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1 概论1

1．1 表面形貌及其意义1

1．2 表面测量技术发展概况1

1．2．1 接触式测量方法2

1．2．2 光学测量方法8

1．2．3 非光学式扫描显微镜方法17

1．2．4 各种测量方法的比较19

参考文献20

2 基于微恒力位移传感器的表面形貌测量系统23

2．1 微恒力位移传感器的整体设计23

2．1．1 电感传感器存在的问题23

2．1．2 微恒力位移传感器的结构25

2．1．3 信号处理电路27

2．1．4 量程的扩大27

2．1．5 数字滤波28

2．2 传感器的力控制机构30

2．2．1 音圈电机的结构设计30

2．2．2 音圈电机模型的建立31

2．2．3 音圈电机的特征参数及性能分析32

2．3 测量力的控制33

2．3．1 传感器的静态和动态力分析34

2．3．2 稳态误差分析35

2．3．3 稳定性分析36

2．3．4 PID校正网络设计38

2．4 微恒力传感器的动态特性及其测试、控制42

2．4．1 系统动态特性的测试与辨识方法42

2．4．2 传感器的数字仿真43

2．5 基于微恒力传感器的表面形貌测量系统44

2．5．1形貌测量系统的整体设计44

2．5．2 LSTM系统硬件结构设计46

2．5．3 LSTM系统的软件设计54

2．6 系统误差分析、精度验证和应用57

2．6．1 系统误差分析57

2．6．2 音圈电机的测试58

2．6．3 精度验证61

2．6．4 量程验证64

2．6．5 应用65

2．7 线切割音圈电机特性测试65

2．7．1 电机的结构设计与受力分析67

2．7．2 静动态特性测试69

2．8 电感传感器信号的直接数字化处理71

2．8．1 电感传感器等效电路与理论输出信号71

2．8．2 传感器幅位移与相位移数值曲线与分析73

2．8．3 椭圆拟合相位与幅值方法76

2．8．4 实验方法与结果分析77

参考文献79

3 激光聚焦伺服式轮廓仪82

3．1 激光聚焦伺服式轮廓仪的基本原理82

3．1．1 聚焦探测法的基本原理82

3．1．2 傅科刀口法检测原理及其改进83

3．1．3 激光聚焦伺服式位移传感器的整体设计84

3．2 聚焦检测光路的设计与成像分析85

3．2．1 半导体激光器及其自动功率控制电路85

3．2．2 激光束的准直和整形86

3．2．3 光学隔离器87

3．2．4 聚焦物镜87

3．2．5 分束棱镜87

3．2．6 光路成像分析88

3．2．7 聚焦检测信号模型分析90

3．3 聚焦伺服信号及检测95

3．3．1 聚焦误差信号检测96

3．3．2 信号处理96

3．3．3 聚焦误差S曲线97

3．3．4 聚焦伺服执行机构98

3．3．5 功率驱动电路98

3．4 聚焦误差信号的改进101

3．4．1 不同材料改善S曲线与陡坑测量范围分析102

3．4．2快 速焦点跟踪方法与实验测量结果103

参考文献105

4 大量程杠杆式激光干涉测量仪106

4．1 仪器整体结构和工作流程106

4．1．1 仪器的整体结构106

4．1．2 仪器工作流程106

4．2 测量系统的原理与设计107

4．2．1 干涉测量原理107

4．2．2 干涉系统的设计108

4．3 影响干涉条纹间隔宽度的因素分析110

4．4 光源的选择与光学元件的要求110

4．5 干涉测量仪的非线性分析111

4．5．1 干涉测量仪测量数学模型112

4．5．2 实验测量分析114

4．6 干涉条纹的光电接收与处理方法116

4．6．1 满足条纹计数的光电转换李萨如信号分析116

4．6．2 椭圆信号的采集拟合、校正与补偿119

4．6．3 获取条纹光电转换信号的方法124

4．6．4 光电接收信噪比分析136

4．6．5 线阵CCD干涉条纹的处理研究138

4．7 干涉条纹光电信号转换电路149

4．7．1 条纹光电信号硬件四细分处理149

4．7．2 条纹的单片机计数方法151

4．7．3 单片机与计算机的通信151

4．7．4 光电信号的A／D转换152

4．8 高信噪比下提高干涉条纹光电接收频响范围的方法152

4．8．1 无偏压干涉条纹的光电转换分析153

4．8．2 两路光电差分信号的计算154

4．8．3 无偏压光电转换信号幅值与频率的关系155

4．8．4 交直流混合放大电路的设计与分析156

4．8．5 光电转换信号的交直流混合放大输出157

参考文献159

5 基于正交衍射光栅的表面形貌测量仪器二维工作台161

5．1 工作台概述161

5．1．1 常用位移计量方法综述161

5．1．2 世界各国测量机及应用二维平台162

5．1．3 二维位移工作台存在的主要问题165

5．2 平面正交衍射光栅计量方法的研究166

5．2．1 平面正交衍射光栅向量普适表达方程式166

5．2．2 正交衍射光栅的测量原理168

5．2．3 直角棱镜放置位置的设计170

5．2．4 衍射光束方向、位置与光栅偏转、平移关系的理论建模171

5．2．5 衍射光束干涉条纹图的仿真174

5．2．6 测量误差的分析178

5．3 共运动基面与共计量标准器工作台的结构设计与驱动181

5．3．1 工作台整体结构181

5．3．2 共运动基面与工作台导向机构的设计182

5．3．3 粗动工作台偏摆运动误差的计算183

5．3．4 微定位工作台结构及静力学分析184

5．3．5 工作台定位驱动185

5．3．6 共计量标准器工作台结构189

5．4 驱动系统性能分析及虚拟仪器技术的应用189

5．4．1 驱动系统硬件结构设计189

5．4．2 工作台动态特性与稳定性分析190

5．4．3 平面光栅与双频激光两测量系统测量结果的比对与分析200

5．4．4 虚拟仪器技术的应用203

参考文献204