高精度衍射光柵干涉位移傳感器及關鍵技術研究.pdf

1、由于高精密制造技術的飛速發(fā)展，微小器件的尺寸不斷被突破，達到微米級甚至是納米級。因此精密定位測量技術也必須不斷提升。目前工業(yè)上大量應用的有He-Ne激光干涉儀高精度位移測量系統(tǒng)。但是其價格昂貴、操作復雜，同時其測量精度受環(huán)境影響非常大。
　　對于車間中機床用測量系統(tǒng)，基于光柵干涉測量具有一些特別的優(yōu)點，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)的廠家和研究機構(gòu)，其成果也層出不窮，但是在國內(nèi)，目前對該技術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)后期處理電路進行研究。所以研究一整套高精度機床用光柵干涉測量系統(tǒng)具有深遠意義。同時該種測量系統(tǒng)同樣適用于高精度的測量設備中，如納米級坐標測量機等等。
　　因此，本文針對高精度光柵干涉位移測量系統(tǒng)和關鍵技術進行理論和實驗研究。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，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，重點對光柵的衍射效率進行計算，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算，主要針對矩形和梯形光柵的衍射效率進行數(shù)值計算，包括考慮實際情況中光柵存在一定表面粗糙度衍射效率的計算，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、對本設計方案的誤差源進行分析，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)換誤差和計數(shù)細分誤差。外部的擾動包括環(huán)境的誤差和光柵導軌直線度誤差。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軌的直線度誤差重點進行了分析和計算，并

5、對其中一項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行研究，其中包括電路的設計，高精度弦波計數(shù)細分方法，采用方波信號過零觸發(fā)上升沿計數(shù)和辨向方法，細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，還專門設計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用性。<

6、br>　　5、最后做了一系列驗證試驗，包括位移測量實驗，小步距和長行程實驗，穩(wěn)定度實驗和高頻噪聲測試實驗，驗證了該系統(tǒng)滿足測量要求。
　　本文取得的主要創(chuàng)新點為：
　　1、設計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)控機床，其定位精度可以達到±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)光柵分別采用了標量和矢量的衍射理論進行了衍射效率計算