基于構造運動光場的高精度直線時柵位移傳感器研究.pdf

1、精密位移測量是精密制造運行過程中最關鍵的物理量測量，也是產品質量保證的重要手段。常見精密位移測量以光學測量為主，其中以激光干涉儀和光柵傳感器為最主要的兩種測量方式。激光干涉儀價格昂貴且對環(huán)境要求高，而高精度光柵對基礎設施、制造工藝要求高，并且國外對我國實行嚴格技術封鎖，導致我國光學精密測量技術及設備遠遠落后于先進技術水平?；诖耍疚脑趪易匀豢茖W基金的資助下開展了構造運動光場的直線時柵位移傳感器研究。利用國內相對落后的光柵制作工藝和基

2、礎設施，研制一種可以媲美國外高精度光柵的位移傳感器。主要研究內容和創(chuàng)新點如下：
　?、賹⑿问礁鳟惖奈灰茰y量方法，歸納成兩種主要的數(shù)學模型，并對其位移測量特征進行分析；同時歸納總結了時柵位移測量的數(shù)學模型，并解釋了時柵以“時間戳”實現(xiàn)位移測量的本質特征。
　　②從旋轉磁場產生原理出發(fā)，提出在光學領域對光強用精確的空間和時間調制，實現(xiàn)高精度運動光場的構建的方法。并設計一種光敏陣列直接調制的單柵式時柵傳感器樣機，用實驗驗證了這種利

3、用光強空間和時間調制實現(xiàn)位移測量方案的可行性。
　　③開展LED準直光源設計、仿真和制作研究工作。根據(jù)LED點光源特征，結合仿真軟件對光源模型進行仿真，并提出采用自由曲面準直透鏡設計方法，對LED進行二次配光設計。通過搭建3D仿真模型仿真、透鏡實際制作和光源效果測試，完成了四組出光角度±10°的準直光源設計與制作。
　　④研究了高精度運動光場產生及控制方法。主要包括傳感器透光面空間結構設計、光源設計、高精度交變光場產生及高精

4、度光電轉換電路設計等，為如何獲取高精度運動光場提供了依據(jù)。對最終合成運動光場的性能，在兩種不同結構的傳感器樣機上分別進行了測試，驗證了以上控制方法的可行性。
　　⑤開展了兩種結構時柵傳感器的實驗研究工作，分別檢驗構造運動光場實現(xiàn)位移測量的實際效果和傳感器樣機的工作性能。對影響構造運動光場直線時柵傳感器系統(tǒng)的主要誤差源進行了分析和計算，并提出硬件和直線插補的軟件相結合的誤差修正方法。實驗結果表明，在150mm量程范圍內，四相透光式時

5、柵測量準確度為±0.45μm，三相差動透光式時柵測量準確度為±0.4μm。
　　⑥研究提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。對不同對極數(shù)、差動結構的傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性進行對比測量，并提出遞推平均濾波的數(shù)字濾波方法，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實驗證明，采用差動結構、多對極平均效應、遞推平均算法等方法后，可以獲取一個高穩(wěn)定性的測量系統(tǒng)。
　　綜上所述，本文結合時柵測量原理，在光學領域提出用光強時空正交調制合成運動光場實現(xiàn)精密位移測量的方法，基于此方法，設