精密仪器课程设计.docx

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1、精密仪器课程设计 精密仪器课程设计 设计题目: 激光干涉纳米位移测量系统设计 姓名： * 学号： * 指导老师：* *年*月 目录 第1章引言 (3) 1.1纳米技术 (3) 1.2纳米测量技术 (3) 1.2.1纳米测量技术的发展 (3) 1.2.2双频激光干涉技术的国内外现状 (5) 第2章总体方案设计 (8) 2.1总体框图 (8) 2.2 双频激光干涉测量系统组成 (8) 第3章检测系统硬件电路设计 (9) 3.1双频激光干涉光路部分 (9) 3.2电路模块 (10) 3.2.1 光电转换 (11) 3.2.2 I/V转换电路 (11) 3.2.3 消直电路 (12) 3.2.4 放大

2、电路 (12) 3.2.5 低通滤波电路 (13) 3.2.6 整形电路 (14) 3.2.7 细分电路 (15) 3.2.8 计数电路 (16) 3.2.9 显示电路 (17) 3.3软件模块 (18) 第4章系统电路总图 (22) 第 5章总结与展望 (23) 参考文献错误！未定义书签。 第 1 章：绪论 1.1 纳米技术 纳米技术作为当前发展最迅速、研究最广泛、投入最多的科学技术之一，被誉为21世纪的科学, 并且和生物工程一起被认为是未来科技的两大重要前沿。科技发达国家为抢占这一高新技术生长点、制高点，竞相将纳米技术列为21 世纪战略性基础研究的优先项目, 投人了大量的人力、物力和财力。

3、纳米技术对许多工业领域已经开始具有非常关键的作用。它不仅将为许多技术难题提供新的解决方案和思路, 而且会进一步提高人们的生活水平, 并有可能在很大程度上改变人们的生活方式。从纳米精度上的机械零件的加工和装配、电子器件的生产制造、扫描探针显微镜的发展、微型机电系统的制造、到纳米结构材料的加工和生物医学系统的制造等，纳米技术正在得到广泛的发展和应用。纳米加工和制造离不开纳米测量。精密计量已不能适应纳米技术发展的要求，而且成为了纳米技术发展的瓶颈。因此，纳米测量技术和测量装置，不仅是21世纪纳米技术实用过程中必须关注的焦点，而且也是21 世纪计量测试领域研究的重中之重。 1.2 纳米测量技术 1.2

4、.1 纳米测量技术的发展 纵观纳米测量技术发展的历程，它的研究主要向两个方向发展： 一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法； 二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。 但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一，而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的,目前应该建立一个合适的纳米环境,寻求新的测量原理和多种技术的综合应用。同时，对纳米材料和纳米

5、器件的研究 和发展来说，表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分，使其在设计和制造中存在许多的盲目性，现有的测量表征技术就存在着许多问题。此外，由于纳米材料和器件的特征长度很小，测量时产生很大扰动，以至产生的信息并不能完全代表其本身特性。这些都是限制纳米测量技术通用化和应用化的瓶颈，因此，纳米尺度下的测量无论是在理论上，还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。 纳米计量技术按照量程、分辨率和测量不确定度的特点，可以分为两大类：一类是激光干涉仪技术，其特点是量程大，可达几十米，但对小于半个光波长的位移需要用电子鉴相等细分方法来实现，由于

6、电子噪声等非线性误差的影响，半波长以内的位移测量并不可靠；另一类是差拍干涉仪技术、射线干涉仪技术、光学射线干涉仪技术、频率测量技术和光频梳技术等，他们的特点是量程小，一般几微米或几十微米，但分辨率和测量不确定度高，可达亚纳米甚至皮米量级。所以为达到测量范围为100 um，分辨率达1nm，选用激光干涉技术。 激光干涉仪使用激光波长作为基本刻度，其位移测量结果可以直接溯源到米定义波长基准，目前使用的干涉仪主要包括单频激光偏振干涉仪和双频激光干涉仪。 单频的是在20世纪60年代中期出现的，最初用于检定基准线纹尺，后又用于在计量室中精密测长。原理：从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分

7、别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果，因而限制了单频干涉仪的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。 双频激光干涉仪是七十年代初期由美国HP公司首先推出的，至八十年代中期十几年间内几乎垄断了世界市场。它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪，

8、和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准 对被测长度进行度量的仪器。由此，此课程设计最终选定基于双频干涉原理，来实现位移测量系统的设计。 双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一，是工业中最具权威的长度测量仪器。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题,具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点,使得干涉测长技术能真正用于实际生产。双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度直

9、线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。 1.2.2 双频激光干涉技术的国内外现状 国外生产激光干涉仪的公司有美国的Ag2ilent (前身为HP) 、ZYGO、英国的Renishaw 等公司。目前世界上有三种比较典型, 也是比较成熟的激光干涉仪: 美国Hew lett Packar d 公司生产的HP 系列双频激光干涉仪; 美国Zygo 公司研制的用于DSW 光刻机X、Y 工作台直线及角位移测量的双频激光干涉测量系统; 以及英国Renishaw公司的激光校准系统。 表1-1 各激光仪参数对比 序号型号激光功率

10、/mW 分辨率/nm 测量精度/pm 测量速度 厂家国别 /m*s-1 1 SP125 15 0.635 2.54103美国 2 ML10 1 1.0 0.1 1 Renishaw 英国 3 AXIOM/20 1.25 0.01 1.8 ZYGO 美国 4 LDDM 10 1 1.4 OPTODYNE 美国 5 HP5527B 1 10 0.1 0.45 HP 美国 6 HP5529 1 10 0.1 0. 7 HP 美国 7 L-1K-10A 1 10 0.1 0.4 TSK 日本 8 M1500 1 0.6 0.4 SIOS 德国 我国于70年代开始了激光测量系统的研制，1975 年由中国

11、计量科学研究院与陕西机械学院研制出我国第一台国产双频激光干涉仪样机，量程为60m ，测量精度为0.5 10-6，到目前为止, 哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学等也相继开展了对激光干涉仪及相关技术的研究, 成都工具研究所已生产出带有测量空气参数装置并进行误差补偿的激光干涉仪。 成都工具研究所的产品主要为MJS 系列激光干涉仪，其较早MJS 系列的干涉仪采用进口激光器的热稳频技术，之后最新第四代的产品是基于双纵模稳频技术，在测速的方面均有所创新和改进。 图1-1 成都产品 MJS 系列激光干涉仪 表1-2 目前国内外干涉仪产品技术指标对比 Agilent Renishaw ZYGO 成都工具

12、所 激 光 头 单/双频 双频 单频 双频 双频 产生双频方法 塞曼效应 / 声光调制 塞曼效应 塞曼效应 最大频差（MHz ） 4 / 20 3.65 1.2 最高测速（mm/s ） 1000 1000 5100 500 300 数据电 路 板 最高测速下分辨率 （nm ） 1.24 1.24 0.31 1.24 20 最高测速下测量范围（m ） 40 80 40 40 20 近年来,随着科学技术的发展,人们对测量工具也提出了更高的要求。为迎合 新的测量要求,双频激光干涉仪也相应向高分辨率、高精度、高测速等几个方向发展。 1、高分辨率 仅依靠光学系统,普通干涉仪的只能达到半波长的分辨率,即0

13、. 1m 量级,目前的干涉仪产品通过电子细分的方法提高测量分辨率。国外Agilent 、ZYGO 等公司的产品可实现2048 细分,最大分辨率达到0. 15nm。清华大学精仪系殷纯永教授的研究小组研制的SJD5 型双频激光干涉仪可实现640 细分,分辨率0. 49nm。 2、高精度与纳微米精密测量溯源 在要求纳米精度的条件下,出现大量科学与技术问题有待解决,诸如:非线性误差(对半个波长分割的不均匀性) 、空气折射率影响、温度压力效应、环境振动影响等问题。同时BIPM 纳米工作组已将激光干涉仪、高精度位移传感器等列入国际计划,纳米精密测量技术的溯源成为迫切需要解决的课题。 制造业的发展迫切需要解

14、决高速加工过程中运动目标的精密测量和定位,许多精密机床的运动速度已达几m/ s ,而从精度等方面考虑,只有激光干涉技术更适合解决以上问题。近年来我国成功地克服了塞曼双频激光器的频差闭锁现象,研究出国内外计量领域多年期盼的中频差(340MHz 频差可控输出) He2Ne 激光器 ,并获得专利。以这种激光器作为光源的双频激光干涉仪将实现4m/ s 的测量速度,其优势在于测量速度快,且稳频系统和信号处理电路相对简单可以实现，不增加太多造价。 双频激光干涉仪向着高分辨率、高精度、高测速等方向发展,为了实现上述目标,其研究领域也在进一步深入拓宽,我们应该加强研究,争取早日研制出具有自主知识产权的仪器,缩

15、小与世界先进水平的差距。 第 2 章：总体方案设计 2.1 总体方案设计 总体框图： 图2-1 总体框图 2.2 双频激光干涉测量系统组成 双频激光干涉测量系统主要由光路和电路两大部分组成。 双频激光干涉光路 光电检测电路 调理电路 放大电路 细分电路 计数电路 单片机系统 位移显示 第 3 章：检测系统硬件电路设计 . 3.1双频激光干涉光路部分 其组成部分：主要包括全内腔HeNe激光器、分光镜、检偏器、干涉镜、光电检测器等组成。 图3-1双频激光干涉光路图 双频激光干涉工作原理： He- Ne 激光器在纵向磁场的作用下, 其0.633um 谱线分裂成频率相差1.5-2.0MHz, 偏振态分

16、别为左右旋的两束偏振光, 经1/ 4 波片后成为正交的线偏振光。在干涉中, 线偏振光经偏振分光器后一个频率的光作为测量光, 另一个作为参考光, 两路光相干后形成拍频信号。当测量反射镜移动时产生多普勒频移f , 其中包含被测位移信息, 对其积分可求出被测位移量。原理如图2 所示, D1接收的信号为f1- f2 的拍频信号, D2接收的信号为(f1-f2)f 的拍频信号, 两路信号相减得到含有被测位移信息的多勒频移f 。代表测量长度的累积脉冲数为: 双频频差与外加纵向磁场的大小成正比, 增加外加磁场的大小可使双频频差增大。但外加磁场也不能无限增大, 频率牵引作用也限制了双频频差的进一步增大。 3.

17、2电路模块 电路模块包括硬件和软件两部分。硬件部分由光电接收元件、信号处理电路及单片机系统组成；软件功能主要实现干涉条纹信号的软件细分, 测量结果数据处理, 以及显示和通信功能。 干涉条纹 图3-2 电路模块 光强在硅光电池上发生移动, 移动量的大小转化为干涉条纹的移动量, 经过硅光电池转化为正弦信号的变化量。经后续电路放大、消直后, 得到两路相差90正弦信号。放大后的信号分成两部分, 一部分让相差90的两路正弦信号转化为对应方波, 让其中一路微分成正向和反向脉冲, 让这两路脉冲与两路正弦信号的方波分别“与”, 并送给单片机的计数器, 从而实现辨向和条纹周期的大数计数。另一部分, 经数模转换,

18、 送给单片机, 实现小数的计算。单片机软件根据软件细分原理进行大、小数的组合处理, 把结果数据储存, 并在显示器上显示出来。 I/V 转换 消直 放大 低通滤波 整形电路 细分电路 89C51 (软件计数) 显示 光电元件 3.2.1 光电转换 光电转换电路能采集双频激光干涉信号，将其转换成正弦电信号。其选择标准包括噪声、响应速度、光谱响应范围、稳定性及工作环境等指标。硅光电二极管的光谱响应范围从可见光到1 100 nm ,响应时间从10 -9s 到10-8s ,响应速度快。选用探测单元为直径为0. 8 mm 的PIN 型高速硅光电二极管S10783 ，其响应度为0. 46A/W，暗电流为0.

19、 01 nA ，结电容为4. 5 p F。 硅光电二极管在光伏模式下工作,可实现非常精确的线性度,被放大的信号只与入射光强成正比。此时暗电流为零,探测器的噪声主要是散粒噪声和电阻的热噪声,当待测信号是微安级的微弱电流信号时,这对提高系统信噪比是非常有益的。 3.2.2 I/V转换电路 I/V转换电路将A 级光电流信号变换成与后续电路匹配的电压信号。光电信号是一种微弱的并含有高频噪声的信号，输入信噪比甚低，因此需要最大限度地抑制噪声，采用低噪声放大器来设计电路。在设计电路时，一方面要检测的光电信号为交流的，要求前置放大电路具有一定的带宽或频率响应特性，另一方面要获得最大的信噪比，而等效噪声带宽又与信号带宽成正比，因此，在保证有用信号不被滤除的情况下，采用压缩前置放大电路的通频带的方法来减小噪声，提高检测信号的动态范围.综上所述，设计的前置放大电路如下图所示。 在器件的选择上，选用低噪声放大器 OP27，其具有极低的噪声，良好的直流精度特性，低失真，高增益和宽达 63MH 的增益带宽等优点，此外，为了获得良好的低噪声性能，电路中一般都选用金属膜电阻器和绕线电阻器，选用损耗较小的云母电容和瓷介电容来降低噪声，在大容量电容中，选用漏电流很小的钽电解电容，小容量电容则选用聚丙烯或聚苯乙烯类型。