论纳米光栅测量技术

作者及其同事们经过20多年努力将计量光栅技术提高到了纳米量级和亚纳米量级，并进行了大面积推广应用，形成了一整套纳米光栅测量技术，该文为对这套技术的综合论述．首先回顾了刻线技术的发展历史，指出中国古代曾作出杰出贡献．归纳了发展计量光栅技术的5个阶段和4项内容．给出纳米光栅的定义和两个特点，并通过作者和同事们的光栅制造过程说明，纳米光栅实质上是一种刻录、固化到光栅基体上的光波波长．它为纳米测量领域提供了一种新途径、新方法，与激光干涉仪等现有纳米测量方法相比，具有自己独特的优点．文中讨论了纳米光栅的读取技术与信号处理技术，提出了纳米光栅细分误差的错位测量法．还讨论了与纳米光栅相关的纳米机械，介绍了作者和同事们的科研成果，圆柱、导轨等的机械精度已经进入了纳米量级．最后讨论了纳米光栅与激光干涉仪以及高等级量块的比对结果．     

光栅纳米测量技术及应用

本文简要介绍了光栅纳米测量技术的主要研究内容，着重阐述了其应用实例－一种光栅纳米测微仪的原理结构和实现方法。从系统的重复性、分辨力和准确度三方面入手，深入地研究和探索解决光栅纳米测量过程中的各种关键技术问题的方法和途径，能够有效地将光栅测量的分辨力和准确度从亚微米量级提高到纳米量级。     

光栅纳米测量中的系统误差修正技术研究

详细研究了光栅纳米测量系统的误差特性 ,以及利用激光干涉仪对高精度光栅测量系统的系统误差进行检测、并在信号处理中予以补偿和修正的方法。实验表明 ,通过这种系统误差修正方法对周期累计误差和细分误差同时进行修正 ,能够大幅度地将计量光栅系统的测量准确度从微米或亚微米量级提高到纳米级水平 ,以实现光栅纳米测量。     

光杠杆纳米微位移测量系统中的信号处理

本文提出了一种基于光杠杆原理非接触式的纳米级微位移测量系统.该系统通过光学方法对微位移量进行放大,光学放大倍数高,该系统的理论分辨率可达4nm,实际测得静态分辨率小于10nm.信号处理采用基于高精度一维PSD的信号探测电路,并且通过设计有效地抑制了噪声和干扰.实验中使用PZT作为被测物的微小位移驱动器,与电容测微仪JDC-Ⅱ所测数据进行了验证比较,系统所测得的数据证明了其正确性和可行性.并且该系统受温度影响小,结构简单,便于使用MEMS技术集成和微型化.     

新型光栅信号数字细分技术及其误差分析

在圆光栅作为分度基准的高精度测量仪器中,利用A/D转换器和单片机,用软件编程的方法,对光栅读数头输出的sinθ和cosθ函数进行新的构建,形成一线性函数。通过对新建函数和原函数进行过零检测,实现莫尔条纹八细分,然后,用软件来实现对线性函数的幅度分割,采用查表的方式实现莫尔条纹十细分。本还对此方法引入的误差进行了研究,与传统的细分法相比,此方法硬件电路简单,细分误差小,且便于误差修正,能实现高精度角度测量。     

CCD信号处理技术及其在长度测量中的应用

论述线阵ＣＣＤ信号处理技术及其在几何尺寸测量中的应用,对线阵ＣＣＤ的特点和信号的处理方法给予较为详细的论述。特别是对ＣＣＤ信号的二值化问题,提出实现方法,结合这一技术在马钢初轧厂连轧坯测长和配尺应用的实例,进一步论述这一技术在大尺寸测量中的具体应用。     

非同步采样法的光栅纳米测量

光栅计量技术向纳米测量发展需要更高的光栅细分倍数.基于所研制的快速互补函数细分算法,细分精度即仅取决于测量启停时刻的光栅信号采样精度,选用市场上货源丰富的、低成本的扫描式多通道模数转换卡,即可实现光栅纳米测量所需的高倍数细分.在测量的启停时刻对光栅信号进行精确测量,在测量过程中对光栅信号进行快速跟踪测量.实验表明,当采用15位200 kHz的A/D转换卡对20 μm栅距的光栅信号进行非同步采样时,可以得到小于1 nm的测量分辨率及大于120 mm/s的测量速度.     

微纳米尺寸测量技术

随着精密和超精密加工技术的迅速发展,亚微米和纳米级的测量方法不断出现,本文对近年几种常见的微纳米计量技术的基本测量原理和方法作了简单的介绍。     

大量程纳米级光栅干涉位移测量

针对传统光栅干涉仪中测量范围和分辨率难以同时提高的问题,提出利用单根大长度、低线数光栅实现大量程、高分辨率位移测量的方法.首先利用长度400mm,栅距10μm计量光栅的±5级衍射光生成条纹图,实现了条纹的10倍光学细分.然后提出一种基于傅里叶变换时移特性的条纹细分新方法,利用相邻两帧条纹图同一位置处相位的变化实现了高达1000倍的条纹电子细分.在此过程中,针对能量泄漏对傅里叶变换法相位提取精度的影响,提出条纹图整周期裁剪的方法,使条纹细分精度至少可达到1/1000条纹周期.仿真和实验结果表明,系统具有纳米级的分辨率和优于10nm的测量精度.     

基于比值线性化的高适应性光栅细分方法研究

电子细分是光栅位移传感器实现纳米级分辨率测量的关键,细分误差由细分方法和光栅信号质量共同决定。针对信号实时修正方法在小步距测量和一些复杂工况环境下的局限性,从提高细分方法对非理想光栅信号的适应性的角度出发,提出了基于信号比值线性化的新型电子细分方法,构建了2种实时补偿信号以进一步提高信号的线性度;详细阐述了所提细分方法的细分原理,分析了其在非理想光栅信号输入情况下的细分误差;实现了最高为0.003μm的理论细分精度和0.08μm的实际细分精度。数值仿真和对比实验结果表明,所提细分方法对非理想光栅信号的适应性明显优于常用的反正切细分法和正余弦绝对值相减细分法。     

基于CPLD芯片的光栅信号细分模块的设计

针对光栅位移传感器信号设计了一种全新的硬件细分模块,在模拟细分基础上由一片CPLD芯片实现二次细分、辨向、计数、锁存和接口设计,可与计算机之间基于增强并行口EPP协议进行在线数据传输,该设计已经应用于大量程光纤绝对测距系统中.     

轮胎胶带测厚信号去噪中的小波分析

分析了轮胎生产中胶带激光视觉厚度测量信号,提出利用时频性很强的小波分析法,对工业胶带测厚信号进行去噪处理.引入重构因子的概念作为信号分析的理论评价标准.结合实验验证方法,找到了工业胶带测厚信号去噪的最优小波基,获得了理想的去噪效果.     

基于EPM7128的光栅位移传感器信号细分电路模块的设计

针对光栅位移传感器输出信号设计了一种通用可行的细分模块，将电阻链细分和逻辑电路细分结合，由一片CPLD芯片EPM7128实现二次细分、辨向、计数、锁存和接口设计，CPLD与计算机之间的数据传输基于增强并行口(EPP)协议，能够实现在线数据采集。在大量程光纤绝对测距系统中应用表明：该设计可完全满足精度要求。     

CIS信号检测与处理技术

ＣＩＳ（接触式图象传感器）是一种新型图象传感器。由于ＣＩＳ头比ＣＣＤ部件更紧凑,因此可使的产品体积更小。阐述了ＣＩＳ的特点,基本结构和信号处理技术,另外,还介绍了自选研制的ＣＩＳ信号处理系统及ＣＩＳ的信号实侧波形。     

基于双光栅的平行度检测

为了对大型目标的平行度进行测量,设计并搭建了一套由双衍射光栅组成的平行度检测系统。采用两块衍射光栅正交组成光路,产生多条平行线作为基准线。通过照相机对参考线和待测目标进行拍照,对获得的图像进行处理,利用参考线的平行度偏差对目标所在平面的倾斜进行矫正,得到待测物的平行度测量结果。测量结果表明这种方法简单准确,满足测量精度高。     

光纤准白光干涉信号数字化处理方法

提出一种光纤准白光干涉信号数字化处理方法。该方法采用干涉条纹脉冲实现干涉包络信 号同步采集,克服了导轨移动速度不均匀造成的影响;通过高斯函数曲线拟合方法高精度确定干涉信号零光程差点;大大提高了准白光干涉信号定位精度。为消除包络信号采样边界点不确定性带来的误差,采用外插法进行补偿。实验表明,采用该方法对光纤准白光干涉信号零光程差位置的定位精度优于0.5个干涉条纹。