激光外差干涉直线度及其位置测量系统的研制

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直线度是表征机械性能参数的一项几何量,直线度误差的检测属精密测量技术领域研究重点之一。论文分析了目前国内外直线度测量的研究现状,对比了各种直线度测量方法的优缺点,针对基于激光外差干涉原理的直线度及位置测量方法,进行仪器化的相关研究。论文描述了基于激光外差干涉原理的直线度及位置的双自由度测量方法和系统的组成,分析了各类光学元件所引入的直线度及其位置的测量误差,建立了相应的数学模型,并进行了仿真分析。仿真结果表明:对于直线度,由激光束椭圆偏振引入的非线性误差最大,其非线性误差的抖动达到了1000nm;而对于位移,激光束角漂、偏振分光镜以及检偏器引入的直线度误差均在50nm左右。对于渥拉斯顿镜和直角反射棱镜发生倾角时,引入的误差为正弦型误差量,直线度的测量误差均为800nm左右,位移的测量误差均为20nm左右。论文采用FPGA模块设计了该直线度及其位置测量方法的信号处理系统,提出了一种干涉信号处理方法:除了原始测量信号,另外产生一路延时45度的测量信号,当原始测量信号与参考信号的相位差接近0度、180度和360度时,将参考信号与延时后的测量信号进行鉴相处理,反之则将参考信号与原始测量信号进行鉴相处理,从而减少测量误差。编写了基于FPGA的Verilog配置语言程序,由FPGA进行测量信号的鉴相处理,负责与上位机的通讯工作;设计了上位机的人机互动界面,将由信号处理系统发送给上位机的参数按照一定的算法进行计算,求出被测直线度及其位移值。为了验证所研制测量系统的可行性,分别进行了10μm、100μm、250μm、500μm和1000μm步距测量实验,将本系统测量所得的位移值与德国Physik Instrumente公司的M-521.DD线性导轨的步距值进行对比,得出两者的位移测量误差。实验测量结果表明测量系统的位置测量误差均值为2μm,均方差为1μm,直线度测量值的误差均值为300nm,均方差为900nm。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6-7页
第一章 综述第10-19页
    1.1 直线度测量的国内外研究现状第10-17页
        1.1.1 无直线基准测量第10-12页
        1.1.2 有直线基准测量第12-17页
    1.2 论文的研究内容及组织结构第17-18页
    1.3 本章小结第18-19页
第二章 激光外差干涉直线度及其位置测量系统及非线性误差分析第19-61页
    2.1 激光外差干涉直线度及其位置测量系统组成第19页
    2.2 激光外差干涉直线度及其位置测量系统工作原理第19-20页
    2.3 渥拉斯顿棱镜之后光路分析第20-22页
    2.4 渥拉斯顿棱镜之前光路分析第22-23页
    2.5 非线性误差分析基本方法和理论第23-27页
    2.6 误差分析第27-47页
        2.6.1 波长固有频差对干涉系统引入的直线度误差第27-29页
        2.6.2 检偏器存在角度偏差第29-41页
        2.6.3 偏振分光镜引入的误差第41-47页
    2.7 直角棱镜的对测量光路的影响第47-51页
    2.8 渥拉斯顿棱镜安装误差和屋脊双面反射棱镜安装误差引入的误差分析第51-59页
    2.9 本章小结第59-61页
第三章 信号处理系统的研制第61-77页
    3.1 干涉系统的信号处理系统第61-64页
        3.1.1 双向差动触发器型鉴相法第61-63页
        3.1.2 延时信号的数据处理方法第63-64页
    3.2 空气折射率的测量方法第64-66页
        3.2.1 空气折射率的计算修正公式第64-65页
        3.2.2 传感器的选择第65-66页
    3.3 系统的信号处理方法及实现第66-75页
        3.3.1 控制模块第67页
        3.3.2 延时模块第67-68页
        3.3.3 小数计数第68-69页
        3.3.4 大数模块第69-70页
        3.3.5 数据处理顶层模块第70-72页
        3.3.6 环境参数采集硬件模块第72-73页
        3.3.7 环境参数采集的 FPGA 模块设计第73-75页
    3.4 硬件实物图第75-76页
    3.5 本章小结第76-77页
第四章 实验验证第77-89页
    4.1 实验及结果分析第77-88页
    4.2 本章小结第88-89页
第五章 总结与展望第89-91页
    5.1 总结第89页
    5.2 展望第89-91页
第六章 参考文献第91-96页
附录一第96-99页
附录二第99-105页
致谢第105-106页
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果第106页
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