新型光場式時(shí)柵位移傳感器原理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、精密測量技術(shù)水平體現(xiàn)了一個國家的綜合實(shí)力和技術(shù)水平，制造技術(shù)的發(fā)展、軍工裝備的提升和高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展等都依賴于精密測量技術(shù)的發(fā)展水平。在眾多精密位移測量方法中，光學(xué)測量以其高精度、大量程、高可靠性等優(yōu)勢占據(jù)絕對主導(dǎo)的地位，其中又以激光干涉儀和光柵傳感器應(yīng)用最為廣泛。然而，由于傳統(tǒng)光學(xué)精密測量傳感器的制造設(shè)備價(jià)格極其昂貴，并且國外對我國嚴(yán)格封鎖，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。
　　作者所在課題組研制出了一種以

2、時(shí)間脈沖為測量基準(zhǔn)的位移傳感器，發(fā)明并命名了一種新型位移傳感器——時(shí)柵。經(jīng)過十幾年的發(fā)展歷程，前期研究的磁場式時(shí)柵已經(jīng)取得了有目共睹的成績。然而隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的深入推廣，現(xiàn)有磁場式時(shí)柵因?yàn)槭茈姶鸥袘?yīng)原理、及自感、互感等因素的影響，在測量精度和動態(tài)特性上都難以進(jìn)一步提高，促使時(shí)柵研究工作向某些性能更優(yōu)的光場方向延伸。
　　在此背景下，本文延續(xù)前期時(shí)柵傳感器的研究基礎(chǔ)，開展新型光場式時(shí)柵傳感器研究，試圖在光學(xué)領(lǐng)域通過構(gòu)建運(yùn)動坐標(biāo)系的方

3、法，實(shí)現(xiàn)時(shí)間對空間位移的測量，以降低傳感器制造難度和加工成本。主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?、購臏y量基準(zhǔn)時(shí)空轉(zhuǎn)換理論出發(fā)，闡述了光場式時(shí)柵位移測量的關(guān)鍵是構(gòu)建一種光場勻速掃描的運(yùn)動坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的總結(jié)了實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動的三種方式為機(jī)械運(yùn)動、構(gòu)造行波和自然行波。并將人為構(gòu)造的空間場強(qiáng)周期性變化的運(yùn)動方式定義為構(gòu)造行波。對比分析了自然行波與構(gòu)造行波的產(chǎn)生機(jī)理、特點(diǎn)和在位移測量中的應(yīng)用。
　　②從光的波粒二象性的本質(zhì)出發(fā)

4、，創(chuàng)新性的提出了實(shí)現(xiàn)光場式時(shí)柵的三種測量方法并對其傳感機(jī)理展開研究：
　　1)分析了以電機(jī)驅(qū)動和光敏單元時(shí)序驅(qū)動的掃描方式，在光場強(qiáng)度恒定的情況下，實(shí)現(xiàn)光場勻速掃描的靜態(tài)光場式時(shí)柵傳感機(jī)理；
　　2)分析了以光強(qiáng)正交調(diào)制，構(gòu)造空間周期性變化的運(yùn)動光場掃描方式，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造行波勻速掃描的動態(tài)光場式時(shí)柵傳感機(jī)理；
　　3)分析了以低頻差圓偏振干涉方法合成旋轉(zhuǎn)光場的掃描方式，實(shí)現(xiàn)自然行波勻速掃描的另一種動態(tài)光場式時(shí)柵傳感機(jī)理。<

5、br>　?、劾镁€陣CCD內(nèi)部集成的高精度光敏陣列單元，結(jié)合靜態(tài)光場式時(shí)柵測量原理，提出一種空間均勻分布，時(shí)序相互錯開的CCD勻速掃描的測量方式；設(shè)計(jì)了一種基于線陣CCD的靜態(tài)光場式時(shí)柵傳感器。并開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了整周±5"的測量精度。
　?、茉O(shè)計(jì)了兩種動態(tài)光場式時(shí)柵傳感器，分別為：光場耦合的動態(tài)光場式時(shí)柵和差頻干涉的動態(tài)光場式時(shí)柵，并重點(diǎn)介紹了光場耦合式時(shí)柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等。
　?、菀怨鈭鲴詈系膭?/p>

6、態(tài)光場式時(shí)柵為例，研制了首個動態(tài)光場式時(shí)柵線性位移傳感器樣機(jī)，搭建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。研究了影響光場構(gòu)造行波勻速性的各種因素，分析了各種因素給測量結(jié)果帶來的影響，探索出了一套實(shí)現(xiàn)高精度測量的實(shí)驗(yàn)方法。所研制的動態(tài)光場式時(shí)柵原理樣機(jī)，在54mm測量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了±0.5μm的測量精度。
　　綜上所述，本文在對時(shí)柵位移傳感器運(yùn)動坐標(biāo)系構(gòu)建方法的深入剖析的基礎(chǔ)上，從易到難，從簡單到復(fù)雜，從低級到高級，探索出了三種不同級別的運(yùn)動掃描方式，分別

7、為機(jī)械掃描、光場構(gòu)造行波和自然行波合成三種實(shí)現(xiàn)方法。并詳細(xì)分析了三種方法的時(shí)柵測量傳感機(jī)理。分別研制了“CCD時(shí)柵”和“光場耦合式時(shí)柵”兩種傳感器樣機(jī)，開展了大量實(shí)驗(yàn)研究。本課題是剛獲批的國家重點(diǎn)基金項(xiàng)目―大量程納米時(shí)柵傳感測量原理及器件基礎(chǔ)研究‖（項(xiàng)目編號：51435002）的一項(xiàng)重點(diǎn)研究內(nèi)容，屬于預(yù)研性質(zhì)的原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究，其研究內(nèi)容無論對于傳統(tǒng)的光學(xué)位移測量還是新型時(shí)柵位移測量，都是一個全新的探索過程，可借鑒的資料很少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果已驗(yàn)