基于法拉第效应的激光多自由度精密测量方法研究

论文摘要

激光多自由度运动参数同时测量技术具有高测量精度和高检测效率的优点,被广泛应用于集成电路制造、超精密加工和机器人标定等精密领域。因此,开展激光多自由度运动参数同时测量技术的研究具有重要意义。本论文受国家自然科学基金项目“基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数测量方法研究（No:51605445）”的支持,开展了基于法拉第效应的激光五自由度运动参数同时测量方法研究,分析了角度误差耦合直线度准确测量的影响机理,设计了具有角度误差补偿直线度测量的激光五自由度同时测量系统,实现了激光五自由度运动参数高精度同时测量。本论文开展了基于法拉第效应的激光五自由度运动参数同时测量方法研究。进行了五自由度同时测量的理论研究,建立了偏摆角和俯仰角误差耦合直线度测量的数学模型,并利用MATLAB进行了仿真研究;利用SolidWorks软件设计了五自由度同时测量光路结构;优化设计了激光外差干涉信号和位置敏感探测器信号处理系统;基于VB.NET开发了激光五自由度上位机测量软件;对影响直线度测量精度的误差因素进行了分析研究;构建了基于法拉第效应的激光五自由度同时测量系统,并开展了一系列相关实验研究。利用构建的基于法拉第效应的激光五自由度测量系统开展了系列实验研究,以验证五自由度测量可行性和角度误差补偿直线度测量的有效性:（1）激光器的静态稳定性测试实验。实验表明在1小时内,激光器水平直线度静态稳定性的最大偏差为0.44μm,最小偏差为-0.30μm,标准偏差为0.14μm,激光器垂直直线度静态稳定性的最大偏差为0.34μm,最小偏差为-0.20μm,标准偏差为0.09μm,实验结果表明激光器对直线度测量影响较小。（2）温度对直线度测量影响实验。实验表明在2小时内,温度变化了0.054°C,其对水平直线度的影响为0.011μm,对垂直直线度的影响为0.003μm。（3）角度测量与直线度测量验证实验。实验表明在0.06°范围内,角度测量值与M-038.DG1精密转台转角值的最大偏差、最小偏差、标准偏差分别为2.12arc sec、-0.91arc sec、0.73arc sec,验证了角度测量的有效性。实验表明在0.75mm范围内,直线度测量值与XML350磁浮线性位移工作台位移值的最大偏差、最小偏差、标准偏差分别为0.40μm,-0.79μm,0.35μm,实验结果验证了直线度测量的准确性,并具有较高测量精度。（4）直线度测量重复性实验。实验结果表明被测导轨水平直线度三次测量的直线度值分别为:15.02μm、15.17μm、15.35μm;垂直直线度三次测量的直线度值分别为8.71μm、8.44μm、8.71μm。实验结果表明构建的水平和垂直直线度测量系统具有较好的重复性。（5）角度误差补偿直线度测量有效性实验。实验表明当M-038.DG1精密转台从0°顺时针转到0.06°时,水平直线度最大偏差为-14.71μm,标准偏差为4.56μm,经过角度误差补偿之后,直线度最大误差减小到0.68μm,标准偏差为0.25μm,实验结果表明角度误差耦合会影响直线度测量的准确性,而经过角度误差补偿可以提高直线度测量的准确性。（6）直线度测量比对实验。实验结果显示补偿前直线度测量结果与Agilent外差干涉仪测量结果的最大偏差为16.38μm,标准偏差为5.85μm,经过角度误差补偿后直线度测量结果与Agilent外差干涉仪测量结果的最大偏差为3.42μm,标准偏差为1.58μm,实验结果验证了角度误差补偿直线度测量方法的有效性。（7）五自由度运动参数同时测量静态稳定性实验。实验表明在1小时内,轴向位移、水平直线度、垂直直线度、偏摆角、俯仰角测量结果的标准偏差分别为0.003μm、0.303μm、0.47μm、0.08arc sec、0.072arc sec。实验结果表明构建的五自由度同时测量系统具有较好的静态稳定性。（8）五自由度运动参数同时测量实验。实验结果表明被测导轨位移、水平直线度、垂直直线度、偏摆角、俯仰角三次测量值的最大偏差分别为:0.2μm、0.05μm、0.22μm、0.52arc sec、0.68arc sec。实验结果表明构建的五自由度同时测量系统具有较好的重复性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 多自由度测量的国内外研究现状
•     1.2.1 激光干涉多自由度测量法
•     1.2.2 激光衍射多自由度测量法
•     1.2.3 激光准直多自由度测量法
•     1.2.4 误差补偿式多自由度测量法
•     1.2.5 课题组多自由度测量前期研究基础
•   1.3 论文研究内容及结构
• 第二章 方案设计及理论分析
•   2.1 五自由度测量光路方案
•   2.2 五自由度测量理论分析
•     2.2.1 角度测量原理
•     2.2.2 直线度测量原理
•     2.2.3 角度补偿直线度测量原理
•   2.3 角度误差对直线度测量影响的分析与仿真
•     2.3.1 偏摆角误差对直线度测量影响
•     2.3.2 俯仰角误差对直线度测量影响
•     2.3.3 滚转角误差对直线度测量影响
•   2.4 小结
• 第三章 测量系统的设计与实现
•   3.1 五自由度测量光路设计与实现
•   3.2 外差干涉信号处理电路板优化设计
•   3.3 五自由度测量软件
•     3.3.1 外差干涉数据处理模块
•     3.3.2 角度和直线度数据处理模块
•   3.4 小结
• 第四章 测量系统的误差分析
•   4.1 激光漂移误差
•   4.2 半透半反镜误差
•   4.3 直角反射棱镜误差
•   4.4 阿贝误差
•   4.5 小结
• 第五章 系统实验及分析
•   5.1 五自由度测量系统的构建
•   5.2 实验结果及分析
•     5.2.1 激光器静态稳定性测试实验
•     5.2.2 温度对直线度测量影响实验
•     5.2.3 角度测试验证实验
•     5.2.4 直线度测试验证实验
•     5.2.5 直线度测试重复性实验
•     5.2.6 角度误差补偿直线度测试实验
•     5.2.7 直线度测量比对实验
•     5.2.8 五自由度同时测量静态稳定性实验
•     5.2.9 五自由度同时测量实验
•   5.3 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 主要创新点
•   6.2 研究工作总结
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 滕雪英

导师: 陈本永,张恩政,郭斌

关键词: 激光,法拉第效应,多自由度,角度,直线度,误差耦合

来源: 浙江理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 浙江理工大学

基金: 国家自然科学基金项目“基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数测量方法研究(No:51605445)”

分类号: TN24

DOI: 10.27786/d.cnki.gzjlg.2019.000153

总页数: 75

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