基于衍射光栅的高速高分辨力位移 测量系统研究

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1、硕士学位论文基于衍射光栅的高速高分辨力位移测量系统研究RESEARCHOFHIGH-RESOLUTIONDISPLACEMENTMEASUREMENTSYSTEMBASEDONDIFFRACTIVEGRATING徐敏儿2013年6月国内图书分类号：TH741学校代码：10213国际图书分类号：681密级：公开工学硕士学位论文基于衍射光栅的高分辨力位移测量系统研究硕士研究生：徐敏儿导师：王雷副教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2013年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741U.D.C

2、.:681DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFANDHIGH-RESOLUTIONDISPLACEMENTMEASUREMENTSYSTEMBASEDONDIFFRACTIVEGRATINGCandidate：XuMinerSupervisor：Prof.WangLeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：InstrumentationScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAu

3、tomaticTestingandControlDateofDefence：June,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着科技的进步，纳米测量技术已经在大多数领域得到蓬勃发展，位移作为最基本的物理量之一，迫切需要向着高速度、高分辨力、大量程、小型化、低成本的纳米级测量方向发展，而现代精密位移测量技术最主要的两个手段是激光干涉和光栅计量，光栅计量不仅具有激光干涉高分辨力、高精度、大量程的优点，而且不易受环境干扰、成本低廉、易于微型化。国外对光栅

4、计量的研究已经相当成熟且已批量生产，我国虽已取得一定发展但由于起步较晚，较国外还是有一定差距，研究基于衍射式光栅的纳米级位移测量系统意义重大。本文研究了一种基于反射式衍射光栅的位移测量系统，利用二次衍射光实现光学四倍频，配合正交信号160细分，使测量系统具有纳米级的分辨力。基于偏振光学理论，优化了四倍频光学传感器模型，消除模型中0级衍射光在光路中多次反射的影响，减少了干涉场的杂散光；利用波动光学和傅里叶光学理论，对所需使用的光栅的结构进行分析，得到光栅的结构参数与激光光源之间理想关系，从而使衍射级次能量集中；借助光学设计软件Lighttools以获得光栅的偏摆公差

5、、光学元件定位公差等特性;从测量理论入手，针对光栅及光学元件的组装误差对测量信号造成的影响进行分析。优化光栅信号处理方法，完成了光栅信号处理的软硬件设计，经过前级调理电路后，有效地消除了干涉信号存在直流电平漂移、非正交误差、不等幅误差等，通过数据采集卡完成对干涉信号的采集和位移算法的实现。整合优化后的光学传感器、前级调理电路以及数据采集卡，搭建光学构架平台，构建整个位移测量系统，对系统各单元性能进行了测试，同时进行整机实验，并分析实验结果评估系统各项参数。结果表明，本系统线性度和重复性良好，测量分辨率优于10nm。关键词：位移测量；反射式衍射光栅；对位公差；信号处

6、理-VI-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththecontinuousprogressofmodernscienceandtechnology，nano-scalemeasurementtechnologyhasbeenboominginmostareas.Displacement,whichisoneofthemostbasicphysicalquantities,developstowardhigh-speed,high-resolution,large-range,small-sizeandlow-costnano-scalemeasur

7、ementdirection.Gratinginterferometersandlaserinterferometersarethemostimportantmeansofmeasurementinmodernprecisiondisplacementmeasurementtechniques.Comparedwithlaserinterferometers,gratinginterferometersnotonlyhavetheadvantagesofhigh-resolution,high-accuracy,andlarge-rangemeasurement,

8、butal