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《中国计量科学研究院》 2005年
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2.5维大范围纳米激光干涉测长信号处理子系统的研究

高宏堂  
【摘要】:纳米科学技术是二十世纪80年代发展起来的新兴科学技术,它的研究受到世界各国的广泛关注,而纳米测量技术作为纳米科学技术的一个重要分支,迫切需要解决目前机械、材料、电子等工业中纳米级高精度测量问题。国家十五重大科技专项课题“2.5维大范围纳米测量与校准系统”就是为解决我国机械、微电子等工业中的纳米测量的量值溯源问题而开展的。本文所研制的激光干涉测长信号处理子系统属于课题中较为关键的一部分,将用于大范围纳米激光干涉测长信号实时处理。 论文首先介绍了纳米技术及高精度激光干涉位移测量技术的发展现状,以此为基础,分析和介绍了课题的纳米级高精度共模抑制偏振激光干涉光学系统。 干涉信号处理是全文的重点。论文首先分析和设计了一套配合干涉仪光学部分使用的信号处理硬件电路系统,该电路系统由低噪声前置放大,干涉信号调理及放大,高速DSP数字信号处理三部分组成。干涉信号的处理方案采用以软件为主,硬件为辅的方案。为了能够提高信号处理的精度和速度,论文对干涉信号及其误差做了全面分析,确定信号三差(信号的直流电平误差、幅度不等误差和正交误差)是干涉信号中的主要误差。这样,以消除干涉信号三差为出发点,研究和分析了干涉信号误差的补偿方法,确定了离线误差补偿和在线动态误差补偿两种补偿方案。在动态补偿方案中,创新地提出了纯软件的动态误差补偿方案(P方法补偿)。最后,以信号误差补偿为基础,完成了干涉仪纳米级高分辨率测量软件的设计。 论文最后部分给出了一套能够验证电路及软件系统精度的试验系统,对设计出的干涉信号处理电路及软件系统的精度和数据处理方法做了试验验证。试验结果表明,电路系统自身分辨率约为0.04nm,P方法动态误差补偿精度和速度比传统的Heydemman方法都要好,电路系统可以用于大范围纳米激光测长干涉仪。 本论文的研究成果将为课题“2.5维大范围纳米测量与校准系统”的完成提供重要的技术保障,为早日实现国家纳米测量技术基标准的建设做出贡献。
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