文档介绍：硕士学位论文
基于衍射光栅的高精度位移测量系统的设计
DESIGN OF HIGH-PRECISION DISPLACEMENT
MEASUREMENT SYSTEM BASED ON
DIFFRACTIVE GRATING
邸晶晶
哈尔滨工业大学
2012 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
工程硕士学位论文
基于衍射光栅的高精度位移测量系统的设计
硕士研究生: 邸晶晶
导师: 王雷副教授
申请学位: 工程硕士
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: 2012 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TH741
: 681
Dissertation for the Master Degree in Engineering
DESIGN OF HIGH-PRECISION DISPLACEMENT
MEASUREMENT SYSTEM BASED ON
DIFFRACTIVE GRATING
Candidate: Di Jingjing
Supervisor: Prof. Wang Lei
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Instrumentation Science and
Technology
Affiliation: School of Electrical Engineering and
Automation
Date of Defence: June, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
随着现代科学技术的不断进步,微电子制造工业、纳米技术以及 MEMS
等技术得到了蓬勃发展,而这些技术的实现必须以精密的测量技术作为基础。
在众多的测量方法中,光学测量方法以其高精度、非接触、宽动态范围和易于
数字化的特点而显示出特有的优势。其中,基于光栅的位移测量系统以光栅栅
距作为测量基准,具有对光源的稳频要求不高,光路结构简单,体积小等优
势,能在超精密加工中胜任高分辨率、高速度、大量程的位移测量任务。在此
技术上国外已经具备批量化生产的能力,而我国与之相比还存在一定的差距。
研究出高分辨力、高测速的光栅位移测量系统有其重要的意义。
本文的主要研究内容和工作如下:
首先,本文研究了莫尔条纹的分析理论、多普勒频移理论、衍射光干涉理
论和偏振光学理论。依据这些理论设计并搭建了基于衍射光栅的位移测量光路
系统,完成了该系统基于琼斯矩阵的理论推导。与常见光路相比,该光路系统
使用较少的光学器件,即能够进行光学四细分。此外,光路应用偏振光学的特
性,合理分离测量光和杂散光,抗干扰能力强。
其次,对光栅位移测量系统的各种信号处理方法进行了分析和研究,其中
着重研究了电子学细分方法,提出了适用于高速位移信号测量的辨向和细分算
法。
再次,完成了测量系统的信号处理硬件电路设计。根据光栅测量的常见误
差,设计了信号调理电路,经过调理电路后,可以有效补偿光信号的不等幅误
差和非正交误差。设计了基于 FPGA 和 DSP 的信号采集与处理电路,完成了
系统的软件编程设计,可控制高速 A/D 对信号进行采集并实现位移计算方法
以及与上位机间的数据通信。此外,设计了基于 LabVIEW 的上位机显示界
面,读取数据并对测量进行控制。
最后,对本位移测量系统进行了误差分析和比对实验。分析了光栅、激光
器、光路、电路以及测量环境对系统精度的影响,并对系统精度进行了评估。
对光路和电路系统的功能进行了验证,测试了系统的分辨力参数。实验结果表
明,本系统可以达到 的分辨率,最大测量速度能够达到 100mm/s。
关键词:位移测量;衍射光栅;干涉测量;信号处理;误差分析
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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
With the continuous progress of modern scie