光栅尺高速高精度跨尺度位移测量方法的研究

论文摘要

随着集成电路(IC)封装工艺、超精密加工、精密仪器及生物医学工程等众多领域的不断发展,与之相关的设备对运动速度、定位精度的要求越来越高,因此高速高精度定位技术在现代科学技术中起到十分关键的作用。光栅尺具有精度高、抗干扰能力强、寿命长等优点,成为纳米位移测量的主要工具,但由于受光路结构及信号检测电路扫描频率等因素的限制,光栅尺测量的最大允许移动速度与其测量步距成反比。针对高速高精度定位系统的运动特性及光栅尺测量高速位移时难以实现高分辨力的问题,本文提出了适合高速且实现系统末端点高分辨力位移测量的新方法——基于单光栅尺的跨尺度位移测量方法。首先,在分析光栅线性位移测量原理、光栅测量系统误差尤其是计数值切换合成误差的基础上,本文重点研究了光栅尺切换合成原理,分析了光栅尺跨尺度测量方法的可行性,设计了实现计数值切换合成的硬件电路,完成了基于可编程芯片FPGA的光栅信号处理模块设计。其次,对光栅测量系统的误差源进行了分析,根据误差特性使用三种建模方法:多项式曲线拟合方法、分段线性插值方法和三次样条插值方法,对以上三种模型进行了理论分析,通过MATLAB语言及其工具箱环境进行了计算机仿真计算,通过比较三者的精度,分段线性插值的精度最高,且稳定性好,所以使用分段线性插值方法对光栅测量系统的末端定位点进行了测量误差补偿实验。最后,搭建了硬件实验系统,对本测量原理与方法进行实验验证。通过对实验结果的分析,验证了光栅尺跨尺度测量方法的可行性和有效性。在实验中总结了一些经验,为本方法的进一步研究及应用打下了良好基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 课题相关内容的国内外研究现状
• 1.2.1 纳米测量方法的种类与特点
• 1.2.2 光栅纳米测量的基本特征
• 1.2.3 光栅研究的近几年关注热点和发展趋势
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 光栅尺高速高精度跨尺度位移测量原理
• 2.1 引言
• 2.2 光栅在位移测量中的应用
• 2.2.1 光栅位移测量原理
• 2.2.2 莫尔条纹光电转换原理
• 2.2.3 光栅细分原理及细分误差分析
• 2.3 光栅尺高速高精度跨尺度位移测量原理
• 2.3.1 光栅测量速度与分辨力的制约关系
• 2.3.2 光栅尺跨尺度位移测量原理
• 2.3.3 光栅尺跨尺度位移测量方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 光栅测量的误差分析及误差建模研究
• 3.1 引言
• 3.2 光栅测量误差的来源
• 3.3 测量误差的补偿方法
• 3.4 光栅测量系统的误差建模分析
• 3.4.1 仿真模型与仿真方法
• 3.4.2 曲线拟合模型
• 3.4.3 代数插值模型
• 3.4.4 模型精度评价
• 3.5 本章小结
• 第4章 光栅尺高速高精度跨尺度测量系统的设计
• 4.1 引言
• 4.2 切换时延误差分析及处理芯片选择
• 4.2.1 切换时延误差分析
• 4.2.2 光栅尺和细分卡的应用特性
• 4.2.3 信号处理芯片的选择
• 4.3 基于FPGA 的功能模块设计
• 4.3.1 倍频辨向模块
• 4.3.2 速度判断模块
• 4.3.3 计数合成模块
• 4.4 跨尺度测量方法的硬件电路设计
• 4.4.1 正弦波信号电路设计
• 4.4.2 方波信号电路设计
• 4.4.3 信号处理电路整体设计
• 4.4.4 信号输出接口设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 硬件电路实验
• 5.2.1 正弦波信号电路实验
• 5.2.2 方波信号电路实验
• 5.2.3 读数头信号分离实验
• 5.3 误差标定与补偿
• 5.3.1 测量误差的标定及分析
• 5.3.2 测量误差的补偿
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢