電池等溫量熱儀用于研究光柵尺發(fā)熱特性

更新時(shí)間：2024-05-16 | 點(diǎn)擊率：1294

【預(yù)覽】本文利用電池等溫量熱儀對(duì)光柵尺的發(fā)熱特性進(jìn)行了研究，測(cè)定得到了光柵尺讀數(shù)頭在正常工況下的實(shí)時(shí)發(fā)熱功率。

前言

光柵尺，也被稱為光柵尺位移傳感器，是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置，用于直線位移或者角位移的高精度檢測(cè)，具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。光柵尺常被應(yīng)用于精密設(shè)備的伺服系統(tǒng)中，如光刻機(jī)工作臺(tái)、超高精度機(jī)床（數(shù)控機(jī)床）和先進(jìn)科學(xué)儀器等。

高精度光柵尺是光刻機(jī)或高精度機(jī)床實(shí)現(xiàn)超高定位精度和加工精度的基礎(chǔ)。而光柵尺的測(cè)量精度除了與制造工藝有關(guān)外，還受到器件自身熱膨脹系數(shù)的影響。讀數(shù)頭發(fā)熱、環(huán)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(fā)生熱膨脹，引入熱誤差，導(dǎo)致光柵尺難以達(dá)到標(biāo)稱精度。據(jù)報(bào)道，熱誤差占測(cè)量總誤差的40-70%^[1], 從而迫切需要通過熱管理或誤差補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行熱誤差控制。其中，光柵尺讀數(shù)頭的發(fā)熱功率是進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)之一。

由于讀數(shù)頭內(nèi)部具有LED光源，其發(fā)熱功率測(cè)量無法直接采用適用于常規(guī)電子器件的熱功耗計(jì)算法。同時(shí)，讀數(shù)頭發(fā)熱功率低（<100mW）、量熱精度要求高、測(cè)試條件苛刻等難點(diǎn)致使常規(guī)測(cè)量方法難以滿足要求。針對(duì)上述問題，本文利用仰儀科技BIC-400A電池等溫量熱儀，并基于儀器創(chuàng)新的熱流測(cè)量模式準(zhǔn)確測(cè)定了讀數(shù)頭的發(fā)熱功率，為此類精密器件的熱測(cè)量提供了一種全新的解決方案。

實(shí)驗(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

樣品：海德漢光柵尺×2

2. 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：仰儀科技BIC-400A電池等溫量熱儀、恒流源

工作模式：熱流法

實(shí)驗(yàn)溫度：22℃

采樣頻率：1Hz

光柵尺供電電壓：12V

圖1 (a)光柵尺讀數(shù)頭及(b) BIC-400A電池等溫量熱儀示意圖

3.測(cè)試過程

(1)將兩個(gè)同樣的讀數(shù)頭分別按照?qǐng)D2所示的方式進(jìn)行組裝，并放置于等溫量熱腔內(nèi)，其中一個(gè)樣品作為參比；

(2)設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，等待儀器自動(dòng)控溫至預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度；

(3)將實(shí)驗(yàn)側(cè)樣品連接電源進(jìn)行工作。儀器測(cè)定樣品與參比之間的溫差變化，并根據(jù)換算得到樣品實(shí)時(shí)發(fā)熱功率。

圖2 等溫量熱儀量熱腔體及裝樣示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量結(jié)果如圖3與表1所示，該讀數(shù)頭的產(chǎn)熱功率約為67mW，3次測(cè)試重復(fù)性優(yōu)于1%。另外，綠色陰影區(qū)域?yàn)榱繜醿x實(shí)測(cè)得到的產(chǎn)熱功率變化，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橥茰y(cè)的讀數(shù)頭真實(shí)產(chǎn)熱功率。由于樣品自身的熱容以及讀數(shù)頭至冷板的導(dǎo)熱路徑上存在熱阻，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的熱滯后現(xiàn)象。根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的傳熱特性，可以利用一階校準(zhǔn)公式對(duì)熱滯后進(jìn)行修正。