大量程高性能光栅位移测量技术

高精度光栅位移测量系统具有纳米级重复精度、环境适应性强、维度易于扩展等优点,可以满足精密制造行业对米级测量量程、亚微米级精度与多维测量能力融合的测量技术要求,在高端制造、精密仪器等领域有重要应用。通过对测量光栅的各项参数进行研究,提升了测量光栅的尺寸与制作精度;提出高精度锥面衍射光栅位移测量、高倍细分转向干涉光栅位移测量、“品”字形拼接大量程光栅位移测量等技术,实现了数百毫米测量量程亚微米级测量精度。从光栅制作到测量系统研制对提升精度、分辨力及量程提供了理论分析与技术验证。     

基于衍射光栅的二维纳米位移测量技术

提出了一种基于正交衍射光栅作为测量基准元件的二维激光干涉测量系统.利用正交光栅的空间对称级的衍射光进行干涉,基于多普勒效应,采用偏振检测的方法获得相位相差90°的干涉信号.通过光电检测把获得的正弦和余弦信号进行相位细分,系统可在平面二维方向上实现纳米级的分辨率.该系统相比其他干涉测量系统,测量结构紧凑,环境因素对其影响较小,可应用于较大行程的平面微位移精密检测.     

基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统北大核心CSCD

为解决传统分离镜组式干涉仪体积较大,无法在空间受限的环境条件下应用的问题,开展了全光纤F-P干涉位移测量技术研究。根据干涉原理分析了不同反射率条件对干涉信号形式的影响,计算得出:当反射率为4%时,多光束干涉的光强信号将近似为正弦函数,并利用有限元仿真对位移测量原理进行验证。设计搭建了基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统。实验结果表明:该系统在1 min内静态噪声电压标准差为23.3 mV;在1 mm位移范围内,该系统与XL-80激光干涉仪的测量结果呈现高度线性关系,线性相关系数R 2为1,且该系统位移测量重复性优于XL-80激光干涉仪。     

干涉扫描微位移测量方法及其应用

一、前言微位移测量是精密测试的一个重要课题,如压电陶瓷、磁致伸缩材料变形特性的测量,材料膨胀系数的测试,温度稳定性的测量,变形或振动等引起的位移测量都属于这一范畴。微位移测量量程不大,但需要很高的灵敏度及精度,往往需要分辨几十个埃(A)乃至几个埃的变化。常用的双光束干涉方法由于条纹亮暗无明显的界线,不易读数及精确瞄准,所以不能满足微位移测量的要求。本文介绍一种主要由压电陶瓷驱动的多光束干涉扫描方法。采用这种方法能使精度提高、读数简单和易于数字化。     

光栅计量型的垂直扫描位移工作台及其误差分析

为满足精密测量中垂直扫描白光干涉以及千分表、电感位移传感器、表面粗糙度触针位移传感器标定对垂直方向的高精度定位和高分辨率运动要求,研制出一种纳米级垂直扫描位移工作台.该工作台采用柔性铰链结构,压电陶瓷驱动位移,满足纳米级微位移驱动要求,同时利用两级杠杆放大结构,扩大了位移行程.针对压电陶瓷驱动的位移随电压变化的非线性特点,利用衍射光栅对压电驱动进行实时监控,对这种非线性误差进行实时补偿.衍射光栅固定在工作台的微定位板上,工作台的移动量可由衍射光栅二次衍射干涉后产生的条纹变化得到.根据衍射光栅的计量特点,分析垂直扫描位移工作台测量误差的主要影响因素.通过试验验证,优化系统误差,进一步提高了垂直扫描位移工作台的定位精度.     

基于扫描白光干涉法的接触式表面形貌轮廓测量仪

本文提出了一种以杠杆触针机构作为微位移传感器,将扫描白光干涉法运用于接触式表面形貌测量的轮廓仪.该仪器的理论分辩力可达纳米级,与垂直扫描测量工作台相结合,测量范围可达5mm.文中重点论述了该轮廓仪测量系统的构成,测量原理,干涉信号数据处理.     

二维纳米位移台测量系统的搭建和实验研究

研制了压电陶瓷(PZT)驱动叠加柔性铰链运动机构的二维纳米位移台。介绍了位移系统的结构并分析了位移系统的工作位移刚度,理论和仿真结果误差在6.3%以内。根据线性干涉仪原理构建了一套激光干涉测量系统,阐述了测量系统的布局及位移测试原理并测量纳米位移台行程及定位准确性。实验结果表明:位移台在100μm行程内,x轴和y轴的测试位移为99.6μm和97.7μm。同时分析了测试系统的误差来源并评估测量系统的不确定度,得到该测量系统x轴和y轴的合成标准不确定分别为10.04 nm和13.93 nm。     

基于HSPMI的激光干涉位移校准系统的构建及实验研究

基于高稳定性平面镜干涉仪（HSPMI）构建了一套激光干涉纳米位移校准系统。描述了该系统的组成,设计了基于VME总线的数字信号处理计算机软件程序,对影响系统测量不确定度的各类误差进行了分析,得出该校准系统测量不确定度为2.93 nm。分别对系统稳定性和纳米级位移测试进行了实验,验证了构建系统的有效性和实用性。     

模板匹配算法在高精度压电微位移测量中的应用

提出了一种压电微位移器的微位移测量方法,即通过模板匹配算法测量Twyman-Green干涉系统中对应干涉条纹的移动量,进而实现对应位移量的高精度测量.为确保测量结果的可靠性,同时利用匹配模板的归一化转动惯量特征对测量结果进行实时验证.应用该测量方法对自制的压电微位移器的电压位移特性曲线进行了实测,并详细分析了模板大小的选取对于测量结果的影响,实验中的归一化转动惯量相对误差均小于5%,且模板匹配互相关系数大于0.97;同时运用一高精度纳米微位移平台对测量方法的可行性进行了实验验证,测量精度达到了λ/50.实验结果表明,运用本方法测量压电微位移,具有较好的噪声抑制能力和可靠性,可实现纳米量级的测量精度.     

毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置多自由度激光干涉计量系统

准确的纳米几何结构测量是提高集成电路、微纳机电系统和微纳技术产品的质量和性能的关键技术支撑,为了得到准确一致的测量结果,必须实现纳米尺度的量值溯源并建立量值的传递体系。为满足纳米几何结构计量从纳米尺度到毫米尺度的跨尺度计量需求,实验室研制了毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置,集成于该装置中的多自由度激光干涉计量系统,实现了测量结果向米定义SI单位的直接溯源。实验结果表明该系统能够在毫米级的测量范围内,实现纳米级的测量准确度,分辨力达到了亚纳米量级。     

用于微位移测量的迈克尔逊激光干涉仪综述

迈克尔逊干涉术测量微位移可实现纳米甚至更高的分辨力,并且具备能直接溯源至激光波长等诸多优点,是目前微位移测量的重要技术手段.以限制迈克尔逊干涉仪品质提高的非线性误差为主要切入点,对目前各种基于迈克尔逊干涉原理的激光干涉技术进行了分类介绍,主要讨论了微位移测量中实现高精度和高分辨率的干涉测量技术,最后展望了激光干涉法测量...     

叠加法测量光纤功率计非线性

介绍了全光纤化光纤功率计非线性的宽动态范围测量系统,利用该系统可以测量光纤功率计相邻量程的不连续性.文中给出了具体测量数据,并对测量结果进行了不确定度分析.     

高精度衍射光栅干涉仪的研制

提出了一种新型的激光衍射光栅干涉仪测量系统,以光栅衍射原理和偏振光学为理论基础,配合正交信号的解相位细分原理,使得该系统可以达到纳米级分辨率.由于光栅干涉测量系统以光栅栅距作为测量基准,相对于传统干涉仪,光栅尺系统受环境因素造成的测量误差影响较小.通过实验校正,得到不同行程范围内光栅干涉测量系统的纳米级重复性误差,新型的激光衍射光栅干涉仪测量系统适合于较长行程的高精度位移测量.     

集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种新型集成光栅干涉微位移测量方法,设计加工了微位移敏感芯片,并进行了初步的性能测试．敏感芯片利用硅-玻璃键合体硅工艺制作而成,在玻璃上制有金属光栅,光栅上方有由铝梁支撑的可动结构．实验系统由敏感芯片、半导体激光器、光电二极管以及相应的驱动、检测电路组成入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动结构与光栅之间的距离变化,通过测量衍射光强的变化可以得到位移．测试实验结果表明,所制作的集成光栅干涉微位移敏感芯片可实现位移检测,最小可检测的位移约0．2nm．     

光纤干涉测距系统及其定位信号处理

提出一种将目标定位过程和测量过程分开的绝对距离测量系统。系统引入光纤干涉方法提高了其柔性和抗干扰性能,并利用已精确标定的光纤组实现了量程的倍增,扩大了系统的测量范围。文中论述了系统的基本原理和数字化定位信号处理系统,并给出了相应的实验结果。     

光镊力谱系统微球位移的纳米精度测量

广泛用于生物单分子研究的光镊力谱技术,其皮牛级的力学测量性能依赖于光阱刚度和微球位移的精确测量.为实现纳米精度的位移测量能力,在分析背焦平面干涉法测量精度的基础上,提出了基于四象限光电探测器(QPD)和现场可编程门阵列(FPGA)开发板的测量方案,并建立了相应的测量系统.实验采用精密位移台驱动固定微球往复经过光阱,对系统的测量性能进行了标定.结果表明,该方案的探测灵敏度达到12.1 m V/nm,探测精度优于3 nm,探测分辨力小于1 nm,满足生物单分子拉伸力谱测试对微球位移探测的要求.     

基于多普勒效应的激光微位移测量系统

介绍了一种可进行动态微位移测量的激光微位移测量系统。该系统以多普勒效应为理论基础，以He-Ne激光器为光源，配置了判向变频系统、CCD视频信号的高速动态采集系统、微机处理系统及干涉图像处理软件包等，较传统测量方法其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高，并实现了微位移的全自动测量。     

1 550 nm全光纤激光多普勒测振系统研制

针对目前国内激光测振系统价格昂贵、使用不便的问题,采用1 550 nm波段成熟的窄线宽光源和光纤元器件研制了一套低成本的全光纤激光测振系统原理样机。此原理样机光路部分采用马赫?泽德干涉仪结构,搭建了外差式激光干涉光路,参考光被40 MHz的声光调制器调制,与测量光在光电探测器表面发生干涉,产生原始的激光多普勒信号;信号解调部分采用相位解调法对原始激光多普勒信号进行解调,得到振动目标的运动特性,包括位移、速度和加速度信息。采用本单位的振动标准装置对其性能进行了测试,实验结果表明：在10 ~ 2 000 Hz的中低频振动范围内,1 550 nm全光纤激光多普勒测振系统峰值位移、速度和加速度的测量误差在-0.6% ~ 0.7%内。该系统在中低频段具有较高的测量准确度,且成本相对较低、操作便捷,具有技术借鉴价值。     

镁合金单轴拉伸微蠕变测量系统

为了准确测出镁合金抗微蠕变性能,采用单轴拉伸法对镁合金进行室温蠕变试验,开发了镁合金微蠕变测量系统,解决了测量微蠕变关键技术问题,提出采用高精度位移传感器、恒温箱、测量放大器以及设计专用蠕变变形测量装置,构成镁合金微蠕变测试系统。试验结果表明,该系统精度高、性能稳定,可精确测试镁合金室温蠕变稳态速率和应变量,镁合金ZM6室温（35℃）下的蠕变应变为0．02％,最小稳态蠕变应变速率为10^-10。S^-1。     

大型结构应变场光纤分布监测系统

研究了一种用于大型工程结构应变、变形状态监测的基于光时域反射技术的分布式光纤应变传感系统。设计了一种新型的光纤微弯传感器结构,用于对沿传感光纤分布各测量点的应变信息进行提取;在此新结构的基础上,了全光纤型应变传感器串行阵列,以对构件应变测量和安全监测为主要目标,建立了起了分布光纤应变实时监测系统,进行了系统实验了得到了良好的结构。