大行程纳米测量机关键技术的研究

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本文所研究的纳米测量机主要由纳米微位移运动机构和纳米测量控制系统两部分组成,其中纳米微位移运动机构包括纳米级步距压电微动台、驱动控制系统及压电陶瓷驱动电源;纳米测量控制系统包括8倍频耦合差动式激光干涉系统、光电信号调理电路及信号处理系统。本文的主要研究内容如下: 1、压电微动台的设计研究 采用基于尺蠖运动原理的纳米级步距压电微动台作为纳米定位机构,在结构设计方面,变传统的单驱动器为双驱动器结构,选取平台式结构以增强其实用性并尽可能减小外形尺寸,根据新颖的推-拉接力运动原理,配以适当的四路驱动信号,实现了压电微动台的连续平稳的运动。在压电材料的选择上进行了比较论证,提出了加工精度、配合间隙、绝缘技术等对压电微动台功能实现的关键。 2、驱动控制系统及压电陶瓷驱动电源的设计研究 以C8051F系列单片机为核心设计了压电微动台驱动控制系统,为压电微动台提供四路具有一定相位差的驱动信号,避免了微动台运动过程中的悬空状态,也保证了压电微动台在不同频率和电压下进行工作,并实现了整个系统的闭环控制。分析了压电陶瓷驱动电源的作用原理,根据压电陶瓷驱动电源的设计要求,采用直接稳压和直流放大式原理实现了具体电路,并对该电源进行了相关参数的测试。 3、8倍频耦合差动式激光干涉系统的研究 根据干涉系统设计的基本思想,提出了一套新颖的8倍频耦合差动式激光干涉系统,其结构具有简洁紧凑、光路布局对称性好、光程差倍增、符合阿贝原则和结构变形最小原则,不存在死光程及抗干扰能力强等特点,和普通的迈克尔逊干涉仪相比,该系统拥有更高的分辨率和稳定性。详细介绍了系统中各光学元件的特性参数,指出了光路调节中的关键技术。对整个纳米级精度激光干涉位移测量系统的精度进行分析,指出影响系统精度的误差源,并提出减小或补偿相应误差的方法,对整个系统的精度在理论分析的基础上进行估算。 4、干涉信号处理系统的研究 针对干涉信号中存在的非正交误差、不等幅误差、直流电平误差(简称三差)以及这三种误差对细分精度的影响进行了分析,并利用以Heydemann模型为基础的修正方法完成了对以上三种误差的补偿,从而保证了细分精度;根据多点拟合三差的原理,针对干涉仪的使用特点,提出了减小三差拟合运算的新算法,大大加快了运算速度;设计了以C8051F系列单片机为核心的硬件电路,同时实现了实时动态补偿及位移量的计算。 5、系统实验研究与结果分析 系统实验包括两个部分:第一部分包括压电微动台平均步距测试及闭环控制测试等,并对实验结果进行必要分析;第二部分采用比对的方法对激光干涉系统进行检测,在获取大量测量数据的基础上,利用线性回归的方法对侧量结果进行处理,得出干涉系统输出与电容测微仪模拟信号输出之间的线性关系,对测量精度做出估算。
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