基于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)的高精度直線時(shí)柵位移傳感器研究.pdf

1、精密位移測(cè)量是精密制造運(yùn)行過程中最關(guān)鍵的物理量測(cè)量，也是產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段。常見精密位移測(cè)量以光學(xué)測(cè)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(cè)量方式。激光干涉儀價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境要求高，而高精度光柵對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、制造工藝要求高，并且國(guó)外對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國(guó)光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)及設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于先進(jìn)技術(shù)水平?；诖?，本文在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下開展了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)的直線時(shí)柵位移傳感器研究。利用國(guó)內(nèi)相對(duì)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(guó)外高精度光柵的位移傳感器。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　①將形式各異的位移測(cè)量方法，歸納成兩種主要的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其位移測(cè)量特征進(jìn)行分析；同時(shí)歸納總結(jié)了時(shí)柵位移測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，并解釋了時(shí)柵以“時(shí)間戳”實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的本質(zhì)特征。
　　②從旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)間調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)的構(gòu)建的方法。并設(shè)計(jì)一種光敏陣列直接調(diào)制的單柵式時(shí)柵傳感器樣機(jī)，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種利

3、用光強(qiáng)空間和時(shí)間調(diào)制實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量方案的可行性。
　?、坶_展LED準(zhǔn)直光源設(shè)計(jì)、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(duì)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(jì)方法，對(duì)LED進(jìn)行二次配光設(shè)計(jì)。通過搭建3D仿真模型仿真、透鏡實(shí)際制作和光源效果測(cè)試，完成了四組出光角度±10°的準(zhǔn)直光源設(shè)計(jì)與制作。
　?、苎芯苛烁呔冗\(yùn)動(dòng)光場(chǎng)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(jì)、光源設(shè)計(jì)、高精度交變光場(chǎng)產(chǎn)生及高精

4、度光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等，為如何獲取高精度運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)提供了依據(jù)。對(duì)最終合成運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)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(cè)試，驗(yàn)證了以上控制方法的可行性。
　?、蓍_展了兩種結(jié)構(gòu)時(shí)柵傳感器的實(shí)驗(yàn)研究工作，分別檢驗(yàn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的實(shí)際效果和傳感器樣機(jī)的工作性能。對(duì)影響構(gòu)造運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)直線時(shí)柵傳感器系統(tǒng)的主要誤差源進(jìn)行了分析和計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在150mm量程范圍內(nèi)，四相透光式時(shí)

5、柵測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.45μm，三相差動(dòng)透光式時(shí)柵測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.4μm。
　?、扪芯刻岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性的方法。對(duì)不同對(duì)極數(shù)、差動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比測(cè)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(shí)驗(yàn)證明，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)、多對(duì)極平均效應(yīng)、遞推平均算法等方法后，可以獲取一個(gè)高穩(wěn)定性的測(cè)量系統(tǒng)。
　　綜上所述，本文結(jié)合時(shí)柵測(cè)量原理，在光學(xué)領(lǐng)域提出用光強(qiáng)時(shí)空正交調(diào)制合成運(yùn)動(dòng)光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)精密位移測(cè)量的方法，基于此方法，設(shè)