新型光場式時柵位移傳感器原理與實驗研究.pdf

1、精密測量技術(shù)水平體現(xiàn)了一個國家的綜合實力和技術(shù)水平，制造技術(shù)的發(fā)展、軍工裝備的提升和高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展等都依賴于精密測量技術(shù)的發(fā)展水平。在眾多精密位移測量方法中，光學(xué)測量以其高精度、大量程、高可靠性等優(yōu)勢占據(jù)絕對主導(dǎo)的地位，其中又以激光干涉儀和光柵傳感器應(yīng)用最為廣泛。然而，由于傳統(tǒng)光學(xué)精密測量傳感器的制造設(shè)備價格極其昂貴，并且國外對我國嚴(yán)格封鎖，導(dǎo)致我國光學(xué)精密測量技術(shù)及設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于先進技術(shù)水平。
　　作者所在課題組研制出了一種以

2、時間脈沖為測量基準(zhǔn)的位移傳感器，發(fā)明并命名了一種新型位移傳感器——時柵。經(jīng)過十幾年的發(fā)展歷程，前期研究的磁場式時柵已經(jīng)取得了有目共睹的成績。然而隨著產(chǎn)業(yè)化進程的深入推廣，現(xiàn)有磁場式時柵因為受電磁感應(yīng)原理、及自感、互感等因素的影響，在測量精度和動態(tài)特性上都難以進一步提高，促使時柵研究工作向某些性能更優(yōu)的光場方向延伸。
　　在此背景下，本文延續(xù)前期時柵傳感器的研究基礎(chǔ)，開展新型光場式時柵傳感器研究，試圖在光學(xué)領(lǐng)域通過構(gòu)建運動坐標(biāo)系的方

3、法，實現(xiàn)時間對空間位移的測量，以降低傳感器制造難度和加工成本。主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　?、購臏y量基準(zhǔn)時空轉(zhuǎn)換理論出發(fā)，闡述了光場式時柵位移測量的關(guān)鍵是構(gòu)建一種光場勻速掃描的運動坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的總結(jié)了實現(xiàn)勻速運動的三種方式為機械運動、構(gòu)造行波和自然行波。并將人為構(gòu)造的空間場強周期性變化的運動方式定義為構(gòu)造行波。對比分析了自然行波與構(gòu)造行波的產(chǎn)生機理、特點和在位移測量中的應(yīng)用。
　?、趶墓獾牟６笮缘谋举|(zhì)出發(fā)

4、，創(chuàng)新性的提出了實現(xiàn)光場式時柵的三種測量方法并對其傳感機理展開研究：
　　1)分析了以電機驅(qū)動和光敏單元時序驅(qū)動的掃描方式，在光場強度恒定的情況下，實現(xiàn)光場勻速掃描的靜態(tài)光場式時柵傳感機理；
　　2)分析了以光強正交調(diào)制，構(gòu)造空間周期性變化的運動光場掃描方式，實現(xiàn)構(gòu)造行波勻速掃描的動態(tài)光場式時柵傳感機理；
　　3)分析了以低頻差圓偏振干涉方法合成旋轉(zhuǎn)光場的掃描方式，實現(xiàn)自然行波勻速掃描的另一種動態(tài)光場式時柵傳感機理。<

5、br>　?、劾镁€陣CCD內(nèi)部集成的高精度光敏陣列單元，結(jié)合靜態(tài)光場式時柵測量原理，提出一種空間均勻分布，時序相互錯開的CCD勻速掃描的測量方式；設(shè)計了一種基于線陣CCD的靜態(tài)光場式時柵傳感器。并開展了相應(yīng)的實驗研究，實現(xiàn)了整周±5"的測量精度。
　?、茉O(shè)計了兩種動態(tài)光場式時柵傳感器，分別為：光場耦合的動態(tài)光場式時柵和差頻干涉的動態(tài)光場式時柵，并重點介紹了光場耦合式時柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等。
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6、態(tài)光場式時柵為例，研制了首個動態(tài)光場式時柵線性位移傳感器樣機，搭建了一套實驗系統(tǒng)。研究了影響光場構(gòu)造行波勻速性的各種因素，分析了各種因素給測量結(jié)果帶來的影響，探索出了一套實現(xiàn)高精度測量的實驗方法。所研制的動態(tài)光場式時柵原理樣機，在54mm測量范圍內(nèi)，實現(xiàn)了±0.5μm的測量精度。
　　綜上所述，本文在對時柵位移傳感器運動坐標(biāo)系構(gòu)建方法的深入剖析的基礎(chǔ)上，從易到難，從簡單到復(fù)雜，從低級到高級，探索出了三種不同級別的運動掃描方式，分別

7、為機械掃描、光場構(gòu)造行波和自然行波合成三種實現(xiàn)方法。并詳細(xì)分析了三種方法的時柵測量傳感機理。分別研制了“CCD時柵”和“光場耦合式時柵”兩種傳感器樣機，開展了大量實驗研究。本課題是剛獲批的國家重點基金項目―大量程納米時柵傳感測量原理及器件基礎(chǔ)研究‖（項目編號：51435002）的一項重點研究內(nèi)容，屬于預(yù)研性質(zhì)的原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究，其研究內(nèi)容無論對于傳統(tǒng)的光學(xué)位移測量還是新型時柵位移測量，都是一個全新的探索過程，可借鑒的資料很少。實驗結(jié)果已驗