【摘要】：隨著超精密、集成電路、MEMS等加工制造技術(shù)的深入發(fā)展,對(duì)位移測(cè)量技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)。而在眾多的位移測(cè)量技術(shù)中,激光干涉位移測(cè)量技術(shù)由于具有測(cè)量精度高、范圍大和米溯源性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用,其中典型的激光干涉測(cè)量技術(shù)包括激光單頻(零差)干涉法和激光雙頻(外差)干涉法。零差干涉法相較于外差干涉法不存在光源非正交及橢偏化引起的偏振和頻率混疊,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高,成為目前的研究熱點(diǎn)。但是零差干涉法中干涉信號(hào)的直流漂移、幅值變化和相位非正交引起的測(cè)量誤差制約了其測(cè)量精度的提高。為了解決上述零差干涉法中存在的問題,進(jìn)一步提高零差干涉位移測(cè)量精度,本文提出了一種基于電光相位調(diào)制器的雙零差干涉納米位移測(cè)量技術(shù),進(jìn)行大范圍、高精度的位移測(cè)量。首先詳細(xì)推導(dǎo)了電光相位調(diào)制雙零差干涉納米位移測(cè)量原理,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu),將位移測(cè)量變換為兩套干涉儀的相位差測(cè)量。分別提出了基于線性相位調(diào)制的時(shí)域過零鑒相相位差測(cè)量方法和基于正弦加三角波復(fù)合相位調(diào)制的反正切相位生成載波(PGC-Arctan)解調(diào)方法。在線性相位調(diào)制雙零差干涉儀的信號(hào)處理系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)了零相位濾波器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,以及基于LabVIEW的相位差檢測(cè)上位機(jī)處理程序。在正弦加三角波復(fù)合相位調(diào)制雙零差干涉儀的信號(hào)處理系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)了基于FPGA+ARM的PGC-Arctan的相位解調(diào)系統(tǒng),并利用橢圓擬合進(jìn)行非線性誤差的補(bǔ)償。為了驗(yàn)證所提出的電光相位調(diào)制雙零差干涉納米位移測(cè)量方法的可行性,對(duì)雙零差干涉系統(tǒng)進(jìn)行搭建和調(diào)試,針對(duì)兩種調(diào)制方式分別進(jìn)行了相應(yīng)的信號(hào)處理測(cè)試實(shí)驗(yàn)和位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在線性相位調(diào)制信號(hào)處理方法中,相位差測(cè)量穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明在6個(gè)小時(shí)內(nèi)相位差每分鐘變化約0.2~°,符合實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求。以精密納米定位臺(tái)位置作為參考,納米級(jí)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)的位移誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差都不超過1 nm;微米級(jí)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)的位移誤差均值在1 nm范圍內(nèi),位移誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.42 nm~3.21 nm范圍內(nèi)。以商業(yè)干涉儀Agilent 5519A作為參考,毫米級(jí)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)的位移誤差均值在-0.046μm~0.107μm范圍內(nèi),位移誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.032μm~0.287μm范圍內(nèi)。在正弦加三角波復(fù)合相位調(diào)制信號(hào)處理方法中,橢圓擬合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的基于FPGA+ARM的4參數(shù)橢圓擬合模塊的有效性和準(zhǔn)確性,橢圓擬合的實(shí)時(shí)擬合速率為12.05μs。PGC-Arctan相位解調(diào)中正交信號(hào)實(shí)時(shí)修正的必要性實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了橢圓擬合修正技術(shù)對(duì)相位解調(diào)中非線性誤差的補(bǔ)償效果。非線性誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的雙零差干涉儀非線性誤差低于0.1 nm。以商用的Renishaw XL80干涉儀作參考的毫米級(jí)步進(jìn)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:最大位移差值為-60.5 nm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為27.4 nm。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出的電光調(diào)制雙零差干涉納米位移測(cè)量方法的可行性和有效性。 【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN761

【圖文】：

圖 1.3 采用消偏振分光鏡和沃拉斯頓棱鏡的零差激光偏振干涉光路結(jié)構(gòu) ar T 等人提出將一種增強(qiáng)型的橢圓擬合算法用于雙探測(cè)器的零差正交激光信號(hào)處理系統(tǒng)中[12]，光路結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示。

5圖 1.4 采用雙探測(cè)器的零差正交激光偏振干涉儀結(jié)構(gòu)，將原來的四正交探測(cè)簡(jiǎn)化為正交探測(cè)，進(jìn)而減少了算法，，可以擬合出兩路正交干涉信號(hào)的直流偏置、交流修正，最終將非線性誤差降低到 1 nm。該橢圓擬合算

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2712128