氣膜介電常數(shù)與供氣壓力的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)研究
氣膜介電常數(shù)與供氣壓力的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)研究
基于電容法測量氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度的原理,進(jìn)行供氣壓力與氣膜介電常數(shù)相關(guān)性的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,環(huán)境條件不變的情況下,供氣壓力范圍在0.1~0.48MPa之間,氣膜介電常數(shù)與供氣壓力呈顯著負(fù)相關(guān)并符合4階多項(xiàng)式關(guān)系,擬合決定系數(shù)R2均大于0.94,該結(jié)果為氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜電容模型的建立提供了依據(jù)。
超精密機(jī)床與加工技術(shù)是裝備制造業(yè)發(fā)展的要基礎(chǔ)技術(shù)之一,其中,軸系和導(dǎo)軌是其兩大核心技術(shù)。氣體靜壓潤滑技術(shù)具有運(yùn)動平穩(wěn)、摩擦小和精度高等優(yōu)點(diǎn),但在納米精度應(yīng)用中,形成氣膜時在運(yùn)動副偶件間易產(chǎn)生數(shù)十納米的隨機(jī)振動,此振動成為制約氣體靜壓導(dǎo)軌精度指標(biāo)的重要因素。通過對氣膜厚度進(jìn)行實(shí)時測量,采取相應(yīng)措施使導(dǎo)軌在工作時氣膜厚度穩(wěn)定在這一范圍之內(nèi),能夠有效抑制導(dǎo)軌振動。
氣膜厚度測量屬于微小位移測量,從原理上講,測量方法主要分為光學(xué)法和電學(xué)法兩類。光學(xué)法對波長、光強(qiáng)等參數(shù)和測量環(huán)境等均有較高要求,并不適用于實(shí)際的氣體靜壓系統(tǒng)??紤]到氣膜兩個界面間的絕緣性處理得當(dāng),就相當(dāng)于電容器的兩個極板,這樣,就可以應(yīng)用平板電容測量原理獲得氣膜的厚度值。
影響電容器介電常數(shù)的外部非電氣因素主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度和使用時間等,內(nèi)部因素則包括正對面積S、極板間距離d,以及氣膜介電常數(shù)ε。對于氣體靜壓系統(tǒng),供氣壓力是影響介電常數(shù)的主要內(nèi)部因素,對其影響的探究卻鮮有介紹,由于介電常數(shù)影響氣膜電容模型的建立,故需通過實(shí)驗(yàn)來研究供氣壓力與氣膜介電常數(shù)的相關(guān)性。
1、電容式測量氣膜厚度的原理
電容式測量氣膜厚度的原理是利用電容測量設(shè)備測量氣體靜壓導(dǎo)軌工作時節(jié)流器與導(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。電容式測量方法原理圖如圖1所示。
圖1 電容式測量方法原理圖
將壓強(qiáng)為0.1~0.5MPa的壓縮空氣經(jīng)過節(jié)流孔送入氣體靜壓導(dǎo)軌的間隙中,借助其壓力使氣體靜壓導(dǎo)軌節(jié)流器懸浮起來,節(jié)流器與導(dǎo)軌工作面之間形成一層氣膜,實(shí)現(xiàn)節(jié)流器的純氣體摩擦的直線運(yùn)動。
如圖1所示,節(jié)流器工作面為平面,節(jié)流器與電容測量儀的一個測量端口相連接,氣體靜壓導(dǎo)軌工作面連接電容測量儀的另一個測量端口,電容測量儀可測得節(jié)流器與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容C。根據(jù)平板電容器的原理,節(jié)流器與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面可看作電容器的兩個極板,根據(jù)電容的基本公式,計算平板電容C為:
C = εS /d
式中:ε為氣膜介電常數(shù);S為兩個極板正對的面積;d為兩個極板間的距離,在本文中相當(dāng)于氣膜厚度。當(dāng)氣膜厚度d變化時,電容會相應(yīng)地發(fā)生改變。當(dāng)測量得到某氣膜厚度下節(jié)流器與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容時,根據(jù)式(1)可得到連續(xù)氣膜厚度的電容變化曲線。
電容式測量氣膜厚度不僅能測量簡單的平面節(jié)流器,對于工作面不是平面的情況,通過建立節(jié)流工作面的數(shù)學(xué)模型,同樣可以利用此方法測量氣膜厚度。
在上述介紹的電容式測量原理中,假設(shè)氣膜介電常數(shù)ε是定值(取常溫、常壓下空氣介電常數(shù)),對其在實(shí)驗(yàn)過程中的變化不予考慮,但在實(shí)際應(yīng)用中,ε受眾多因素的影響,如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、材料和供氣壓力等,故需對ε的變化進(jìn)行研究。
2、電容式測量氣膜厚度的實(shí)驗(yàn)方法與裝置
研究供氣壓力對電容值影響的直接方法就是控制氣膜厚度為定值,改變供氣壓力,讀取相應(yīng)的電容值。但在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)供氣壓力增大時,節(jié)流器初始彈起氣膜厚度值變大,用機(jī)械法使氣膜厚度減小存在一定的回程誤差,故在實(shí)驗(yàn)中采用間接測量法,按照上述氣膜厚度的電容測試方法得到原始數(shù)據(jù)后,取相同氣膜厚度時,以不同壓力下對應(yīng)的電容值作為zui終數(shù)據(jù)。相對介電常數(shù)εr的定義為:
εr=ε/ε0(2)
式中:ε0為真空介電常數(shù);εr為相對介電常數(shù),是無量綱數(shù)值,zui小值為1,據(jù)此可以判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合理。