用于六自由度納米工作臺(tái)的位移傳感器研制.pdf

1、本學(xué)位論文選題為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“納米三坐標(biāo)測量機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究”(5017524)的后續(xù)研究。項(xiàng)目中研制了一個(gè)六自由度納米工作臺(tái),該工作臺(tái)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)通過抗蠕變和抗遲滯的驅(qū)動(dòng)方法使工作臺(tái)的定位精度達(dá)到了0.050μm,但工作臺(tái)的定位速度較慢,不能應(yīng)用于快速場合。本論文的目的是利用位移傳感器進(jìn)行工作臺(tái)位置反饋,通過閉環(huán)控制來提高六自由度納米工作臺(tái)的定位速度,從而拓展它的應(yīng)用范圍。為與納米工作臺(tái)匹配,位移傳感器的體積應(yīng)在2

2、0mm×20mm×40mm安裝空間內(nèi),測量范圍不小于30μm,測量誤差小于±0.050μm,位移分辨率不低于0.01μm。光纖微彎式位移傳感器具有體積小、造價(jià)低、系統(tǒng)簡單、測量靈敏度高和不易受環(huán)境干擾等特點(diǎn),能滿足六自由度納米工作臺(tái)的要求。因此,本文對(duì)微彎式光纖位移傳感器進(jìn)行了研究,主要研究成果如下:
　　 1.根據(jù)光纖微彎理論,分析了微彎調(diào)制周期和光纖結(jié)構(gòu)等因素對(duì)微彎式光纖位移傳感器靈敏度的影響,基于分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了光路系統(tǒng)并

3、確定了光纖、光源和光電探測器等關(guān)鍵部件的參數(shù)。
　　 2.基于體積小、精度高、靈敏度高和光纖防斷的要求,設(shè)計(jì)并制作了位移傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu),其中包括微彎調(diào)制機(jī)構(gòu)、基于雙彈簧片的微動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和上下限位機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究了關(guān)鍵零件安裝方法對(duì)傳感器靈敏度和重復(fù)性的影響。所研制的傳感器體積為20mm×20mm×37mm,滿足了微動(dòng)臺(tái)的要求。完成了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較好的重復(fù)性。
　　 3.基于線性

4、放大、低噪聲和抗干擾性強(qiáng)的要求設(shè)計(jì)了傳感器信號(hào)調(diào)理電路。該電路實(shí)現(xiàn)了微變信號(hào)的提取、濾波和線性放大;通過電源濾波器和接地技術(shù),減少了外界干擾對(duì)電路的影響。在數(shù)字信號(hào)處理中,利用比值處理方法,減小了光源波動(dòng)對(duì)測量精度的影響。
　　 4.完成了微位移測量系統(tǒng)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和測量誤差標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,位移傳感器在線性和重復(fù)性較好的測量區(qū)域內(nèi)的最大測量誤差為±0.052μm,分辨率低于0.01μm。