光栅干涉位移测量技术,作为能够实现纳米级位移测量的技术之一,其具有体积小,成本低,结构简单,易于仪器化等优点。相比于传统的激光干涉仪,它以实物形式提供测量基准,对环境条件的要求相对较低,使用稳定可靠,零点漂移极小,同时可以获得比几何莫尔术更高的测量精度和分辨力,在诸如生物制药、微电子、超精加工、航天科学、材料科学等领域具有广阔的应用前景。本文以解决光栅位移测量中大量程和纳米级精度这一矛盾为核心,主要围绕双波长单光栅位移测量的原理、理论模型、光路设计、外差干涉信号的处理等相关内容进行了深入的研究,论文的具体工作及主要创新点体现在以下几个方面:1.首次将双波长激光应用于单光栅位移测量系统,给衍射后的干涉条纹随位移的变化引入一个载波,把普通单光栅干涉测量的直流信号系统转变为双波长单光栅式干涉测量的交流信号系统,从而大大增强系统的抗干扰能力和稳定性。2.基于基尔霍夫标量衍射理论,建立了双波长单光栅位移测量光学系统的理论模型,通过研究双波长高斯光束和光栅衍射的数学模型,推导了双波长激光照射光栅时合光场的场强分布;同时,利用Matlab程序仿真分析了干涉后的合光场,得到了光栅衍射场的外差干涉余弦信号,验证了双波长单光栅干涉位移测量方法的可行性。3.在分析光学系统理论模型的基础上,设计了双波长单光栅位移测量方法的光学结构,讨论了激光器、分光器、偏振分光棱镜和计量光栅这些关键光学器件的选择;在外差干涉的理论基础上,建立了双频激光器性能非理想对测量精度所造成影响的误差模型,分析讨论了影响误差大小的主要因素,并通过实验仿真得到了误差变化的规律。4.研究了脉冲填充测量相位的方法,同时把锁相环混频降频技术与脉冲填充法结合起来,实现了中高频外差信号的相位解调,拓展了外差信号的处理技术。5.提出了基于FPGA和锁相环混频技术的整小数相位测量相结合的数字相位测量方法,实现了外差相位信息的整周期测量以及小数相位的高倍细分,并通过设计多组相位测试实验,验证了该方法可以实现测量精度优于0.03°以及整周期的准确测量。