工业生产技术和生产水平的高速发展,尤其是航空航天测控技术,MEMS制造技术,纳米加工技术等技术的发展和应用,对精密位移测量技术提出了越来越高的要求,推动了精密位移测量技术朝着大量程,多维度和高速度的方向发展。本文将对基于正交衍射光栅的三维位移传感器进行理论研究,解决测量光栅的跟踪速度和细分倍数之间的矛盾,扩展位移测量的维度,实现对XYZ三个方向位移量的测量。本文的主要工作包括1.在对一维光栅、二维光栅的衍射特性和光栅位移测量理论分析的基础上,对传统的基于正交衍射光栅的位移传感器进行改进,采用栅距为1um的二维正交测量光栅和二维正交参考光栅搭建光路,通过对±1级次衍射条纹的检测,实现了XYZ三个方向上位移量的测量。在光路设计中,设计了基于反射镜的分光光路,减少了光束的能量损失,提高了信噪比。使用ZEMAX软件对光路测量原理和分光光路的功能进行了仿真验证。光路结构中,采用光栅的自准直结构对Z轴向的位移量程进行了扩展。2.设计了基于USB总线的信号处理方案。方案中,采用STM32F407作为主控单元,并对干涉条纹的整周期变化数进行计数;对不满一个周期的相位变化,采用软件细分的方法求解。采用正切量化查表细分方法,实现了200倍的细分,克服了信号幅值波动对细分精度的影响。3.在信号处理方案中,在位移辨相和计数电路中,摒弃了传统辨向电路中的积分电路,突破了信号处理电路对测量光栅移动速度的限制。方案中,采用A/D采样电路完成光栅干涉信号的数据采集,而信号的细分和位移量的计算交由PC机处理,减少了下位机的运算量,突破了下位机运算能力有限的瓶颈,并且采用USB3300芯片实现了高速USB传输,提高了测量系统对位移数据的处理速度。4.对信号处理电路的性能进行了测试和分析。对光栅传感器系统的测量误差进行了分析。