高速微位移测量仪

近年来，得益于电子电路的集成化高速发展微电子技术促使着航天航空、生物工程、医疗保健、光学、机械制造等学科技术飞速发展，但是对于工业制作的精度要求也在不断提高。本文设计和实现了以QP50-6-TO8四象限光电探测器为核心的光电转换电路。通过几何光学分析，建立了象散法离焦检测方法，为设计提供了理论依据。在此基础知识之上，通过实际测量得到了离焦信号FES与光电系统输出参数之间的关系。之后在飞思卡尔单片机进行AD数据采样和程序编写，得到了探测范围为-2~+2mm的离焦检测系统。
1.1微位移的应用背景
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一——微位移技术，近些年来，随着微电子技术，宇航，生物工程等学科技术的迅猛发展，尤其是特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路的方向发展和微机械的研究，在电子，光学，机械制造等众多领域中，迫切的需要提高精度，分辨率，可靠性的技术。微位移机构得到迅猛的发展。同时,作为现代工业基础的重要组成部分,微位移技术几乎左右着上述各领域的发展,并引起国内外研究人员的极大关注,微位移测量技术应运而生，并且成为了现代测量技术的一个重要的研究方向。
高精度和高分辨率的精密微位移系统在近现代尖端工业生产和科学研究领域内占有及其重要的位置。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。同时，它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。从70年代后期起，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路发展，随着集成度的提高，要求电路中的各种元件微型化，使有限的微小面积上容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。随着科学技术的发展，更多领域也越来越迫切地需要精密的微动系统，例如，生物，医学，光纤对接，微细加工，微型机器人装配等。微位移技术是现代工业基础的重要部分，它几乎左右着上述各领域的发展。
 
1.2微位移技术的介绍及现状
微位移技术的系统一般有微位移机构、检测装置、控制系统三部分组成。检测装置和控制系统是为了让微位移机构达到更高的精度。也就是当微位移机构达不到预想的精度时，需要检测装置和控制装置不断的纠正和误差修正，使得微位移机构能够更精确的执行，三者关系如下。
微位移机构：即精度高(微米级、纳米级)及灵敏度高的机构，是微位移技术之中的关键部件。用于反应微位移变化的物理量有很多，例如光栅，CCD点阵，可形变的光斑等。
检测装置：也就是传感器，传感器按一定规律将微位移机构的位移量与标准量进行比较从而转换成电压量输出。
控制系统：对微位移系统进行补偿和修正误差，排除由光强或其他原因造成对整个系统造成的非线性误差信息修补。
目前，发达国家都在微位移技术（纳米技术）的研究上投入了大量的资金和人力。美国德国所生产的位移传感器走在前列,具有寿命长、适用范围广、适于高温高压和强振动等一系列极其恶劣的情况下还能够高准确测量等特点,且各种位移传感器都在向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展,已被各军事、工业、农业市场所接受,广泛应用于机械、电力、发电厂、航空航天、冶金、煤炭、石油、铁路、交通、轻工、纺织、建材、水利等行业的工矿企业、科研院所、大专院校、军工单位产品开发与应用的自动测量与自动控制。例如，美国LODTM机床上用的快速刀具伺服机构在±1.27μm范围内分辨率可达2.5nm，频响可达100Hz；日本制作采用柔性支承导轨，压电驱动方式的微位移机构的位移精度为±0.05μm，行程为±8μm，该机构均成功运用于电子束曝机。反观我国，在这方面的研究还比较落后，精密、超精密水平，大规模集成电路的生产水平远远落后于美日等发达国家。因此，开展精密微位移系统的研究有利于缩小我们与先进国家同行业的差距，促进我国精密仪器仪表，精密、超精密加工水平的提高，有利于推动我国大规模集成电路知道的发展，促进我国纳米技术方面的研究。