周啟武，凌　旭

(重慶理工大學(xué)，機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶　400054)

0　引言

納米位移測量技術(shù)及器件是納米數(shù)控機(jī)床、極大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和國防軍工特殊需求等超精密高端裝備的核心技術(shù)和關(guān)鍵功能部件，是實現(xiàn)納米精度定位與控制的“眼睛”，直接決定和影響著主機(jī)的性能[1-3]。目前，在大量程、高分辨率、高精度的位移測量場合，僅有激光干涉儀和光柵尺是實現(xiàn)mm級以上量程、納米級分辨力的位移測量工具。

光柵的測量精度依賴于精密光刻的技術(shù)水平，光刻技術(shù)受光波波長和光學(xué)衍射極限的制約[4]。激光干涉儀測量精度取決于激光波長，nm級測量已接近激光波長[5]。因此，在nm級精度測量領(lǐng)域，光柵與激光干涉儀均有各自無法突破的瓶頸，需要一種新的測量方法來解決大量程納米精度位移測量的問題。

納米時柵位移傳感器(簡稱納米時柵)是在時柵原理的基礎(chǔ)上提出的一種基于交變電場耦合的時柵測量方法，其基本原理是“利用時空轉(zhuǎn)換思想，以時間測量空間”，即用時間量構(gòu)成空間測量基準(zhǔn)[6-8]，利用時間尺度來提高空間尺度測量的分辨力與精度，以避免光波波長和光學(xué)衍射極限對納米位移測量的影響。

1　納米時柵的工作原理

納米時柵模型如圖1(a)所示，包括：動尺和定尺部分，在動尺和定尺基體上面通過半導(dǎo)體光刻技術(shù)鍍上一層電阻率極低的金屬薄層電極。其對應(yīng)的形狀為：動尺電極為正弦形狀，定尺電極為矩形。動尺電極兩路對稱分布，用導(dǎo)線將感應(yīng)信號引出。如圖1(b)所示，定尺電極同樣成兩排布置，但上、下排電極的起始位置相差1/2個電極寬度W(1～58為電極片)，每個電極片之間有一定的間隙。

(a)納米時柵測量簡易模型

(b)定尺電極的連接圖

定尺上排的奇數(shù)號電極連成一組，偶數(shù)號電極連成一組，兩組電極組通A激勵相信號；下排的奇數(shù)號電極連成一組，偶數(shù)號電極連成一組，兩組電極組通B激勵相信號。動尺與定尺正對平行放置，間隙為δ．動尺上排電極與定尺上排電極正對，動尺下排電極與定尺下排電極正對，形成上、下兩組差動電容。

將A、B兩路激勵信號通過變壓器產(chǎn)生4路激勵信號，如圖2所示，其中，A、B激勵相的表達(dá)式為：

UA=Umsin(ωt)

(1)

UB=Umsin(ωt+π/2)=Umcos(ωt)

(2)

式中：Um為激勵信號幅值；ω為激勵信號頻率；t為時間量。

圖2　A激勵相差動電容模型

當(dāng)動尺與定尺發(fā)生相對移動時，動尺電極耦合的電壓值與正對覆蓋面積呈周期性變化，動尺兩組正弦電極耦合信號分別為Ua、Ub，并形成兩路駐波，其表達(dá)式為：

(3)

(4)

式中：Ke為電場耦合系數(shù)；x為動尺和定尺之間的相對位移；W為電極寬度。

將輸出的兩路電場耦合信號Ua、Ub通過加法器合成輸出一路行波信號Ux，表示為：

Ux=Ua+Ub

(5)

合成后的正弦行波信號Ux與一路相位固定的同頻率參考正弦信號Ur接入整形電路處理，轉(zhuǎn)換為同頻的兩路方波信號后，送入比相電路進(jìn)行處理，利用高頻時鐘插補(bǔ)技術(shù)得到兩路信號的相位差，經(jīng)微機(jī)系統(tǒng)處理后即可得到納米時柵位移傳感器動尺與定尺之間的直線位移量。

2　試驗系統(tǒng)設(shè)計

研究納米時柵位移傳感器的設(shè)計理論的前提是一套超精密的試驗系統(tǒng)，根據(jù)納米時柵的原理要求，所設(shè)計的超精密試驗系統(tǒng)框圖如圖3所示，包括：精密導(dǎo)軌系統(tǒng)，用于驅(qū)動動尺的運(yùn)動導(dǎo)向，通過精確控制導(dǎo)軌的運(yùn)動來實現(xiàn)動尺的運(yùn)動控制；精密基座機(jī)構(gòu)，用于安裝定尺，通過粗調(diào)和微調(diào)基座來保證動、定尺之間平行且等間距；高精度激勵源，用于激勵信號的精度且保持信號同步性，提高精度且同步的激勵信號源，為納米時柵激勵信號提供保證。

圖3　超精密試驗系統(tǒng)框圖

2．1運(yùn)動導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計

納米時柵動尺的運(yùn)動需要借助于運(yùn)動導(dǎo)軌，將其安裝在導(dǎo)軌上。因此，動尺的運(yùn)動特性取決于運(yùn)動導(dǎo)軌的運(yùn)動特性，一套精密的運(yùn)動導(dǎo)軌系統(tǒng)是超精密試驗系統(tǒng)的前提。

傳統(tǒng)的直線導(dǎo)軌系統(tǒng)一般采用的是以滾珠絲杠螺母副為核心的機(jī)械傳動鏈，由伺服電機(jī)通過滾珠絲杠螺母副驅(qū)動機(jī)床的工作臺作直線運(yùn)動。精密滾珠絲杠螺母副傳動雖然具有剛度高、跟隨靈敏、定位精度高等優(yōu)點，但絲杠的制造誤差、裝配誤差、以及傳動間隙誤差都會對控制精度產(chǎn)生影響。在測試納米時柵特性的過程中需要移動速度約10 μm/min，若采用滾珠絲杠傳動，則不容易保證控制精度。因此，為了實現(xiàn)高速、低速、高精度運(yùn)動，通常采用無阻尼的氣浮導(dǎo)軌。特別是在納米時柵特性測試過程中，為了提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，多數(shù)系統(tǒng)采用空氣靜壓導(dǎo)軌實現(xiàn)非接觸支撐，并采用直線電機(jī)驅(qū)動。這樣，不存在導(dǎo)軌摩擦或者絲杠傳動等機(jī)械約束，有利于提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，減少系統(tǒng)建立時間。

實驗系統(tǒng)中，采用美國AEROTECH公司的精密直線氣浮系統(tǒng)作為驅(qū)動動尺移動，其行程為1 200 mm，精度0．75 μm/m．該氣浮導(dǎo)軌安裝在大理石光學(xué)平臺上面，減少基面的膨脹變形。通過氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的搭建，符合超精密納米時柵傳感器動尺的試驗要求。

2．2試驗基座機(jī)構(gòu)的設(shè)計

通過多次試驗，發(fā)現(xiàn)試驗的每次安裝不能保證動、定尺平行且等間距，通過示波器測量動尺的感應(yīng)信號，發(fā)現(xiàn)兩路感應(yīng)信號的幅值不相等。因此，需要設(shè)計一個可以調(diào)節(jié)5個自由度的基座機(jī)構(gòu)來安裝定尺，通過調(diào)節(jié)基座機(jī)構(gòu)的5個自由度，來滿足動、定尺的間距相等且平行。如圖4所示，設(shè)計的基座具有X、Y、Z軸移動，繞Y、Z軸轉(zhuǎn)動的五自由度機(jī)構(gòu)。采用螺旋測微器原理設(shè)計每個軸，使其可以實現(xiàn)大位移和微位移。每次試驗的過程中，通過示波器測量感應(yīng)信號的幅值，微調(diào)五軸，可以使得兩路信號幅值相等。通過五自由度基座的設(shè)計，可以保證每次試驗安裝環(huán)境的一致性，滿足超精密納米時柵試驗系統(tǒng)的設(shè)計要求。

1—繞Z軸旋轉(zhuǎn)軸；2—X軸；3—Y軸；4—繞Y軸旋轉(zhuǎn)軸；5—Z軸；6—定尺；7—動尺；8—動尺安裝板；9—氣浮直線導(dǎo)軌

2．3高精度激勵信號系統(tǒng)設(shè)計

LabVIEW軟件是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，具有直觀、簡便、快速、易于開發(fā)等特點。PXI-5422是專為需要帶寬的時域和頻域測量應(yīng)用而設(shè)計，它提供80 MHz的帶寬，低脈沖偏移、低交調(diào)失真。它還包括以下諸多特性：模擬波形編輯器用于快速創(chuàng)建測試波形；利用SMC 技術(shù)實現(xiàn)與其他PXI模塊間的ns級同步；高達(dá)512 MB的可共享波形與序列存儲；84 MB/s 波形數(shù)據(jù)下載速率等[10]。

利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW軟件和PXI-5422任意波形發(fā)生器硬件設(shè)備，設(shè)計納米時柵信號激勵系統(tǒng)，為研究納米時柵試驗提供了必要條件。

2．3．1前面板設(shè)計

根據(jù)納米時柵激勵信號試驗要求，所設(shè)計的前面板包括：波形參數(shù)、硬件板卡選擇、采樣率、停止按鈕、波形幅值與增益、波形直流偏置等設(shè)置。如圖5所示，儀器前面板中控件主要分為2部分，右邊部分為所產(chǎn)生的波形圖顯示控件，從上往下依次為：方波、正弦及余弦。左邊部分為參數(shù)輸入控件，左上部分為通道選擇部分，總共3路通道對應(yīng)于納米時柵的兩路信號源與方波。左下部分為對3路信號的參數(shù)的設(shè)置，可以設(shè)置幅值、相位、Gain(增益)、偏置等相關(guān)參數(shù)。

2．3．2信號激勵試驗系統(tǒng)程序框圖設(shè)計

5路信號的產(chǎn)生采用NI-FGEN模塊化儀器信號發(fā)生器，它能產(chǎn)生任意波形，利用NI-TCLK模塊使其輸出同步信號。

信號產(chǎn)生流程圖如圖6所示。程序框圖設(shè)計如圖7所示，程序設(shè)計中采用for循環(huán)、While循環(huán)和Case條件判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)成系統(tǒng)程序框架。

圖5　激勵信號前面板

圖6　信號產(chǎn)生流程圖

圖7　程序框圖

3　試驗研究與分析

3．1試驗平臺搭建

根據(jù)納米時柵傳感器試驗系統(tǒng)要求，搭建如圖8所示的試驗系統(tǒng)平臺。包括：虛擬儀器系統(tǒng)，用于提供高精度的激勵信號；精密氣浮直線導(dǎo)軌系統(tǒng)，用于實現(xiàn)動尺各種運(yùn)動特性；納米時柵信號處理系統(tǒng)，用于將動尺感應(yīng)信號進(jìn)行處理得出納米時柵測量值；精密試驗基座機(jī)構(gòu)及激光干涉儀系統(tǒng)(精度±0．7 ppm)，用于標(biāo)定，將其值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

圖8　納米時柵傳感器試驗系統(tǒng)平臺

3．2試驗結(jié)論

通過氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的控制，激光干涉儀作標(biāo)定。每隔5 mm的行程與納米時柵位移傳感器的值對比，測量200 mm范圍內(nèi)得出納米時柵的原始誤差值。如圖9所示，納米時柵在200 mm范圍內(nèi)去原始誤差值約700 nm，符合納米時柵傳感器設(shè)計要求。因此，所設(shè)計的超精密納米時柵試驗系統(tǒng)滿足試驗要求。

圖9　誤差曲線

4　結(jié)束語

通過精密氣浮直線導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計，使得納米時柵動尺的運(yùn)動特性提供了保障；精密實驗基座機(jī)構(gòu)設(shè)計，為動、定尺的安裝環(huán)境的一致性提供了有利的幫助；高精度的激勵信號設(shè)計為納米時柵實驗提供了方便。通過超精密納米時柵實驗平臺的搭建，為納米時柵傳感器實驗研究提供了基礎(chǔ)，為下一步納米時柵傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與精度的進(jìn)一步提高奠定了基礎(chǔ)。

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