光栅拼接旋转误差检测系统

拼接光栅技术是提高高功率激光器输出能量的一条可能途径,为保障高功率激光器光束时空光束质量,拼接光栅角度误差必须小于0.4μrad,位移偏差小于20 nm。为了满足光栅拼接调整系统的高精度高稳定性要求,设计了光栅拼接旋转角度偏差检测方案用于测量两块相邻光栅之间的相对空间姿态。测量系统测量光束与压缩器主光束同轴,利用相移式干涉仪测量待测光,得到若干干涉图样,通过快速傅里叶变换还原波前得到相邻两块光栅相对空间角度偏差。通过实验验证了检测系统的理论可行性,目前在小口径光束下精度达到0.45μrad。测量方案结合拼接光栅只需要测量波面倾斜误差的要求,简化了干涉测量光路及图像分析流程,有利于光栅拼接技术的工程化应用。     

变栅距光栅位移传感结构研究与误差分析

针对传统位移传感器测量精度低、量程小和稳定性不足的问题,文章提出并实现了一种基于变栅距光栅的位移传感器,进行位移特性测试并重点分析了测量过程中的误差问题。实验中将变栅距光栅置于电动位移平台上,通过调节平台位移控制光斑入射位置,建立光栅位移与反射光谱一级衍射中心波长之间的相关关系,实现波长对位移的编码。平台移动范围为0~20 mm,步长为2 mm,往返重复测量6次,记录各位移点处的中心波长,标定传感器的位移特性。针对各位移点重复测量产生的中心波长数据进行误差分析,采用贝塞尔公式结合别捷尔斯法分析各点多次测量数据的标准差,并结合莱以特(3σ)准则进一步判定数据的可靠性。实验结果表明,该传感系统无系统误差和粗大误差;波长与位移呈线性变化,多次重复线性度优于0.9946,传感器全量程平均位移灵敏度为16.67 nm/mm,为基于变栅距光栅位移传感系统的研究提供了一定的参考。     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

基于杠杆原理的新型光纤光栅微位移传感器

设计了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)微位移传感器。基于杠杆原理,通过自由设计不同的力臂长度满足各种测量要求,可以在不损毁光栅的情况下使光栅产生更加显著的应变;其封装不会产生啁啾,可以通过结构的级联实现传感器的复用进行多维多参量的测量。实验结果证明,在微测量范围0.00-0.20 mm内,该微位移传感器的灵敏度达到12.5 nm/mm,较其它梁臂或聚合物封装结构的传感器有很大提高。     

拼接光栅五自由度并联定位机构设计

光栅拼接技术是获得拍瓦激光系统中大口径光栅的一种有效技术途径。通过设计五自由度并联拼接机构,采用滚珠丝杠+压电陶瓷的宏/微双重驱动技术实现毫米工作范围内纳米精度的定位。通过基于有限元法的位移耦合特性分析表明,该机构具有较高的线性度,位移耦合所产生的误差为纳米级,光栅拼接的相对角度偏差小于0.2μrad,位移偏差小于20nm。将两块200mm×400mm的光栅安装在该拼接机构上进行实验研究,获得了清晰的远场焦斑图像,证明该机构可以满足大口径拼接光栅系统的精度要求。     

光栅干涉位移测量技术发展综述

介绍了经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统、同心圆光栅2维位移测量系统、2维光栅位移测量系统的测量原理,阐述了各系统的关键问题及不足之处。同时结合双频激光干涉仪外差干涉思想,在单光栅测量系统的基础上,提出了双波长单光栅式纳米级位移测量方法,并通过分析系统特点指出该方法能实现大量程测量、获得纳米级的精度和分辨力。在对各种测量方法进行综合比较之后,总结了光栅测量的关键问题,并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。     

基于FBG的复杂面形应变场检测系统研究

为了实时采集在受力条件下复杂面形的应变分布,为复杂面形结构的健康程度评估提供数据支撑,设计了一种基于光纤传感网络的复杂面形应变分布实时检测系统。系统由光纤激光器、耦合器、解调仪、光纤传感阵列组成,采用与光学扫描检测数据对比的方法,进行了多种不同施力条件下待测件应变分布的理论分析和仿真计算;实验中采用4组光纤光栅传感器在待测面上正交排布的形式,针对5.0mm铝板进行了测试,并与仿真数据进行了对比。结果表明,应变分布与施力位置、大小、表面结构均有关;实验测得最大波长偏移量为1.324nm,2.547nm和1.643nm,其分别对应的位移偏移量为0.244mm,0.523mm和0.347mm,与激光扫描法标定数据对比,相对均小于10%。该测试数据能够反映面形变化趋势,符合设计要求。     

高精度控制光电光栅刻划机的光栅外差干涉仪

为提高光电式光栅刻划机的控制精度,设计了一种自准直式激光光栅外差干涉仪的新型测量系统。以光栅衍射和偏振光学为理论基础,结合电子学的相关知识对系统进行了理论分析,设计了基准光栅,并进行了大量的实验研究。由实验研究可知,这种利用光栅的自准直衍射和以光栅栅距作为计量基准的干涉测量系统,具有受环境因素的影响低,结构简单、装调方便等优点;采用双频激光得到的测量信号增益大,信噪比高;该系统用于光栅刻划,得到的栅线间距刻划偏差优于10nm,在3mm行程内累积误差约为0.3μm。结果表明,该系统具有纳米级分辨力,用于实时测量控制系统,测量误差很小,完全达到了中阶梯光栅等特种光栅对刻划机的高精度分度要求。     

《学报》与我们共同成长

研究了一种基于长周期光纤光栅的振动传感器波长解调方法,可解调波长范围为1 522～1 538 nm.宽带光源的出射光经光纤布喇格光栅反射后,入射到长周期光栅,经长周期光栅调制后光纤布喇格光栅反射光强会发生变化.通过对谐振波长处光功率的探测,实现光纤布喇格光栅静态、动态信号的监测.通过温度测量实验对监测系统进行标定,实验中光纤布喇格光栅传感器波长偏移量与系统输出电压成线性关系,比值为0.01 nm/mV.将传感器粘贴于铝板表面,采用该系统解调简支铝板结构的微小振动引起的波长变化.系统采集到的动态信号时域波形及频谱与涡电流位移计的测量结果相吻合,表明该系统可实现1 kHz以上的动态应变测量.     

基于DSP的集成光栅细分数显装置的研制

设计了一种新的硬件系统,采用光栅位移传感器结合DSP器件实现了位移测量的数字化;传感器输出信号先采用电阻链分相细分,然后通过TMS320LF2407A内部脉冲编码电路（QEP）完成辨向和二次细分,达到了高精度位移测量的目的．测试实验证明该方法集成度高,实时性好,测量精度高．     

基于STM32的新型皮革厚度测量装置的研制

针对皮革制品厚度检测过程中存在的传统式人工读秒表测试方法误差大、测量精度差、测量分辨率低等诸多问题,设计并实现了一种基于栅式测量技术的新颖实用型皮革厚度测量装置。使用STM32F103C8T6单片机作为主控制器,选取高精度容栅式位移传感器为测量载体;根据QB/T2709-2005要求及装置内部组成结构,分别对其核心电路、控制系统、机械平台进行了研究、设计和制作;对各类皮革进行了测试,分析了影响测量皮革厚度参数的系列因素。结果表明：该装置性能稳定、测量准确迅速,其测量精度为0.001mm。     

He-Ne激光回馈纳米条纹宽度标定方法研究

科技发展需要对各种纳米测量仪器的“纳米”确定性进行检定。介绍了一种基于MSP430F149单片机的Fabry-Parot腔双频高阶弱回馈位移测量系统条纹宽度标定方法,通过计算出测量靶镜运动同一位移时高阶回馈纳米条纹与传统弱回馈半波长条纹的频率之比,精确地标定出激光高阶弱回馈纳米位移测量系统的光学分辨率。测量结果表明系统可溯源的光学分辨率为10.37 nm,加入20倍电细分后系统最终的分辨率为0.53 nm。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。     

双折射双频HeNe激光器功率调谐纳米测量研究

提出了一种基于双折射双频HeNe激光器功能率调谐特性的纳米测量原理,当双折射双频HeNe激光器谐振腔长变化时,利用分裂的两个频率的寻常光（o光）和非寻常光(e光）功率调谐特性实现大范围里λ／2（约为0．3μm)低分辨率的测量,在λ/2范围里用o光和e光的等光强点实现纳米级分辨率的测量,将大范围的粗测和小范围的精测结合起来实现较大范围的纳米测量。     

基于FPGA的BiSS-C协议编码器接口技术研究及解码实现

为了满足光刻机工件台超精密运动控制系统对位移测量的需求,本文提出了基于FPGA的BiSS-C协议解码方法,并针对该方法进行了电路设计以及实验验证。首先,研究了BiSS-C协议内容,就其组网方式和帧格式做了详细的介绍。然后,针对绝对式编码器解码要求,利用FPGA拓展性好、灵活性高等特点,通过状态机,设计了绝对式编码器的数据传输电路,实现了BiSS-C协议的译码功能,并采用CLE-AA容栅尺进行了应用验证。最后,进行了与增量式光栅尺的对比校准实验。实验表明,容栅尺绝对式编码器可实现10kHz的传输速率,运动误差在±5μm之内,其可靠性与准确性满足超精密运动控制系统的粗定位要求。     

单光栅数字莫尔位移测量法

提出了一种使用单光栅测量位移的新方法,在该方法中,光栅信号经放大后由图像传感器阵列接收并被传送至计算机,然后通过与其镜像图像叠加的方式得到数字莫尔条纹,最后利用图像传感器像素的空间均匀性对莫尔条纹直接进行细分进而测得位移量。与传统的双光栅莫尔条纹位移测量法相比,该方法完全消除了光栅副层叠间隙,装调更为方便,而且细分成本更低。在阿贝比长仪上对由周期为20 m的光栅和2 0481 536像素的CMOS图像传感器构成的分辨率为0.04 m的测量系统进行测试,结果表明其最大位移误差优于0.18 m。     

一种基于狭缝波导的纳米传感器研究

提出了一种新颖的纳米传感器结构,其工作原理是利用双狭缝波导中纳米量级结构变化对狭缝波导内光场能量分布的影响.数值仿真结果表明:该结构的传感器对位移变化的最低响应度可达到1 nm量级,测量量程可达到100 nm左右.有望应用于位移、压力、温度等物理量的高灵敏度测量.     

基于AVR单片机的轮胎模具内径测量系统

文中所设计的基于AVR单片机的轮胎模具内径测量系统,采用光栅尺和激光测距仪测量模具内径,单片机通过接收上位机的命令控制步进电机改变测量点,同时控制光栅尺数显表进行数据采集实时返回给上位机。上位机将光栅尺数据和激光测距仪数据进行运算后得到模具的内径,测量精度在4μm以内。