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：1054

【預覽】本文利用電池等溫量熱儀對光柵尺的發(fā)熱特性進(jìn)行了研究，測定得到了光柵尺讀數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(chēng)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(xiàn)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(diǎn)。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(jìn)科學(xué)儀器等。

高精度光柵尺是光刻機或高精度機床實(shí)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(guān)外，還受到器件自身熱膨脹系數的影響。讀數頭發(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，導致光柵尺難以達到標稱(chēng)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(guò)熱管理或誤差補償系統進(jìn)行熱誤差控制。其中，光柵尺讀數頭的發(fā)熱功率是進(jìn)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(fā)熱功率測量無(wú)法直接采用適用于常規電子器件的熱功耗計算法。同時(shí)，讀數頭發(fā)熱功率低（<100mW）、量熱精度要求高、測試條件苛刻等難點(diǎn)致使常規測量方法難以滿(mǎn)足要求。針對上述問(wèn)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頭的發(fā)熱功率，為此類(lèi)精密器件的熱測量提供了一種全新的解決方案。

實(shí)驗部分

1. 樣品準備

樣品：海德漢光柵尺×2

2. 實(shí)驗條件

實(shí)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(shí)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(guò)程

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

(2)設置實(shí)驗參數，等待儀器自動(dòng)控溫至預設實(shí)驗溫度；

(3)將實(shí)驗側樣品連接電源進(jìn)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(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)驗結果

測量結果如圖3與表1所示，該讀數頭的產(chǎn)熱功率約為67mW，3次測試重復性?xún)?yōu)于1%。另外，綠色陰影區域為量熱儀實(shí)測得到的產(chǎn)熱功率變化，藍色區域為推測的讀數頭真實(shí)產(chǎn)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(shí)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(jìn)行修正。