为提高计量型扫描电镜位移系统的稳定性及测量精度, 对位移系统中的机械位移台进行仿真分析, 获取相关振动参数。依据机械位移台工况建立模型, 运用有限元方法对它进行静力及模态分析, 获取机械位移台系统结构的振动参数; 在模态分析的基础上对机械位移台进行谐响应分析, 获取外界载荷频率与位移台上平面应力、应变、变形以及加速度之间的关系。机械位移台的静刚度为6.634×105 N/mm; 水平X, Z两运动方向的耦合比分别为15.22%和17.63%; 通过上层平面振动参数关于频率的响应曲线, 得出危险频率为7 750 Hz左右, 即第8阶固有模态下的频率。X, Z两运动方向耦合较为明显, 在对机械位移台进一步改进中, 避开危险频率的同时, 需对其进行位移补偿。

针对光学电动位移台的精确控制要求,以ATMEG16A单片机为控制器,设计了一款位移台绝对位置寻址系统。位移台电机采用步进电机,其驱动器采用L293D,寻零开关采用KW6A微动开关,单片机通过IO口向L293D传送步进电机电平,实现位移台的精确移动,通过微动开关,可以固定位移台零位,实现绝对位置寻址。由位移台的重复定位精度测量结果可知,重复定位精度达25 μm,实现了位移台的绝对位置寻址精确定位控制。

针对传统串联式微位移机构具有的结构不紧凑和刚度较低等问题, 本文设计了一种结构紧凑、具有高分辨率和高刚度的并联式自解耦二自由度微位移平台。该平台采用了4个对称布置的嵌套式平行导向机构, 使得平台具有刚度对称和自解耦等特点。本文还对嵌套式平行导向机构的工作原理进行了分析。通过有限元方法仿真分析了微位移平台在不同受力状态下的变形情况, 并对其进行了模态分析。经实验测量, 证实了该平台具有自解耦功能, 并得出了微位移平台的实际行程, 且其输出位移也被证实具有较为良好的线性度。

研究了基于补偿式柔性平行四杆机构的高精度位移平台的运动精度，对变形板尺寸误差、比例杆球心距误差和内外变形板装配夹角误差等误差源进行了分析计算。采用半梁模型分析了变形板，得到变形板行程与耦合位移量的关系，给出了平台直线度误差和耦合位移量误差关于平台位移和变形板尺寸的表达式。使用自准直仪和高精度微分测量头对平台直线度和耦合位移量进行了测量，结果表明：该补偿式结构的高精度无导轨位移平台在大行程(5 mm)工作时，仍具有较高的运动精度，直线度小于1.5″，耦合位移量小于13.7 μm，与理论分析吻合。

为了提高成像质量,得到高分辨率的图像,通过对灰度投影法进行分析,提出一种基于灰度投影法运动估计的成像CCD平移补偿法,给出其系统结构图。该方法采取只平移成像CCD，探测CCD固定，即在成像CCD补偿位移量的过程中，探测CCD不补偿位移，探测CCD在成像开始的第一帧为全局参考帧，其他帧与之比较来获得位移量。验证了分辨率标板在各种运动情况下系统的补偿效果,对拍摄的实物图像进行恢复，结果证明：该补偿法对慢速运动图像和随机振动图像具有较高的恢复能力。

为了完善高精度位移平台性能,提高平台位移直线度和定位精度,研制了制造成本较低的高精度无导轨位移平台机构。根据平行四边形和比例杆运动原理,设计了无导轨平台结构。介绍了平台的工作原理,并对其运动部件进行了有限元分析。用自准直平行光管和高精度测量头分别检测了平台的位移直线度和升、降位移误差,实验结果得出,该机构的位移直线度误差小于1",升、降位移误差小于0.02 mm,达到了平台设计要求。应用结果表明,该平台安装方便、体积小、易于养护,在有无重力的条件下均能正常使用,可应用于航天或其它领域的高精度位移系统中。