(jìn)行研究。所以研究一整套高精度機(jī)床用光柵干涉測量系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)意義。同時該種測量系統(tǒng)同樣適用于高精度的測量設(shè)備中，如納米級坐標(biāo)測量機(jī)等等。
　　因此，本文針對高精度光柵干涉位移測量系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究的內(nèi)容和取得成果如下：
　　1、提出一種基于激光二極管的高精度衍射光柵位移傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光二極管作為光源，降

3、低了成本同時提高了使用壽命，利用光柵柵距作為測量基準(zhǔn)，減少環(huán)境對測量結(jié)果的影響。
　　2、分析了光柵測量元件的特性，包括衍射光束的衍射次數(shù)和衍射級數(shù)分析，重點(diǎn)對光柵的衍射效率進(jìn)行計(jì)算，其中包括光柵形貌(如光柵柵形和表面粗糙度等)對衍射效率的影響。利用標(biāo)量和矢量衍射理論，分別對低線數(shù)和高線數(shù)衍射光柵的衍射效率計(jì)算，主要針對矩形和梯形光柵的衍射效率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，包括考慮實(shí)際情況中光柵存在一定表面粗糙度衍射效率的計(jì)算，通過模擬，討論參數(shù)

4、光柵槽形和槽深對衍射效率的影響。為光柵的刻制提供了依據(jù)。
　　3、對本設(shè)計(jì)方案的誤差源進(jìn)行分析，誤差源包括自身的干擾和外部的擾動。自身干擾包括主要是光路結(jié)構(gòu)誤差和電路誤差，光路結(jié)構(gòu)誤差包括光柵引入的誤差和光源引入的誤差等，電路誤差主要是光電轉(zhuǎn)換誤差和計(jì)數(shù)細(xì)分誤差。外部的擾動包括環(huán)境的誤差和光柵導(dǎo)軌直線度誤差。鑒于本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電路處理方法，降低了對自身干擾和外部干擾的敏感度，對其中影響較大的導(dǎo)軌的直線度誤差重點(diǎn)進(jìn)行了分析和計(jì)算，并

5、對其中一項(xiàng)影響最大的光柵俯仰誤差，采用了修正的方法，從而大大提高了系統(tǒng)的精度，經(jīng)過修正后，系統(tǒng)的最大定位誤差由±80nm降到±30nm。
　　4、對光柵干涉測量系統(tǒng)的信號高精度處理方法進(jìn)行研究，其中包括電路的設(shè)計(jì)，高精度弦波計(jì)數(shù)細(xì)分方法，采用方波信號過零觸發(fā)上升沿計(jì)數(shù)和辨向方法，細(xì)分采用高精度的弦波信號反正切方法，降低了對兩路信號幅值完全相同的要求。針對電路部分，還專門設(shè)計(jì)了一種光柵光電信號測試裝置用來測試電路的可靠性和實(shí)用性。<

6、br>　　5、最后做了一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，包括位移測量實(shí)驗(yàn)，小步距和長行程實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)和高頻噪聲測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)滿足測量要求。
　　本文取得的主要創(chuàng)新點(diǎn)為：
　　1、設(shè)計(jì)了一套高精度衍射光柵干涉位移傳感器系統(tǒng)，主要適用于高檔數(shù)控機(jī)床，其定位精度可以達(dá)到±20nm。
　　2、分析了測量元件--衍射光柵的特性，主要包括光柵形貌對光柵的衍射效率影響，針對高線數(shù)和低線數(shù)光柵分別采用了標(biāo)量和矢量的衍射理論進(jìn)行了衍射效率計(jì)算