一种用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置及应用的制作方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及精密激光干涉测量技术领域，尤其是涉及一种用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置及应用。背景技术：2.精密激光干涉测量技术以激光为光源，以激光波长或激光频率为基准，利用光的干涉原理，实现位置精度（定位精度、重复定位精度等）纳米量级、亚纳米量级甚至皮米量级的高精度测量，在数控精密加工、基础计量测量、精密定位测距、高端制造等工业和地球重力场测试、引力梯度测量、深空激光通信、空间引力波探测等航天领域有着广泛的应用。作为一个高精度的精密微位移测量系统，激光干涉测量虽然主要以激光波长或激光频率为测量基准，但是整个系统的测量精度还受测量系统其它组成部分的影响，如何实现激光干涉测量亚纳米量级微位移测量的定量标定是本领域技术人员亟待解决的技术问题。技术实现要素：3.本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置。4.为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置，其特征在于：所述用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置包括固定底板、固定顶板和布置在固定底板和固定顶板两者所包绕的空间内的浮动基板，所述固定底板和固定顶板之间设有差动电容传感器，所述差动电容传感器包括定电容上极板、定电容下极板和动电容极板，所述定电容上极板布置在固定顶板的下表面，所述定电容下极板布置在固定底板的上表面，所述浮动基板外表面包覆有一圈动电容极板；所述浮动基板上设有角锥反射镜，所述角锥反射镜的位置满足入射至角锥反射镜的光线可以无遮挡返回。5.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的优选技术方案：所述固定底板和固定顶板之间设置支撑立板，所述固定底板和固定顶板均位于支撑立板的同一侧。6.作为本发明的优选技术方案：所述固定底板布置在主动隔振台上。7.作为本发明的优选技术方案：所述浮动基板设置角锥反射镜的位置处为镂空，且保证的浮动基板的镂空掉部分重量与角锥反射镜的重量一致。8.作为本发明的优选技术方案：所述动电容极板的垂直投影包含且大于定电容下极板和定电容上极板的垂直投影，所述定电容下极板和定电容上极板的垂直投影相重合。9.作为本发明的优选技术方案：所述浮动基板为轻质刚度好的碳纤维材料所加工成型。10.作为本发明的优选技术方案：所述角锥反射镜为bk7玻璃材料，且与选择与衬底晶格常数匹配最好的镀膜材料基于离子束溅射镀膜工艺镀制高反射率膜。11.本发明还有一个目的在于，提供前文所述的用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置在精密激光干涉测量系统定量标定方面的应用。12.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的优选技术方案：所述应用具体包括如下步骤：s1、在差动电容传感器的三个电容极板上加载经过高压放大的驱动电压以产生静电力，调节加载在三个电容极板上的驱动电压可以改变相邻两极板间的静电力，打破平衡状态之后在静电力作用下即可保证浮动基板在固定底板和固定顶板所围绕的空间内形成水平悬浮；s2、浮动基板水平悬浮之后，继续调节加载在三个电容极板上驱动电压的相对大小可以引起浮动基板在竖直方向上产生亚纳米量级的上下平移；s3、浮动基板在竖直方向产生位置平移之后，动电容极板与定电容下极板以及与定电容上极板之间的间距相应均会发生变化，从而导致组成差动电容传感器的上下两个电容传感器的容值大小发生改变，利用差动电容传感器的上、下两个电容传感器，基于差动电容测微技术可以对浮动基板由静电悬浮驱动产生的微小位移进行亚纳米量级高精度的实时监测；利用差动电容测微作为实时位移反馈，配合静电悬浮驱动进行闭环控制，保证浮动基板在静电悬浮驱动下能够实现亚纳米量级的高精度位移，可以作为精密激光干涉测量的位移标定参考基准；s4、精密激光干涉测量标定时，将浮动基板上的角锥反射镜作为激光干涉测量系统的动镜，另外一个固定角锥反射镜作为静镜，静电悬浮驱动浮动基板带动角锥反射镜产生亚纳米量级的定量微位移，利用精密激光干涉测量系统对角锥反射镜的定量微位移进行测量，建立测量结果和微位移之间的定量标定关系，完成对精密激光干涉测量系统的亚纳米量级位移测量标定。13.本发明提供一种用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置及应用，所述用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置利用差动电容测微反馈配合静电悬浮驱动进行闭环控制，实现亚纳米量级的高精度微位移实时监测，并可以作为亚纳米量级高精度微位移参考的基准；同时利用主动隔振台隔离掉地面振动噪声对亚纳米量级高精度微位移装置的振动影响；在亚纳米级高精度微位移装置的浮动基板上巧妙镶嵌一个角锥反射镜，作为精密激光干涉测量系统的动镜，另外一个固定角锥反射镜作为静镜，静电悬浮驱动浮动基板带动角锥反射镜产生亚纳米量级的定量微位移，利用精密激光干涉测量系统对角锥反射镜的定量微位移进行测量，建立测量结果和微位移之间的定量标定关系，完成对精密激光干涉测量系统的亚纳米量级位移测量标定。附图说明14.图1为本发明所提供的用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置的结构图示。15.图2为差动电容测微反馈与静电悬浮驱动的闭环控制示意框图。16.图3为本发明所提供的用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置在精密激光干涉测量系统定量标定方面的应用的方案示意图。具体实施方式17.参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。18.如图1所示，一种用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置，包括固定底板1，支撑立板2，固定顶板3，浮动基板4，差动电容传感器5，角锥反射镜6和主动隔振台7；固定底板1和固定顶板3外廓尺寸一致、均与水平面平行且垂直安装于竖直放置支撑立板2的上下两端、并处在支撑立板2的同一侧；浮动基板4宽度略小于固定顶板3的宽度，悬浮后保证浮动基板4平行于固定顶板3且与支撑立板2无接触，长度大于固定顶板3的长度，且悬浮后保证浮动基板4长度方向左右伸出的两部分长度一致；差动电容传感器5镀制在固定底板1、固定顶板3和浮动基板4之间；角锥反射镜6镶嵌于浮动基板4右侧伸出部分的中间位置，入射到角锥反射镜6的光线可以无遮挡返回；固定底板1放置在主动隔振台7上。19.固定底板1、支撑立板2和固定顶板3采用铝合金材料加工，浮动基板4采用轻质、刚度好的碳纤维材料加工。组成差动电容传感器5的定电容下极板5-1和定电容上极板5-2采用镀金工艺分别镀制在固定底板1上表面和固定顶板3下表面，动电容极板5-3则采用镀金工艺镀制在浮动基板4表面一圈，定电容两个极板的垂直投影相同，动电容极板垂直投影包含且大于定电容两个极板的垂直投影。角锥反射镜6采用bk7玻璃材料实现，并选择与衬底晶格常数匹配性最好的镀膜材料，基于离子束溅射镀膜工艺镀制高反射率膜。主动隔振台7选择目前市面上隔振性能的最好的商用隔振台实现。20.利用差动电容传感器5的上、下两个电容传感器，基于差动电容测微技术可以实现亚纳米量级的实时位移监测。基于差动电容测微反馈，配合浮动基板4的静电悬浮驱动进行闭环反馈控制，可以实现亚纳米量级的高精度微位移，作为位移参考基准。21.固定底板1放置在主动隔振台7上，利用主动隔振台7隔离掉地面振动噪声对亚纳米量级高精度微位移参考基准的振动影响，保证微位移的精确度。22.如图1所示，将浮动基板4右侧伸出部分的中间位置镂空，并在镂空处镶嵌一个角锥反射镜6，精确控制角锥反射镜6的重量，使其重量与浮动基板4镂空掉的部分重量一致，保证镶嵌角锥反射镜6后浮动基板4悬浮后仍然可以保持静态平衡且入射到角锥反射镜6的光线可以无遮挡返回。23.如图3所示，将图1所示亚纳米级高精度微位移装置与精密激光干涉测量系统配合，利用镶嵌于浮动基板4右侧伸出部分的角锥反射镜6作为精密激光干涉测量系统的动镜，可以实现对精密激光干涉测量亚纳米量级高精度的位移标定。24.用于精密激光干涉测量标定的亚纳米级高精度微位移装置在精密激光干涉测量系统定量标定方面的应用，具体地，包括步骤如下：s1、如图1所示，在固定底板1上表面镀制定电容下极板5-1，在固定顶板3下表面镀制定电容上极板5-2，在浮动基板4表面一圈镀制动电容极板5-3，三个电容极板之间形成两个电容传感器，上下两个电容传感器组成差动电容传感器5；在差动电容传感器5的三个电容极板上加载经过高压放大的驱动电压可以产生静电力。如图2所示，考虑到浮动基板的重力作用，在定电容上极板5-2上加载的驱动电压为u0+u，定电容下极板5-1上加载的驱动电压为u0-u，浮动基板4的动电容极板5-3上加载的驱动电压为0，其中u0为基准偏置驱动电压，u为控制驱动电压，取u0=1000v，u在300~700v之间可变。调节加载在定电容下极板5-1和定电容上极板5-2两个电容极板上的驱动电压可以改变相邻两极板间的静电力，打破平衡状态之后在静电力作用下即可保证浮动基板4水平悬浮；s2、浮动基板4水平悬浮之后，继续调节加载在定电容下极板5-1和定电容上极板5-2两个电容极板上驱动电压的相对大小可以引起浮动基板4在竖直方向产生亚纳米量级的上下平移；s3、浮动基板4在竖直方向产生位置平移之后，动电容极板5-3与定电容下极板5-1以及与定电容上极板5-2之间的间距相应均会发生变化，从而导致组成差动电容传感器5的上下两个电容传感器c上和c下的容值大小发生改变。如图2所示，利用差动电容传感器5的上下两个电容传感器，基于差动电容测微技术可以对浮动基板4由静电悬浮驱动产生的微小位移进行亚纳米量级高精度的实时监测；进一步利用差动电容测微作为实时位移反馈，配合静电悬浮驱动进行闭环控制，保证浮动基板4在静电悬浮驱动下能够实现亚纳米量级的高精度位移，可以作为精密激光干涉测量的位移标定参考基准；s4、如图3所示，精密激光干涉测量标定时，将镶嵌于浮动基板4右侧的角锥反射镜6作为激光干涉测量系统的动镜，另外一个固定角锥反射镜作为静镜，静电悬浮驱动浮动基板4带动角锥反射镜6产生亚纳米量级的定量微位移，利用精密激光干涉测量系统对角锥反射镜6的定量微位移进行测量，建立测量结果和微位移之间的定量标定关系，以此完成对精密激光干涉测量系统的亚纳米量级位移测量标定。25.上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。









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