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纳米精度测量与校准系统关键技术研究

作　者: 黎永前
导　师: 朱名铨
学　校: 西北工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 纳米计量校准相位偏移干涉外差式干涉仪柔性铰链误差补偿
分类号: TH744.3
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 734次
引　用: 2次
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内容摘要

论文开展的创新性工作包括以下几个方面： 1．相位偏移干涉移相误差补偿技术研究。在研究相位偏移干涉测量技术基础上，重点研究了五幅算法计算精度及移相误差对计算结果的影响；提出了四幅算法及五幅算法移相误差补偿方法，理论分析及模拟仿真结果显示，该方法可以补偿移相过程中一阶移相误差及二阶移相误差对相位偏移干涉测量精度的影响。采用相位偏移干涉仪试验验证了上述补偿方法的有效性 2．相位偏移干涉测量技术在纳米精度测量与校准系统中的应用研究。将相位偏移干涉测量技术应用于测量与校准系统运动转角误差测量，初步试验验证了该方法的可行性。 3．外差式激光干涉仪非线性误差分析研究。从理论上研究了双频激光干涉仪非线性误差产生的原因；分析了直流偏量、等幅性偏差、正交误差对比相法相位测量结果的影响； 4．外差式激光干涉仪非线性误差补偿技术研究。在研究干涉测量非线性误差补偿原理的基础上，提出一种基于待检偏测量信号参数估计原理的非线性误差补偿方法。设计了试验验证方案，采用改变密封玻璃腔内气体压力的方法模拟纳米级微位移。试验结果表明，该补偿方法可以较好地修正双频激光干涉仪由于频率泄漏造成的非线性测量误差，使测量不确定度减少二分之一。 5．柔性铰链结构参数分析。研究了二维复合式悬臂梁柔性铰链模态频率、静态特性与铰链结构参数之间的关系；建立了结构参数和力学特性西北工业大学博士论文之间的对应关系;研究了基于复合式悬臂梁柔性铰链的二维十字对称柔性铰链结构，对其模态频率以及位移应力特性进行仿真试验;结果表明此种结构形式的运动对称性很好;其驱动位移与结构体最大拉压应力值之间接近线性关系，而且这种结构可以得到100林m以上的运动位移。 6.基于二维十字对称柔性铰链结构的微位移工作台试验测试。利用单频激光干涉仪测试其运动定位误差特性，相位偏移干涉法测试运动转角误差，光电自准仪测试其运动偏摆误差。该研究为纳米精度校准技术系统中位移驱动与定位装置研究提供了基础，试验数据为测量数据综合误差补偿技术研究奠定了基础。

全文目录

第1章绪论  12-34
  1.1 纳米精度测量技术及其发展  12-16
    1.1.1 纳米精度测量学应用背景  12-13
    1.1.2 外差式激光干涉仪测量技术  13-16
  1.2 纳米计量学及其发展  16-23
    1.2.1 X射线干涉测量技术  16-18
    1.2.2 计量型扫描探针显微镜  18-19
    1.2.3 激光干涉纳米精度校准技术  19-21
    1.2.4 纳米测量环境的建立  21-23
  1.3 纳米精度测量与校准关键技术  23-27
    1.3.1 柔性铰链微位移驱动系统研究  23-24
    1.3.2 测试系统运动误差实时修正技术  24-26
    1.3.3 激光干涉误差修正技术研究  26-27
  1.4 本文研究背景及研究内容  27-29
    1.4.1 研究背景  27-28
    1.4.2 研究内容及研究方法  28-29
  本章小结  29
  参考文献  29-34
第2章纳米精度测量与校准系统误差源分析  34-47
  2.1 多级位移驱动定位坐标测量系统  34-36
  2.2 X-Y运动导轨误差  36-38
    2.2.1 直线运动误差  36-37
    2.2.2 运动转角误差  37-38
  2.3 柔性铰链工作台运动误差  38-39
    2.3.1 柔性铰链直线运动误差  38-39
    2.3.2 柔性铰链运动转角误差  39
  2.4 坐标轴系正交误差和瞄准误差  39-40
  2.5 力和热变形误差源分析  40-41
  2.6 运动误差数学模型简化表示  41-44
  本章小结  44-45
  参考文献  45-47
第3章相位偏移干涉运动转角测量技术研究  47-80
  3.1 概述  47-48
  3.2 相位偏移干涉测量技术  48-52
    3.2.1 相位偏移干涉原理  48-49
    3.2.2 相位偏移干涉相位计算方法  49-52
  3.3 移相误差对相位计算的影响  52-60
    3.3.1 相位偏移干涉误差源分析  52-54
    3.3.2 移相误差对相位计算结果的影响  54-58
    3.3.3 五幅算法移相误差分析  58-60
  3.4 移相误差的实时补偿方法  60-64
    3.4.1 四幅加权平均优化补偿方法  60
    3.4.2 四幅算法移相误差补偿  60-62
    3.4.3 五幅算法移相误差补偿  62-64
  3.5 移相误差补偿试验  64-73
    3.5.1 测量系统原理及试验设备  64-65
    3.5.2 干涉图像处理技术  65-68
    3.5.3 一阶移相误差补偿试验  68-69
    3.5.4 二阶移相误差补偿试验  69-72
    3.5.5 试验结果分析  72-73
  3.6 相位偏移干涉测角技术  73-75
    3.6.1 转角误差校准系统  74-75
    3.6.2 转角测量试验  75
  本章小结  75-76
  本章附录  76-78
  参考文献  78-80
第4章外差干涉仪非线性误差修正技术  80-118
  4.1 概述  80-83
  4.2 外差干涉非线性误差分析  83-90
    4.2.1 位相延迟误差与不等幅偏差  83-84
    4.2.2 偏振分光棱镜引起频率泄漏  84-85
    4.2.3 角锥棱镜引起的误差  85-86
    4.2.4 非线性误差数学模型  86-90
  4.3 相位测量误差分析  90-94
    4.3.1 直流分量偏差的影响  90-91
    4.3.2 等幅性误差对测量结果的影响  91-92
    4.3.3 正交误差对测量结果的影响  92-93
    4.3.4 正弦性对测量结果的影响  93-94
  4.4 外差干涉非线性误差修正技术  94-101
    4.4.1 Birch数据修正技术  94-95
    4.4.2 非线性误差修正方法  95-97
    4.4.3 数据模拟试验结果  97-101
  4.5 非线性数据修正试验  101-113
    4.5.1 试验系统  101-103
    4.5.2 混频电路  103
    4.5.3 纳米微位移模拟产生装置  103-106
    4.5.4 试验过程  106-107
    4.5.5 试验结果  107-108
    4.5.6 误差修正结果  108-111
    4.5.7 试验结果分析  111-113
  本章小结  113
  本章附录  113-114
  参考文献  114-118
第5章柔性铰链结构参数对其运动误差的影响  118-145
  5.1 概述  118-119
  5.2 柔性铰链结构参数设计  119-129
    5.2.1 柔性铰链结构理论模型  119-121
    5.2.2 复合式悬臂梁有限元建模  121-123
    5.2.3 柔性铰链模态分析  123-124
    5.2.4 柔性铰链静态力分析  124-129
  5.3 二维柔性铰链结构性能研究  129-133
    5.3.1 简单二维柔性铰链结构与性能  129-131
    5.3.2 十字对称结构柔性铰链结构设计  131-133
  5.4 二维柔性铰链工作台运动试验测试  133-142
    5.4.1 激光干涉测试定位误差  134-137
    5.4.2 相位偏移干涉测试运动转角误差  137-140
    5.4.3 光电自准直仪测试运动偏摆角  140-142
  本章小结  142-143
  参考文献  143-145
第6章结论与展望  145-149
  6.1 论文结论  145-147
  6.2 课题进一步工作  147
  6.3 纳米测量与计量技术展望  147-149
攻读博士学位期间发表论文及工作成绩  149-151
致谢  151-153

纳米精度测量与校准系统关键技术研究

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