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纳米位移台六自由度的激光干涉校准系统的研制

作　者: 李庆贤
导　师: 陈本永；高思田
学　校: 浙江理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 纳米位移台多自由度龙门结构校准误差分析
分类号: TH744.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着微/纳米科学技术的发展，纳米级定位技术已成为纳米科学技术领域的一项关键技术，对纳米位移台的多自由度测量和校准提出了迫切的要求。本论文依托于国家科技支撑计划课题“纳米位移定位控制技术和系统的研发（2011BAK15B09）”，就纳米位移台的激光干涉校准技术展开研究，旨在建立一套能够同时测量纳米位移定位平台六自由度的激光干涉校准系统。论文分析了激光干涉纳米位移测量技术的国内外研究现状，描述了外差式激光干涉仪的测量原理，选择ZYGO公司的同时测长和测角的3轴高稳定性平面镜干涉仪，设计了一套能够同时测量纳米位移定位平台六自由度的激光外差干涉校准系统；详细设计了系统的光路布局和机械结构，基座和Z轴光路支撑采用大理石结构，Z轴光路布局应用龙门式结构设计，纳米位移台可以进行三维角度的调整；利用ANSYS软件对系统大理石应力变化进行了有限元仿真分析，得到系统最小的形变为0.368μm；分析了系统位移和角度的量程及分辨率测试能力，位移测量范围为10mm×10mm×10mm，分辨率为0.15nm，角度测量范围为4mrad×4mrad×4mrad，分辨率为0.0044arcsec；详细设计了系统软件程序，针对VME总线的数据采集板，采用VC++程序设计语言进行了数据采集、位移角度换算、数据显示和保存等功能，实现了6轴数据的同时处理。论文构建了实验装置并进行了以下实验：（1）构建了测量不确定度为2.93nm的一维位移校准系统，系统稳定性为3nm，分辨率优于1nm，对Npoint公司的NPXY100Z10型号纳米台进行了测试校准，满量程的线性度为0.1%，分辨率为纳米级。（2）构建了纳米位移台多自由度的测试装置。纳米台X轴和Y轴分别以1μm为步进10μm为行程运动后返回，测得X轴线性度为0.14%，非线性误差为3.15nm，耦合误差为4.0047nm，俯仰角为-0.4502mrad，偏转角为0.9803mrad，横滚角为-0.7843mrad；Y轴线性度为0.14%，非线性误差为-0.503nm，耦合误差为44.999nm，俯仰角为0.2956mrad，偏转角为-0.6067mrad，横滚角为-0.1370mrad。该纳米位移台六自由度激光干涉校准系统安装方便，操作简单，通过实验验证表明，该测量系统精度高，实用性强，能够实现一般纳米位移台的多自由度校准工作。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章综述  9-23
  1.1 纳米位移台  9-11
  1.2 纳米测量技术  11-19
    1.2.1 纳米测量方法  11-17
    1.2.2 纳米测量的溯源  17-19
  1.3 纳米台的多自由度测量  19-21
  1.4 论文的研究内容及组织结构  21-22
  1.5 本章小结  22-23
第二章纳米位移台六自由度校准系统的构建  23-39
  2.1 干涉仪介绍  23-29
    2.1.1 激光外差干涉原理  23
    2.1.2 HSPMI 高稳定性平面镜干涉仪  23-25
    2.1.3 紧凑型 3 轴高稳定性平面镜干涉仪  25-26
    2.1.4 测角原理  26-29
  2.2 校准系统光路布局设计  29-30
  2.3 机械结构设计  30-34
    2.3.1 总体设计  30-31
    2.3.2 Z 轴光路龙门结构设计  31
    2.3.3 纳米台调整机构设计  31-33
    2.3.4 系统质心和支脚位置仿真  33-34
  2.4 检测能力和指标  34-37
    2.4.1 位移量程  34
    2.4.2 位移分辨率  34-35
    2.4.3 角度量程  35-36
    2.4.4 角度分辨率  36-37
    2.4.5 最大测量速度  37
  2.5 波长补偿仪  37-38
  2.6 本章小结  38-39
第三章软件程序设计  39-51
  3.1 程序总体方案设计  39-41
  3.2 信号采集处理  41-44
    3.2.1 ZMI4004 测量板  42-43
    3.2.2 ZMI4004 的 VME 总线接口  43-44
  3.3 基于 VME 总线的 VC++程序编写  44-50
    3.3.1 VME 总线概括  44-45
    3.3.2 VME 总线与 PCI 总线  45-46
    3.3.3 VME 总线编程  46-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章实验及误差分析  51-63
  4.1 一维激光干涉纳米位移校准系统的构建  51-54
  4.2 纳米位移台五自由度校准系统测试实验  54-60
    4.2.1 X 轴运动时纳米台 5 自由度的测试  55-57
    4.2.2 Y 轴运动时纳米台 5 自由度的测试  57-60
  4.3 系统误差分析  60-62
    4.3.1 环境误差  60-61
    4.3.2 原理误差  61
    4.3.3 非线性误差  61
    4.3.4 平面镜正交误差  61
    4.3.5 阿贝误差  61-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章总结展望  63-65
  5.1 总结  63-64
  5.2 展望  64-65
参考文献  65-70
附录一  70-81
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果  81-82
致谢  82

纳米位移台六自由度的激光干涉校准系统的研制

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