專利名稱：：氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及微位移測量方法，具體涉及一種氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法。
背景技術(shù)：
：氣體靜壓潤滑是實現(xiàn)超精密測量的核心技術(shù)，氣體靜壓導(dǎo)軌由于摩擦力小、運動平穩(wěn)、精度高、幾乎無熱變形是實現(xiàn)納米級分辨力的首選方案。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，采用我國傳統(tǒng)方法在空氣靜壓導(dǎo)軌與氣膜相垂直的法線方向進(jìn)行測量時，有氣膜振動現(xiàn)象，通?？蛇_(dá)3050nm的量級。此振動成為制約超精密測量發(fā)展的重要瓶頸。在氣體靜壓潤滑技術(shù)的發(fā)展中，如何有效抑制氣膜振動問題成為國內(nèi)學(xué)者研究的重點問題之一。通過對氣膜厚度和氣膜剛度的連續(xù)、亞微米分辨力的測量，實現(xiàn)超薄氣膜潤滑，從而抑制導(dǎo)軌振動，提高測量精度。氣膜厚度的測量屬于微小位移測量領(lǐng)域，從原理上講，測量方法主要分為光學(xué)法和電學(xué)法兩類。隨著激光的問世和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的光學(xué)方法被應(yīng)用到微小位移檢測當(dāng)中，例如激光干涉儀，紅外近焦光譜儀等光學(xué)儀器被廣泛應(yīng)用于納米級精度定位當(dāng)中，但光學(xué)法普遍對光強(qiáng)、波長等參數(shù)以及實驗室測量環(huán)境等都具有較高要求，并不適用于超精密導(dǎo)軌的測量。電學(xué)法主要有電感測微法和電容測微法。其中瑞士TESA公司生產(chǎn)的高精密電感測微測頭最高精度可達(dá)0.01iim，配備相應(yīng)的測量電路也可以實現(xiàn)微位移的測量。但通常電感測微測量電路設(shè)計復(fù)雜，不適用于快速測量。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法，能夠精確地測量出氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下(1)將壓強(qiáng)為0.2MPa0.8MPa的空氣經(jīng)過氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的節(jié)流孔送入氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面的接觸面，借助其靜壓使氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元懸浮起來，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間形成一層氣膜，實現(xiàn)氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元純空氣摩擦的直線運動；(2)電容測量裝置的一端連接氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元，另一端連接氣體靜壓導(dǎo)軌工作面，測量氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容C，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算出氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度；(3)計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的氣膜厚度S，^=￡^，其中￡是空氣的介電常數(shù)，s是氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面相c對應(yīng)一側(cè)的面積；(4)計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的氣膜剛度G，G=丁，其中W為氣體靜壓導(dǎo)軌承載力。所述的氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元節(jié)流孔孔徑為0.10.4mm，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的形狀為方形或圓柱形，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的工作面為平面或凹面。所述的氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面的凹面為凹圓錐面或單葉雙曲面。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明利用電容式測量方法可以精確、連續(xù)地測量氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度大小。本發(fā)明適用于精密氣體靜壓導(dǎo)軌，尤其適用于超精密、納米氣體靜壓導(dǎo)軌的氣膜厚度和氣膜剛度的測量。圖1是氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為平面時氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法示意圖。圖2是氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為凹圓錐面時氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法示意圖。圖3是氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為單葉雙曲面時氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法示意圖。圖4是氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法流程圖。圖中1.氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元，2.平面，3.凹圓錐面，4.單葉雙曲面，5.氣體靜壓導(dǎo)軌工作面，6.電容測量裝置，7.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。具體實施例方式如圖1所示，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為平面，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元連接電容測量裝置的一個測量端口，氣體靜壓導(dǎo)軌工作面連接電容測量裝置的另一個測量端口，電容測量裝置的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接，通過數(shù)據(jù)處理計算得到氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度值。如圖2所示，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為凹圓錐面，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元連接電容測量裝置的一個測量端口，氣體靜壓導(dǎo)軌工作面連接電容測量裝置的另一個測量端口，電容測量裝置的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接，通過數(shù)據(jù)處理計算得到氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度值。如圖3所示，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為單葉雙曲面，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元連接電容測量裝置的一個測量端口，氣體靜壓導(dǎo)軌工作面連接電容測量裝置的另一個測量端口，電容測量裝置的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接，通過數(shù)據(jù)處理計算得到氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度值。如圖4所示，以氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面為平面，氣體靜壓導(dǎo)軌工作面為平面的情況為例，其中，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元為方形，長90mm，寬60mm，節(jié)流孔直徑為0.3mm，開設(shè)雙環(huán)聯(lián)結(jié)形均壓槽；氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法的流程是(1)、將壓強(qiáng)為0.2MPa0.8MPa的空氣經(jīng)過氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的節(jié)流孔送入氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面的接觸面，借助其靜壓使氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元懸浮起來，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間形成一層氣膜，實現(xiàn)氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元純空氣摩擦的直線運動。(2)、利用電容測量裝置TH2617電容測量儀測量氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元和氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容C;將電容測量儀的一個測量端口與氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元相連，電容測量儀的另一個測量端口與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面相連，觀察記錄實驗測量結(jié)果，判斷測量結(jié)果是否可靠，如結(jié)果出現(xiàn)明顯錯誤，調(diào)整設(shè)備重新測量，如測量結(jié)果可靠，將測量結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)電容值計算氣膜厚度值。(3)、計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的氣膜厚度S，根據(jù)公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中e是空氣的介電常數(shù)，常溫常壓下為8.85X10—"F/m，s是氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面相對應(yīng)一側(cè)的面積，對于實驗中所采用的方形氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元而言，其面積為5.4X103mm2。根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算氣膜厚度值，并判斷結(jié)果是否可靠，如結(jié)果出現(xiàn)明顯錯誤，則重新測量計算，如計算結(jié)果可靠，則繼續(xù)計算氣膜剛度值。(4)、計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的氣膜剛度G『<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中W為導(dǎo)軌承載力。判斷計算結(jié)果是否可靠，如計算結(jié)果出現(xiàn)明顯錯誤，則返回上一步重新測量計算，如測量結(jié)果可靠，則顯示氣膜厚度和氣膜剛度值。完成一次計算之后返回，準(zhǔn)備下一次測量。利用上述測量方法進(jìn)行氣膜厚度和氣膜剛度測試實驗，氣體靜壓導(dǎo)軌靜承載力為8.41N，選取幾組實驗測量數(shù)據(jù)如下<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上述具體實施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求一種氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法，其特征在于該方法的步驟如下(1)將壓強(qiáng)為0.2MPa～0.8MPa的空氣經(jīng)過氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的節(jié)流孔送入氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面的接觸面，借助其靜壓使氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元懸浮起來，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間形成一層氣膜，實現(xiàn)氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元純空氣摩擦的直線運動；(2)電容測量裝置的一端連接氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元，另一端連接氣體靜壓導(dǎo)軌工作面，測量氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容C；通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算出氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度；(3)計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的氣膜厚度δ，其中ε是空氣的介電常數(shù)，s是氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面相對應(yīng)一側(cè)的面積；(4)計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的氣膜剛度G，其中W為氣體靜壓導(dǎo)軌承載力。F2009101545584C0000011.tif,F2009101545584C0000012.tif2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法，其特征在于所述的氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元節(jié)流孔孔徑為0.10.4mm，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的形狀為方形或圓柱形，氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元的工作面為平面或凹面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法，其特征在于所述的氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元工作面的凹面為凹圓錐面或單葉雙曲面。全文摘要本發(fā)明公開了一種氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度的電容式測試方法。利用電容測量設(shè)備測量氣體靜壓導(dǎo)軌工作時氣體靜壓導(dǎo)軌氣浮單元與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容量，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度以及氣膜剛度。本發(fā)明利用電容式測量方法可以精確、連續(xù)地測量氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度和氣膜剛度大小。本發(fā)明適用于精密氣體靜壓導(dǎo)軌，尤其適用于超精密、納米氣體靜壓導(dǎo)軌的氣膜厚度和氣膜剛度的測量。文檔編號G01B7/06GK101706247SQ200910154558公開日2010年5月12日申請日期2009年11月12日優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日發(fā)明者張雯,方波,李東升,滿楠,禹靜申請人:中國計量學(xué)院