一种交变光场时空耦合的高速高精度角位移传感器研究

Aiming at the pressing need for high speed and high precesion measurement in the high-grade manufacturing equipment, the deficiencies of the high speed and high precision compatibility, the high machining difficulty, and high multiple electronic subdivision difficulty for the traditional optical precision angular displacement sensors, Doppler effect and difficulty in acquiring stable traveling wave with high frequency for existing magnetic field type time-grating sensor in dynamic measurement, a novel high speed and high precision angular displacement sensor based on orthogonal variable light field coupling of time and space which adopts time as measuring standard is proposed. The proposed method adops orthogonal variable light field coupling of time and space to establish a high quality moving reference coordinate system.Through measured results comparison in time domain, high-precision measurement of angular displacement can be realized. Meanwhile high speed and high precision compatibility measurement in spatial axis is achieved in an innovative method using the method of continuous dynamic phase comparison in time axis.Regarding structure, the proposed sensor adopts spatial orthogonal sinusoid illuminate surface array and circumference light-sensitive array to obtain electrical travelling wave. In this way, the proposed sensor can avoid excessive dependent on precise machinery manufacturing. The feasibility technical solution including high quality travelling wave signal generation, high speed and high precision angular displacement measurement achievement is proposed.The final target is to design a high speed and high precision compatibility angular displacement sensor prototype which can be suitable for precision direct-drive turntable and achieve or close to that of international advanced level.

针对高档制造装备对高速状况下的高精度测量需求越来越迫切，而现有的光学精密角位移测量技术存在高速高精度测量难以兼容、机械加工与高倍电子细分难度大等问题；以及现有磁场式时栅在动态测试过程中存在类多普勒效应，同时高频、高稳定的行波信号难以获取等问题；提出一种以时间为测量基准的由交变光场时空耦合的高速高精度角位移传感方法。该方法在测量原理上，利用交变光场时空耦合方式构建高质量运动参考系，实现时间量对空间量的精密测量；同时，创新时空转换测量方法，用时间轴上连续的动态比相方法，实现空间轴上高速高精度位移测量；在传感器结构上，用空间正交的正弦形透光面阵列和圆周光敏阵列获取电行波信号，从传感机理避开对精密机械制造的依赖。提出了获取高质量电行波信号和实现高速高精度角位移测量的可行性技术方案。拟研制出一种适用于精密直驱转台的单一传感器兼顾高低速高精度测量的角位移传感器样机，达到或接近国际先进水平。

本项目针对现有光学精密位移测量技术存在高速高精度测量难以兼容、机械加工与高倍电子细分难度大等问题，提出一种制造难度低的高精度光学位移测量方法。重点开展了运动光场构造方法研究，包括光源设计、交变光场、光强空间调制、透光面型结构设计等研究工作，探索了一种可获取高精度运动光场构造方法，以及利用此运动光场实现精密位移测量的传感理论研究。在此基础上，开展了不同速度下的自适应动态比相测量方法研究，验证了本项目提出的连续动态比相方法对解决高速下等时间采样“时-空”一致性问题的有效性。结合理论和仿真分析，开展了传感器样机研制和实验研究工作，完成了传感器误差理论模型建立和传感器优化设计工作。项目研究过程中，分别尝试了0.9mm、0.6mm和0.3mm等多种栅距的原理样机研制和实验验证；对栅距为0.6mm，测量范围为500mm的直线传感器样机进行精度测试，得到对极内误差为±0.2μm，全量程±2μm的测量精度；进一步，研制了一种整周封闭测量的角度位移传感器，用对极周期为4°的空间分度，实现了360°范围内±1.5″测量精度。实现了采用毫米级栅距获得亚微米级测量精度的研究目标，为光学领域提供了一种不依赖类似于光栅的空间细分实现精确测量的新的测量方法，为采用国内相对落后的光刻工艺获取高精度测量提供了一种科学可行的解决方案。进一步，通过项目后期工程化应用研究，将有助于解决制造领域精密位移测量对国外测量装置的严重依赖性，具有较大的科学意义和应用价值。