電池等溫量熱儀用于研究光柵尺發(fā)熱特性

更新時間：2024-05-16 | 點擊率：1675

【預(yù)覽】本文利用電池等溫量熱儀對光柵尺的發(fā)熱特性進行了研究，測定得到了光柵尺讀數(shù)頭在正常工況下的實時發(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)原理工作的測量反饋裝置，用于直線位移或者角位移的高精度檢測，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應(yīng)速度快等特點。光柵尺常被應(yīng)用于精密設(shè)備的伺服系統(tǒng)中，如光刻機工作臺、超高精度機床（數(shù)控機床）和先進科學(xué)儀器等。

高精度光柵尺是光刻機或高精度機床實現(xiàn)超高定位精度和加工精度的基礎(chǔ)。而光柵尺的測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)致光柵尺難以達到標稱精度。據(jù)報道，熱誤差占測量總誤差的40-70%^[1], 從而迫切需要通過熱管理或誤差補償系統(tǒng)進行熱誤差控制。其中，光柵尺讀數(shù)頭的發(fā)熱功率是進行熱管理設(shè)計的重要數(shù)據(jù)之一。

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

實驗部分

1. 樣品準備

樣品：海德漢光柵尺×2

2. 實驗條件

實驗儀器：仰儀科技BIC-400A電池等溫量熱儀、恒流源

工作模式：熱流法

實驗溫度：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.測試過程

(1)將兩個同樣的讀數(shù)頭分別按照圖2所示的方式進行組裝，并放置于等溫量熱腔內(nèi)，其中一個樣品作為參比；

(2)設(shè)置實驗參數(shù)，等待儀器自動控溫至預(yù)設(shè)實驗溫度；

(3)將實驗側(cè)樣品連接電源進行工作。儀器測定樣品與參比之間的溫差變化，并根據(jù)換算得到樣品實時發(fā)熱功率。

圖2 等溫量熱儀量熱腔體及裝樣示意圖

實驗結(jié)果

測量結(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次測試重復(fù)性優(yōu)于1%。另外，綠色陰影區(qū)域為量熱儀實測得到的產(chǎn)熱功率變化，藍色區(qū)域為推測的讀數(shù)頭真實產(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，實測數(shù)據(jù)存在一定的熱滯后現(xiàn)象。根據(jù)被測系統(tǒng)的傳熱特性，可以利用一階校準公式對熱滯后進行修正。