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：3074

【預覽】本文利用電池等溫量熱儀對光柵尺的發熱特性進行了研究，測定得到了光柵尺讀數頭在正常工況下的實時發熱功率。

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、響應速度快等特點。光柵尺常被應用于精密設備的伺服系統中，如光刻機工作臺、超高精度機床（數控機床）和先進科學儀器等。

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], 從而迫切需要通過熱管理或誤差補償系統進行熱誤差控制。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。

由于讀數頭內部具有LED光源，其發熱功率測量無法直接采用適用于常規電子器件的熱功耗計算法。同時，讀數頭發熱功率低（<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，并基于儀器創新的熱流測量模式準確測定了讀數頭的發熱功率，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，其中一個樣品作為參比；

(2)設置實驗參數，等待儀器自動控溫至預設實驗溫度；

(3)將實驗側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，并根據換算得到樣品實時發熱功率。

圖2 等溫量熱儀量熱腔體及裝樣示意圖

實驗結果

測量結果如圖3與表1所示，該讀數頭的產熱功率約為67mW，3次測試重復性優于1%。另外，綠色陰影區域為量熱儀實測得到的產熱功率變化，藍色區域為推測的讀數頭真實產熱功率。由于樣品自身的熱容以及讀數頭至冷板的導熱路徑上存在熱阻，實測數據存在一定的熱滯后現象。根據被測系統的傳熱特性，可以利用一階校準公式對熱滯后進行修正。