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。     

纳米级电容测微系统的研究

本文首先介绍了非接触式高精度电容测微仪的基本工作原理,进而详细论述了纳米级电容测微技术中所涉及到的非线性误差、环境噪声等关键技术问题,对典型驱动电缆方案作了比较。根据原理模型,给出了仪器的主要结构。对仪器自身产生的各种误差进行了详细的分析,并提出了相应的消除或修正方法。换用不同有效直径的传感器可以使仪器分辨力达到0.1nm,测量范围±2~±50μm,满量程非线性优于0.5%。该仪器可广泛应用于通过串口、USB口通信的高精度动、静态微位移测量及纳米定位。     

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.     

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.     

纳米测量中的光栅信号细分技术

文章介绍了一种高精度位移测量方法,以LabVIEW作为工具,对高精度线性衍射光栅干涉仪(LDGI)的正交弦波信号进行采集、处理和分析,进行准确、快速的计数和细分,计算出精确的位移,并进行方向判断.以软件进行信号处理、位移计算,并对可能存在的信号异常进行纠错,简化了硬件,减少了电气环节引入的干扰.实验数据表明:该方法有效地进行高精度位移测量,标准差在20nm以下.     

高精度光栅干涉测量技术及仪器

在超精密测量和控制技术中,对测量精度提出了越来越高的要求,如尺寸精度１ｎｍ和角度０．００１。由于光栅具有精度高、抗干扰能力强、寿命长和价格便宜等优点,最近几年光栅干涉测量技术被广泛研究和使用。本文简单介绍几种在超精密测量和制造过程中常用的微纳米光栅干涉测量技术。     

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.     

光栅式指示表检定仪示值误差测量结果不确定度评定

随着数字化仪器的问世,现在越来越多的企业将数字化的仪器代替了以前的机械仪器,指示表检定仪也不例外。用传统的量块检定光栅式指示表检定仪时,往往由于大量块自身重力的原因可能对仪器示值引入误差,所以本文将分析一种新的检定标准——光栅测微仪代替量块检定光栅式指示表检定仪示值误差测量结果的不确定度评定。通过分析,光栅测微仪也能满足检定要求,且它具有测力小、读数直观等特点,较量块检定光栅式指示表检定仪来的更为方便。     

激光测微仪测量准确度的研究

本文分析了激光测微仪测量部分的基本原理，讨论了主要部件所带来的测量误差，并在此基础上提出了有效的误差校正方法，以提高仪器的测量准确度。     

差动光栅在精密测试中的应用

提出差动光栅概念,举例说明差动光栅在光纤面板刀口响应测试和材料形变自动监测系统等精密测试中的应用。     

用神经网络技术实现的高精度光栅测量装置

描述了一种用神经网络技术实现的高精度光栅测量装置。该装置采用BP神经网络对光栅信号进行细分，在仅用7个训练样本的情况下，细分精度可达0.18μm，使装置的分辨率得到很大提高，同时，简化了硬件设计，提高了系统的可靠性。     

非调制式光纤细分光栅测量系统

本文介绍一种测量速度快、抗干扰性能好的光纤细分光栅测量系统，细分数可达数百。     

纳米计量光栅传感器的应用

计量光栅就是在玻璃、金属等基体上刻有密集规则线条的计量元件。我们将刻线准确度达到纳米量级的计量光栅称为纳米计量光栅．简称纳米光栅。它与传统的计量光栅相比。具有超精和超细两个特征。我国从上世纪50年代开始刻线技术的研究，其中，计量光栅技术是研究的重点。近20年来，计量光栅技术提高到了纳米量级和亚纳米量级，形成了一整套纳米光栅测量技术，并且以这套技术为依托在北京郊区建立了基地。进行大范围推广应用。     

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。     

长度光栅测量系统的误差修正技术

长度测量技术是近几年工程建设、工业生产等领域研究最多的问题,其测量系统分辨率早已经达到微米、亚微米乃至纳米等级。本文就长度光栅测量工作中出现的误差来源分析,简单的阐述了有关误差修正技术,仅供同行工作参考。