基于全内反射外差干涉技术微小角度测量系统的研究.doc

目 录 第一章 绪 论 1 1.1本课题的研究背景 1 1.2角度测量技术国内外发展概况 1 1.2.1 圆光栅测角法 2 1.2.2 内反射小角度测量法 3 1.2.3激光自准直法 5 1.2.4激光干涉测角法 1.2.5环形激光测角法 8 1.2.6本文采用方法和内容 9 第二章 角度测量原理 10 2.1基于光学内反射效应测角法原理 10 2.2外差干涉测量原理 12 第三章 系统设计 16 3.1 系统角度测量原理图 16 3.2系统各部分具体设计 16 3.2.1 系统光路设计 16 3.2.1.1一维临界角角度传感器的光路设计 16 3.2.1.2二维临界角角度传感器的光路设计 17 3.1.1.3角度测量系统光源的选择 19 3.2.2后续处理电路的设计 9 3.2.2.1 PSD信号处理电路 20 3.2.2.2运算电路 23 第四章 系统的分辨率及误差分析 25 4.1 系统的分辨率 25 4.2 误差分析 25 4.2.1 非测量光的影响 25 4.2.2 临界角棱镜两反射表面不平行度误差 26 4.2.3 临界角棱镜反射面平面度 27 4.2.4 在各个棱镜表面非正入射时带来的误差 27 4.2.5 环境因数带来的误差 28 第五章 全文总结及展望 29 5.1全文总结 29 5.2未来工作及展望 29 参考文献 30 致谢 32 第一章 绪 论 1.1本课题的研究背景 随着现代工业及生产制造技术的飞速发展，生产加工技术已经从精密加工时代进入到超精密加工时代，与之相应的测量技术也从精密测量发展到超精密测量和纳米测量，而超精密加工机床及其评价检测技术则在超精密加工技术的发展中起着关键作用。具有高精度高分辨率的驱动定位平台是精密加工机床的基本要素。为了保证该平台的驱动精度，需要有高精度检测平台角度、位移的测量装置。从测量范围和测量精度考虑，一般采用干涉仪或线性编码器。但由于它们都是一个自由度的位置检测装置，不能对二维移动平台的位置进行直接测量。利用干涉仪和由形状精度保证的正交直尺进行组合，虽然使二维测量得以实现，但随着俯仰角(pitching)、侧滚角(rolling)和偏转角(yawing)等必须检测的自由度的增加，干涉仪的数目也必须增加。 1.2角度测量技术国内外发展概况 角度是一个重要的计量单位，角度计量是计量技术的重要组成部分。建国初，我们连简单的多面棱体都需要进口，半个多世纪以来，计量工作者做了大量的工作，建立了我国的角度计量基准器[1]和各级标准器，对角度测量的理论、方法和技术进行了深入的研究，并研制出多种测角仪器以满足经济建设和国防的需求。随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛地应用在工业，科研等各领域，技术水平和测量准确度也在不断提高。近年来，特别是随着电子计算机技术的蓬勃发展，使得角度测量技术得以实现自动化，极大地扩充了角度测量的应用范围。据不完全统计，角度测量方法[2]大致可以按测量原理分为大类，在过去的20年中，角度测量的准确度也达到了这之前的10倍以上。角度测量技术按测量方式可分为静态测量和动态测量两种，由于某些静态测量技术仍然是动态测量技术的基础，且大多数动态测量都能实现静态测量。 测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，机械式测角技术主要以多齿分度盘为代表，电磁式测角技术以圆磁栅为代表。这些方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制。 光学测角方法历来以其极高的测量准确度受到人们的重视，光学测角法的应用也越来越广泛。目前，光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、内反射法、激光干涉法[3]以及环形激光法等。这些方法大多都已成功应用于小角度的精密测量中，并达到了很高的测量精度和灵敏度，但大都限于一维角度测量。在二维测角方面，主要有激光干涉法、自准直仪法和内反射法等。自准直就是在光学上使物和像都在一个平面上，或者说在光学上使物和像分别在共轭平面上，根据这个原理设计的仪器称为自准直仪。从物镜出射的平行光线（成像在无穷远处），经平面反射镜反射回来以后重新进入物镜，在物体所在平面内形成物体的实像。如果反射镜与自准直仪的光轴有一倾角α，则反射偏转角为α，此偏转角的大小是以自准像在焦平面上的线位移s来表示： (1.1) 式中：为物镜焦距；为反射镜倾角。 图1.自准直仪光学原理图 基于激光自准直原理的自准直仪是用于小角度测量或可转换为小角度测量的一种常用计量测试仪器。自准直仪通常分为光学自准直仪和光电自准直仪两大类。光电自准直仪是自准直技术与光电技术相结合的产物。它诞生与40～50年代，自准直