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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:2024-05-16  |  點擊率:1239

【預覽】本文利用電池等溫量熱儀對光柵尺的(de)發(fa)熱特性(xing)進行了(le)研究,測定得到了(le)光柵尺(chi)讀數頭在(zai)正常工況下的(de)實(shi)時發(fa)熱功率(lv)。

前言

光(guang)柵尺,也被(bei)稱(cheng)為光(guang)柵尺位(wei)移傳感器,是利用(yong)光(guang)柵的光(guang)學(xue)原理(li)工作(zuo)的測(ce)量反饋(kui)裝置,用(yong)于直線位(wei)移或(huo)者角位移(yi)的高(gao)精(jing)度(du)檢測(ce),具有檢測(ce)范圍(wei)大、檢測(ce)精(jing)度(du)高(gao)、響應速度(du)快等特點。光柵尺常被應用(yong)于精(jing)密設(she)備的伺(si)服系統中,如(ru)光刻(ke)機(ji)(ji)工作臺、超(chao)高(gao)精(jing)度(du)機(ji)(ji)床(數控機(ji)(ji)床)和先進科(ke)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(po)切需(xu)要通過熱(re)管理(li)或(huo)誤(wu)差補償(chang)系統進(jin)行熱(re)誤(wu)差控制。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。
由于讀(du)數(shu)頭內部具有LED光(guang)源(yuan),其發熱功率測量(liang)(liang)無法直接(jie)采用(yong)適用(yong)于常(chang)(chang)規(gui)(gui)電子器件(jian)的熱功耗計算(suan)法。同時,讀(du)數(shu)頭發熱功率低(di)(<100mW)、量(liang)(liang)熱精度要(yao)求(qiu)高、測試(shi)條(tiao)件(jian)苛(ke)刻等難點致(zhi)使常(chang)(chang)規(gui)(gui)測量(liang)(liang)方(fang)法難以滿足(zu)要(yao)求(qiu)。針對(dui)上述(shu)問(wen)題,本文(wen)利用(yong)仰儀科技BIC-400A電池(chi)等溫量(liang)(liang)熱儀,并(bing)基(ji)于儀器創新熱流測量模式準確測定了(le)(le)讀數頭(tou)的發熱功率,為此類精(jing)密器(qi)件的熱測量提供了(le)(le)一種全新的解決方案(an)。

 

 

實驗部分

1. 樣品準備

樣品:海德漢(han)光柵尺×2

2. 實(shi)驗(yan)條件

實(shi)驗儀(yi)(yi)器:仰(yang)儀(yi)(yi)科技BIC-400A電(dian)池等(deng)溫量熱(re)儀(yi)(yi)、恒流源

工(gong)作模式:熱流法

實驗溫度:22℃

采(cai)樣頻率(lv):1Hz

光柵尺供電(dian)電(dian)壓:12V

圖1 (a)光柵尺(chi)讀(du)數頭(tou)及(ji)(b) BIC-400A電池等溫量熱(re)儀示意圖

3.測試過(guo)程

(1)將(jiang)兩個(ge)同樣的(de)(de)讀數頭分(fen)別(bie)按(an)照圖2所示的(de)(de)方式進行(xing)組裝,并放置于等溫量熱腔內,其中一個(ge)樣品作為參比;

(2)設(she)置實驗(yan)參數(shu),等待(dai)儀(yi)器(qi)自動控溫(wen)至預(yu)設(she)實驗(yan)溫(wen)度(du);

(3)將實驗側樣品(pin)(pin)連接電源進行工作(zuo)。儀器測定樣品(pin)(pin)與參比之間的溫差變化,并(bing)根據換(huan)算(suan)得到樣品(pin)(pin)實時(shi)發熱(re)功率(lv)。

圖(tu)2 等溫量熱儀(yi)量熱腔體(ti)及裝(zhuang)樣示(shi)意圖(tu)

 

實驗結果

測量結果如圖(tu)3與表(biao)1所(suo)示(shi),該讀(du)(du)數(shu)頭的(de)(de)產(chan)熱(re)功(gong)率約(yue)為(wei)67mW,3次測試(shi)重(zhong)復(fu)性優于1%。另(ling)外(wai),綠(lv)色陰影區域為(wei)量熱(re)儀實測得(de)到的(de)(de)產(chan)熱(re)功(gong)率變化,藍(lan)色區域為(wei)推測的(de)(de)讀(du)(du)數(shu)頭真實產(chan)熱(re)功(gong)率。由于樣品自身的(de)(de)熱(re)容以及讀(du)(du)數(shu)頭至(zhi)冷板(ban)的(de)(de)導(dao)熱(re)路徑上存在熱(re)阻,實測數(shu)據存在一定(ding)的(de)(de)熱(re)滯后現(xian)象。根據被測系統的(de)(de)傳熱(re)特性,可以利用一階校準公式對(dui)熱(re)滯后進行修正。

圖3 讀數(shu)頭實時產熱功率測量結果

 

表1 讀數(shu)頭量熱結(jie)果匯(hui)總

 

結論

BIC-400A 電池等溫(wen)量(liang)熱(re)儀能夠(gou)準確測定(ding)光(guang)柵(zha)尺(chi)讀(du)數頭(tou)的產(chan)熱(re)功(gong)率,幫助研究人員進行(xing)熱(re)管(guan)理(li)設(she)計,保證光(guang)柵(zha)尺(chi)的測量(liang)精(jing)度(du)。上述測量(liang)方法同(tong)樣(yang)適用(yong)于其他精(jing)密電子器件的熱(re)測量(liang)。

 


參考文獻
[1]王維(wei),楊建國.基于(yu)插(cha)值算法的數控機床(chuang)復(fu)合(he)誤差補償(chang)技術[J]. 上海交通大學(xue)學(xue)報(bao),2014,48(1):12-15.