提高激光干涉测量系统精度的方法与途径

激光干涉系统的测量精度会受到系统本身机械结构及光学元件布局的影响,因此采用了耦合差动干涉的方法,使影响测量精度的各种因素尽量由干涉系统自身予以消除,提高了干涉仪的分辨率和稳定性．利用以Heyde- mann修正模型为基础的误差补偿方法,对干涉信号中存在的非正交误差、不等幅误差及直流电平漂移误差进行了修正．根据多点拟合的原理,提出了减小运算量的新算法．设计了以C8051F005单片机为核心的电路补偿模块,实现了以上3种误差的实时补偿．实验结果表明：通过采取以上措施,该干涉测量系统在10mm的测量范围内取得了10～12nm的测量精度．

纳米测量系统的研究现状与展望

本文介绍了纳米测量系统的各个组成部分 ,即探测系统、位移系统、计量系统、信号处理及控制系统 ,综述了国内外的研究状况和相关产品 ,在此基础上提出了一种集驱动、定位、测量、伺服控制、信号处理等技术于一体的实用型二维纳米测量技术 。

全自动陀螺经纬仪寻北技术研究

分析陀螺经纬仪工作原理,探索实现陀螺经纬仪自动化的关键技术,设计了陀螺仪数字测量单元、陀螺仪灵敏部自动升降单元、粗寻北自动控制单元,经DSP和CPLD的总体控制协调,结合全自动寻北算法方案,完成了一种与精寻北相结合的自动化寻北系统的实验装置,实现光标自动采集、仪器操作的自动化与智能化、寻北结果的计算与显示等功能,测量时间为12 min时,寻北精度(1σ)为6.3″;测量时间为4 min时,寻北精度(1σ)为18.7″。

可溯源至质量的静电力复现与测量技术

为实现10-5N以下微小力值的测量及溯源,提出了一种高精度、可溯源至质量的微小力值测量系统,采用受控静电力发生装置复现微小力值,其基本工作原理是基于一种精密设计的圆柱形电容器,电容器内外电极同轴,外电极固定不动作为参考电极,内电极由弹性机构支撑和导向,通过改变内外电极间的电压产生静电力,从而将力学量追溯至电容及电压等电学量,利用砝码质量与静电力平衡的原理,可以实现微小力值的溯源。实验结果表明：电容变化梯度为0.82 pF/mm,完全可以复现10-6~10-9N范围内的静电力。

高精度激光干涉条纹细分系统

在激光干涉测量中,通常以相位差为90°的两路信号进行辨向计数和细分,而在这两路信号中普遍存在着非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差,这些误差的存在严重地影响了测量结果的精度。因此,设计了以C8051F单片机为核心的电路补偿模块,采用以Heydem ann模型为基础的误差修正方法,对以上3种误差进行了动态补偿,进而实现了纳米级精度的位移测量。

高精度单频激光干涉仪的设计与试验研究

提出了一种光学8倍频的耦合差动式干涉光路,其结构设计简洁紧凑,光路布局对称性好,光程差倍增,符合阿贝原则和结构变形最小原则。对系统精度在理论分析的基础上进行了估算,得出了在10mm范围内干涉仪综合精度的理论值约为±1.8 nm。采用与电容测微仪比对的方法对该系统进行检测,利用线性回归的方法对测量结果进行处理。试验结果表明:该干涉测量系统的精度约为14 nm。

纳米级压电微动台的设计研究

提出了一种新颖的"推—拉"接力运动原理,并将其应用于纳米级步距压电微动台的设计中。该原理变传统的单驱动器结构为双驱动器结构,避免了运动过程中的悬空状态,配以适当的四路驱动信号,使压电微动台能够实现连续、平稳的运动。根据使用要求设计了驱动控制系统,通过C8051F单片机产生四路驱动信号,以保证压电微动台在不同频率和电压下进行工作,并实现了整个系统的闭环控制。

陀螺经纬仪自动粗寻北系统的设计研究

提出了一种利用电子罗盘实现陀螺经纬仪粗寻北自动化方案。通过分析电子罗盘的原理和影响其精度的因素，对电子罗盘进行了校准。设计了基于DSP的控制电路，根据电子罗盘的输出驱动系统指向粗北方向。实验结果表明：电子罗盘粗寻北系统的精度在±30’以内，完全满足使用要求，粗寻北时间由10-15min减少到1-2min。

二维纳米激光测量系统的研究

介绍了一种新型的纳米级精度的二维激光干涉测量系统.该系统以光学8倍频的耦合差动式干涉光路为基础,在获取大量测量数据的基础上,利用线性回归的方法对测量结果进行处理.系统结构设计简洁紧凑,符合阿贝原则和结构变形最小原则,与普通的迈克尔逊干涉仪相比具有光路布局对称性好,光程差倍增,抗干扰能力强等优点.通过与电容测微仪比对的方法对该系统进行检测.结果表明,该干涉测量系统的精度为10～12nm.

超微力发生系统及其电容采集模块的设计

阐述了静电场复现微小力值的原理及实验方法;设计了超微力发生装置,并在此基础上提出了超微力发生系统;超微力发生的原理表明,电容采集模块是超微力发生系统的关键模块。根据超微力发生装置结构,选用USB控制芯片CY7C68013和电容采集芯片AD7747,设计了基于USB2.0的电容采集电路,编写了固件和上位机控制程序实现了电容数据的采集和保存;进行了电容梯度测量实验。

转台分度误差的检定及补偿模型的建立

用误差补偿的方法提高转台分度精度是一种经济、有效的技术措施,用比较法对转台的分度误差进行了检定,并分析了其测量不确定度;从转台分度误差的来源出发,根据转台分度误差的周期性等特点和谐波分析的结果,并结合最小二乘法、三次样条插值、傅里叶级数拟合3种模型的特点,通过分析,选择傅里叶级数作为转台分度误差的补偿模型,并对3种模型的拟合效果进行了比较.应用傅里叶级数模型对精度为17.82″的转台进行补偿,补偿后转台的分度误差最大值为2.36″,从而验证了分度误差模型的正确性和可行性.

转台分度误差检测及补偿技术的研究

采用0.3″的精密多齿分度台与平面反射镜组合,对转台分度误差进行检测。针对多齿分度台安装倾斜对检测结果产生影响的问题,提出了利用双轴光电自准直仪Y轴读数补偿调整误差的方法。根据转台分度误差是由多次谐波叠加的特点,采用谐波分析的方法对测量得到的离散数据进行拟合处理,得到用于转台分度误差补偿的连续曲线模型。对分度误差为17.82″的转台进行实测和误差补偿,补偿后转台的最大分度误差为2″。

陀螺经纬仪自适应智能下放系统

自动下放系统一直是牵制陀螺经纬仪全自动化进程的关键环节。针对现有陀螺仪,提出基于旋转步进电动机驱动陀螺仪凸轮轴的自动下放方案,设计下放结构及总控制系统,分析影响陀螺下放摆幅的决定性因素,通过大量试验总结出下放摆幅在理想范围时半脱位置与光标初始位置的关系,基于此提出自适应智能运动控制系统,即根据光标初始位置与半脱位置的关系曲线建立下放速度方案数据库,对不同的光标初始位置自动查询相应的半脱位置设置电动机速度从而实现智能控制。通过对自动下放系统进行平稳性、下放摆幅及重复性对比试验,表明该系统有效可靠,实现陀螺在不同托起状态下均能下放在正常工作区域,且陀螺运行平稳,有效地解决自动下放限幅的瓶颈,显著地提高自动化程度和测量精度。

趋势预测1/8周期快速寻北法

保证陀螺经纬仪寻北精度的同时,缩短寻北时间实现快速寻北具有重要意义.从陀螺仪寻北原理出发,建立陀螺运动轨迹的数学模型.基于数字化测量光路建立了非线性回归模型,通过欠周期的采集数据,预测整周期函数信息,研究1/8周期快速寻北方法,实现陀螺开始寻北1 min以内高精度快速寻北,开辟快速寻北的新途径.以改进型JT-15陀螺仪为样机的寻北试验表明,在陀螺开始寻北56 s内,仪器寻北测量精度优于0.831 1'.

基于智能陀螺经纬仪实现快速初寻北

机械陀螺经纬仪初寻北时间的长短是决定其寻北效率的关键因素。从陀螺仪寻北的原理出发,在智能寻北系统中引入了一种快速寻北新方法——加速度判定法。该方法通过计算光标运动的速度与加速度值,能够在陀螺开始寻北数秒后即测量出真北值,并且能够弥补电子罗盘初寻北精度过低的问题,是全自动寻北策略的重要组成部分。以JT-15陀螺仪为样机的寻北实验表明,将加速度判定法应用于智能寻北系统中,仪器初寻北测量精度优于3′54″,满足了JT-15陀螺仪精寻北的条件要求,保证了全自动寻北的速度和精度,对于机械陀螺的快速及智能化寻北具有现实意义。

陀螺灵敏部的精密升降定位控制

设计了基于微型旋转步进电机的陀螺灵敏部精密定位测量控制的结构,采用最优化升降速原则,实时精确定位,实现步进电机的稳态运行控制,并实现陀螺灵敏部下放时精确的位置和速度控制,时间短,效率高,克服了人工下放、托起陀螺房带来的耗时和不稳定性。实验结果表明:应用步进电机自动精确定位可以控制陀螺灵敏部摆幅为53′～139′,陀螺仪实现精密的寻北特性,寻北重复性定位精度达到8″。

陀螺经纬仪全自动化关键技术的研究

基于传统悬挂式机械转子陀螺仪,探索了实现陀螺经纬仪全自动化与智能化的关键技术。设计了陀螺经纬仪数字化采集子系统、电子罗盘自动粗寻北子系统、陀螺灵敏部自动升降子系统以及基于MSP430与CPLD的智能控制系统。各子系统通过总控制系统协调工作,实现了陀螺经纬仪寻北的全自动运行。大量寻北实验表明:该系统有效可靠,陀螺运行平稳,重复测量精度达到了8″以内。该寻北系统大大降低了陀螺仪寻北的操作难度,有效地提高了寻北效率和测量精度,为实现陀螺经纬仪全自动化和智能化奠定了基础。

基于激光干涉的准直技术检测系统的构建

通过分析和比较当前国内外直线度误差测量情况,提出了一种基于激光条纹干涉的准直技术的检测系统。系统利用楔形平板上下两表面的反射作用,将一束经准直扩束后入射的激光分解为交角2α的交叉光束,在两束平行激光束交叉的范围内便产生等厚干涉条纹。测量前调整并固定好激光器和楔形平板等激光发射装置的位置,以保证测量过程中干涉条纹不发生移动。测量时当导轨上某点存在凸起或凹陷时,接收靶在导轨轴方向上发生上下位置变动,干涉条纹相对于接收靶也会产生位移变化。通过线阵CCD可以检测到接收靶在导轨不同测量点处干涉光照射在CCD像敏面上的位置,处理后得到导轨的直线度误差。

基于DSP的便携陀螺逆变电源设计

设计了一种基于TMS320LF2407A的高性能陀螺逆变电源系统,采用SPWM技术获得了恒压恒频的三相正弦交流电输出,具有集成度高、功耗低的特点,实现了电源的便携、小巧;通过完善的故障检测和处理电路,提高了系统的可靠性;采用陷波滤波和低通滤波相结合的滤波电路,有效减少了输出电压和电流中的开关谐波分量。实验结果表明,电源的电压稳定度小于等于0.28%,频率稳定度小于等于0.05%,满足陀螺仪对电源的各项指标要求。

基于干涉条纹的激光准直仪的研究

在所研究的直线度激光测量系统中,以激光干涉光作为准直测量的基准,CCD作为光电转换元件,进行导轨直线度误差的测量与计算。通过系统的重复性实验以及与光电自准直仪的比对实验表明:测量系统的测量距离可达10m以上,可检测x轴方向上30 mm以内的位移变化量,分辩力可达0.001 mm。其性能指标基本达到了预定目标。