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電池等溫量熱儀用于研究光柵尺發熱特性

更新時間:2023-11-23  |  點擊率:917

【預覽】本(ben)文(wen)利用電池等溫量熱儀對(dui)光柵尺的(de)發熱特性進行(xing)了研(yan)究(jiu),測定得到了光(guang)柵尺讀(du)數頭在正(zheng)常工況下的(de)實時發熱功率(lv)。

前言

光(guang)柵尺,也被(bei)稱為光(guang)柵尺位移(yi)(yi)傳感器,是利用光(guang)柵的(de)光(guang)學(xue)原理工(gong)作的(de)測量反饋裝置(zhi),用于直線位移(yi)(yi)或者角(jiao)位移的高(gao)精(jing)度(du)檢測(ce),具有檢測(ce)范圍大、檢測(ce)精(jing)度(du)高(gao)、響應(ying)速度(du)快(kuai)等特點。光柵尺常被應(ying)用(yong)于精(jing)密(mi)設備的伺服系統(tong)中,如光刻機(ji)工作臺、超(chao)高(gao)精(jing)度(du)機(ji)床(數(shu)控(kong)機(ji)床)和先進科學(xue)儀器等。

 

高精度光柵尺是光刻機或高精度機床實現超高定位精度和加工精度的基礎。而光柵尺的測量精度除了與制造工藝有關外,還受到器件自身熱膨脹系數的影響。讀數頭發熱、環境溫度變化或附近存在熱源都可能引起光柵尺在工作中發生熱膨脹,引入熱誤差,導致光柵尺難以達到標稱精度。據報道,熱誤差占測量總誤差的40-70%[1], 從而迫切需(xu)要(yao)通過(guo)熱管(guan)理或誤(wu)(wu)差補償(chang)系統進(jin)行熱誤(wu)(wu)差控制(zhi)。其中,光柵尺讀數頭的發熱功率是進行熱管理設計的重要數據之一。
由于(yu)(yu)讀數(shu)頭內部具有LED光源,其發(fa)熱(re)功(gong)率(lv)測(ce)量無法(fa)直接采用(yong)適用(yong)于(yu)(yu)常(chang)規(gui)電(dian)(dian)子器(qi)件(jian)的熱(re)功(gong)耗計算法(fa)。同時,讀數(shu)頭發(fa)熱(re)功(gong)率(lv)低(<100mW)、量熱(re)精(jing)度要求高、測(ce)試條件(jian)苛刻等(deng)難點(dian)致使(shi)常(chang)規(gui)測(ce)量方法(fa)難以滿足要求。針對上述(shu)問題(ti),本文利用(yong)仰儀科技(ji)BIC-400A電(dian)(dian)池等(deng)溫(wen)量熱(re)儀,并(bing)基于(yu)(yu)儀器(qi)創新熱流測量模式準確測(ce)定了(le)讀數頭的(de)發熱(re)功(gong)率,為此類精密器(qi)件(jian)的(de)熱(re)測(ce)量提供了(le)一(yi)種全新的(de)解決方案(an)。

 

 

實驗部分

1. 樣(yang)品準(zhun)備

樣品(pin):海德(de)漢(han)光柵尺×2

2. 實驗條件

實驗儀(yi)器:仰儀(yi)科技(ji)BIC-400A電池等溫量熱儀(yi)、恒流源

工作(zuo)模式:熱流法

實驗溫(wen)度:22℃

采樣頻率:1Hz

光柵尺(chi)供電電壓(ya):12V

圖1 (a)光柵尺讀(du)數頭及(b) BIC-400A電池等溫量熱儀(yi)示意圖

3.測(ce)試過程

(1)將兩(liang)個同樣的讀數頭分別(bie)按照圖2所示的方(fang)式(shi)進行組(zu)裝,并(bing)放置于等溫量熱腔(qiang)內,其中一個樣品(pin)作為參(can)比;

(2)設(she)置實驗(yan)參數,等(deng)待儀器自動控溫至預設(she)實驗(yan)溫度;

(3)將(jiang)實驗側樣(yang)品連接(jie)電源進行工作(zuo)。儀器測定(ding)樣(yang)品與參比(bi)之間的(de)溫差(cha)變化,并根據(ju)換算得到(dao)樣(yang)品實時發熱功(gong)率。

圖2 等溫量(liang)熱儀量(liang)熱腔(qiang)體及裝樣示意圖

 

實驗結果

測(ce)量結果如圖3與表1所(suo)示(shi),該讀數(shu)(shu)頭的(de)(de)產熱(re)(re)(re)功率(lv)約為(wei)67mW,3次測(ce)試重復性優于(yu)1%。另外,綠色(se)陰影(ying)區域為(wei)量熱(re)(re)(re)儀實(shi)測(ce)得到的(de)(de)產熱(re)(re)(re)功率(lv)變化,藍色(se)區域為(wei)推測(ce)的(de)(de)讀數(shu)(shu)頭真實(shi)產熱(re)(re)(re)功率(lv)。由于(yu)樣(yang)品自(zi)身的(de)(de)熱(re)(re)(re)容以及(ji)讀數(shu)(shu)頭至冷板(ban)的(de)(de)導熱(re)(re)(re)路(lu)徑上(shang)存(cun)在(zai)熱(re)(re)(re)阻(zu),實(shi)測(ce)數(shu)(shu)據存(cun)在(zai)一定的(de)(de)熱(re)(re)(re)滯后現象。根據被測(ce)系統(tong)的(de)(de)傳熱(re)(re)(re)特性,可以利用一階(jie)校準公式對熱(re)(re)(re)滯后進行(xing)修正。

圖(tu)3 讀數頭實時產熱功率測量(liang)結果

 

表1 讀數頭(tou)量熱結果匯總

 

結論

BIC-400A 電池(chi)等溫(wen)量(liang)熱儀能夠準確(que)測定光柵(zha)尺(chi)讀數頭的產熱功率,幫(bang)助研(yan)究(jiu)人員(yuan)進(jin)行熱管理設(she)計,保證光柵(zha)尺(chi)的測量(liang)精度。上述(shu)測量(liang)方法同樣(yang)適用(yong)于(yu)其他精密電子器(qi)件的熱測量(liang)。

 


參考(kao)文獻
[1]王維,楊建(jian)國.基于插值算法的(de)數控機床復(fu)合(he)誤差(cha)補償技術[J]. 上海交通大(da)學(xue)學(xue)報,2014,48(1):12-15.