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基于虚拟仪器的宏微复合光栅位移测量系统的研究与设计

李彦锋  
【摘要】:微电子制造装备是制造业的一个重要领域,事关国家利益和国家安全。精密测量及末端定位技术作为微电子制造装备的关键技术,对提升我国的综合制造能力有着重大意义,提高电子制造设备的测量精度和速度,同时实现高分辨率的测量成为了当下的研究热点。光栅位移传感器因其制造简单、精度高、成本低等优点,被广泛应用于精密测量领域中,传统的光栅测量技术依靠电子电路对莫尔条纹进行细分来提高分辨率和测量精度,易受外部信号的干扰,在设备高速运动时,容易产生丢步现象,从而降低测量精度。国内对光栅测量技术的研究起步较晚,光栅位移传感器大多依赖于进口,因此,研发设计出高性能的光栅位移传感器迫在眉睫。本文立足于课题组当前研究进展,设计了基于虚拟仪器的宏微复合光栅位移测量系统,利用CMOS图像传感器对光栅图像进行采集和处理来代替对莫尔条纹进行细分的方法,文中对提高光栅位移测量精度、分辨率、速度的问题做了探究,为后期开发新型光栅位移传感器奠定基础。首先,对宏微复合光栅位移测量方法的理论做了细致的介绍,其运用软件计数图像处理后的栅纹得到宏测量位移,利用图像传感器像素点来计算栅线间的微位移,为后续研究打下理论基础。其次,结合位移测量系统的精度、稳定性等要求搭建硬件平台。硬件设备包括图像传感器、光学成像系统、光栅尺、PXI计算机、图像采集卡等,并根据所用设备的尺寸及结构设计便于安装和调节的机械平台,以减小硬件设备给测量带来的误差。然后,将提出的宏微复合位移测量方法在LabVIEW软件平台上进行编程,用G语言来完成光栅图像的采集、处理、显示以及位移的计算等操作。为便于在线进行光栅位移测量、观察及调试,设计了符合本系统要求的人机交互界面。最后,把光栅尺固定在Akibis直线电机的运动平台上,利用设计的软、硬件进行光栅位移测量测量实验,以雷尼绍激光干涉仪为标准进行对比,对测量结果及误差来源做了分析。此外,为了验证系统的可靠性及稳定性,将宏微复合光栅位移测量方法的关键部分在MATLAB上进行分析,说明本系统可以有效解决在长期使用及制造过程中造成的光栅不完整等问题,同时也验证了本文所述对光栅图像处理方法适应性强的优点。在本测量系统的实验条件下,位移测量精度±2μm,运动速度1mm/s,最高分辨率为0.275um。本文所提出的方法及研究成果为光栅位移测量的研究提供了一条新的思路。


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