光栅尺读数头中发热特性检测方案(量热仪)

【预览】本文利用等温量热仪对光栅尺的发热特性进行了研究，测定得到了光栅尺读数头在正常工况下的实时发热功率。前言光栅尺，也被称为光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，用于直线位移或者角位移的高精度检测，具有检测范围大、检测精度高、响应速度快等特点。光栅尺常被应用于精密设备的伺服系统中，如光刻机工作台、超高精度机床（数控机床）和先进科学仪器等。高精度光栅尺是光刻机或高端机床实现超高定位精度和加工精度的基础。而光栅尺的测量精度除了与制造工艺有关外，还受到器件自身热膨胀系数的影响。读数头发热、环境温度变化或附近存在热源都可能引起光栅尺在工作中发生热膨胀，引入热误差，导致光栅尺难以达到标称精度。据报道，热误差占测量总误差的40-70%[1], 从而迫切需要通过热管理或误差补偿系统进行热误差控制。其中，光栅尺读数头的发热功率是进行热管理设计的重要数据之一。由于读数头内部具有LED光源，其发热功率测量无法直接采用适用于常规电子器件的热功耗计算法。同时，读数头发热功率低（<100mW）、量热精度要求高、测试条件苛刻等难点致使常规测量方法难以满足要求。针对上述问题，本文利用仰仪科技BIC-400A等温量热仪，并基于仪器独有的热流测量模式准确测定了读数头的发热功率，为此类精密器件的热测量提供了一种全新的解决方案。实验部分1. 样品准备样品：海德汉光栅尺×22. 实验条件实验仪器：仰仪科技BIC-400A等温量热仪、恒流源工作模式：热流法实验温度：22℃采样频率：1Hz光栅尺供电电压：12V图1 (a)光栅尺读数头及(b) BIC-400A等温量热仪示意图3.测试过程(1)将两个同样的读数头分别按照图2所示的方式进行组装，并放置于等温量热腔内，其中一个样品作为参比；(2)设置实验参数，等待仪器自动控温至预设实验温度；(3)将实验侧样品连接电源进行工作。仪器测定样品与参比之间的温差变化，并根据换算得到样品实时发热功率。图2 等温量热仪量热腔体及装样示意图实验结果测量结果如图3与表1所示，该读数头的产热功率约为67mW，3次测试重复性优于1%。另外，绿色阴影区域为量热仪实测得到的产热功率变化，蓝色区域为推测的读数头真实产热功率。由于样品自身的热容以及读数头至冷板的导热路径上存在热阻，实测数据存在一定的热滞后现象。根据被测系统的传热特性，可以利用一阶校准公式对热滞后进行修正。图3 读数头实时产热功率测量结果表1 读数头量热结果汇总结论BIC-400A 等温量热仪能够准确测定光栅尺读数头的产热功率，帮助研究人员进行热管理设计，保证光栅尺的测量精度。上述测量方法同样适用于其他精密电子器件的热测量。参考文献[1]王维，杨建国．基于插值算法的数控机床复合误差补偿技术[J]. 上海交通大学学报，2014，48(1)：12-15.