馮 建， 李瑞君， 何亞雄， 范光照，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系，臺(tái)北 10617）

微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的高精度恒溫箱研制

馮 建1， 李瑞君1， 何亞雄1， 范光照1，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系，臺(tái)北 10617）

針對(duì)恒溫室控制精度低和分離式恒溫箱因振動(dòng)而無(wú)法滿足微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)需要的問(wèn)題，研制了一套自然對(duì)流式高精度恒溫箱。用定制尺寸的中空亞克力板和輕便型超低導(dǎo)熱系數(shù)真空絕熱板制成絕熱箱體。以儀器測(cè)量點(diǎn)溫度作為溫度控制反饋值，均勻位于恒溫箱頂部的9個(gè)半導(dǎo)體制冷片對(duì)其周圍空氣進(jìn)行制冷，箱內(nèi)冷空氣均勻向下流動(dòng)，與向上流動(dòng)的熱空氣進(jìn)行熱交換。采用LabVIEW與MATLAB混合編寫(xiě)高精度溫控程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)定值為20℃時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差為0.003 2℃，穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度波動(dòng)小于0.03℃，優(yōu)于一級(jí)恒溫室。新型恒溫箱具有成本低、能耗小和無(wú)振動(dòng)干擾等優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)量學(xué)；微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；恒溫箱；半導(dǎo)體制冷片；真空絕熱板；自然對(duì)流

1　引 言

在微納米測(cè)量、制造和控制等技術(shù)領(lǐng)域中對(duì)環(huán)境溫度需要有高精度控制，以有效減少熱變形誤差的影響［1～3］。目前，一般采用的溫度控制措施是將高精密測(cè)量?jī)x器放置在恒溫室或者恒溫箱內(nèi)。從大空間內(nèi)隔離出一個(gè)微小環(huán)境空間，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和美國(guó)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)學(xué)會(huì)（IEST）發(fā)布了構(gòu)建微環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)［4］。通過(guò)在大的恒溫室內(nèi)構(gòu)建微型恒溫箱，可為微納米測(cè)量提供高精密溫度控制的測(cè)量環(huán)境［5，6］。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所在研究分子測(cè)量機(jī)時(shí)，通過(guò)構(gòu)建多層封閉式的微環(huán)境，以保證核心層（放置測(cè)試儀器的恒溫腔）溫度的高穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜昂貴［7］。韓國(guó)BUPE在實(shí)施UPCMM（Ultra Precision CMM）研究計(jì)劃時(shí)建造了4層封閉式的微環(huán)境結(jié)構(gòu)，即絕熱層、隔音層、真空層和測(cè)試層，從而達(dá)到高精密的控溫要求。研究表明：當(dāng)溫度變化1℃的時(shí)候，由于系統(tǒng)的機(jī)械熱變形所引起的相對(duì)不確定度的誤差可以達(dá)到10-5m。此外，溫度的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致空氣折射率的變化，從而使外差式雙頻激光干涉儀的額外誤差達(dá)到10-6m/℃，可見(jiàn)溫度的漂移對(duì)測(cè)量精度有很大的影響。日本東京大學(xué)的K.Takamasu教授認(rèn)為Nano-CMM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是降低熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。研究報(bào)告的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：Nano-CMM放置在環(huán)境控制箱內(nèi)時(shí)，如果其測(cè)量環(huán)境的溫度變化在0.11℃的情況下，儀器水平位置變化30 nm；而如果Nano-CMM不在環(huán)境控制箱中時(shí)，當(dāng)溫度變化了0.56℃，工作臺(tái)會(huì)產(chǎn)生180 nm的變形［8］?？梢?jiàn)納米測(cè)量環(huán)境的建立對(duì)高精密測(cè)量是十分重要的。

我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)在超精密加工中初步建成了一個(gè)超精密的加工環(huán)境［9］。北京理工大學(xué)光電學(xué)院和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院合作設(shè)計(jì)了一種基于半導(dǎo)體制冷器的恒溫控制系統(tǒng)［10］。作者所在實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在研究微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)，曾研制了一套分離式恒溫箱，控溫精度較高，避免了恒溫室控制精度低的缺點(diǎn)，但能耗依舊較高，體積笨重，其送風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)的振動(dòng)不滿足微納米測(cè)量要求［11，12］。因此，在分離式恒溫箱的基礎(chǔ)上，針對(duì)已研制的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量環(huán)境需要［13，14］，研制了一套低成本的自然對(duì)流式高精度恒溫箱，控溫效果優(yōu)于一級(jí)恒溫室，解決了微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的環(huán)境溫度控制的問(wèn)題，同時(shí)此恒溫箱也適用于其它各類精密測(cè)量?jī)x器的環(huán)境控制需求。

2　恒溫箱結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免分離式恒溫箱存在的振動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)摒棄了壓縮機(jī)和送風(fēng)系統(tǒng)方案，直接采用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷?？紤]到恒溫箱內(nèi)的測(cè)量設(shè)備會(huì)不斷散發(fā)出熱量，故采用單向制冷的方式。為保證溫度場(chǎng)的均勻性，在恒溫箱的頂部均勻布置了9個(gè)可調(diào)功率的半導(dǎo)體制冷片，同時(shí)對(duì)周圍空氣制冷，箱內(nèi)冷空氣均勻向下流動(dòng)，與向上流動(dòng)的熱空氣進(jìn)行熱交換，通過(guò)自然對(duì)流的方式實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)的冷熱量交換。制冷片熱端產(chǎn)生的熱量通過(guò)小風(fēng)扇向外吹散。根據(jù)微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)尺寸設(shè)計(jì)的恒溫箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用雙門開(kāi)合的方式，以便對(duì)測(cè)量機(jī)進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)?；A(chǔ)箱體由預(yù)裁好的中空亞格力板制成，在亞克力箱體內(nèi)側(cè)附貼低導(dǎo)熱系數(shù)的真空絕熱板，該絕熱板由納米多孔硅粉填充芯材與真空保護(hù)表層復(fù)合而成，有效地避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞，使導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，可低至0.005 W/（m· K），為傳統(tǒng)絕熱材料的1/6～1/10［15，16］。在亞克力箱體外側(cè)和真空絕熱板內(nèi)側(cè)貼有紅外反射膜，以有效降低人員、設(shè)備、燈光等對(duì)箱體的熱輻射。該恒溫箱的內(nèi)部?jī)舫叽鐬?40 mm×640 mm×840 mm，體積和重量均比分離式恒溫箱小很多。

圖1　恒溫箱結(jié)構(gòu)圖

2.2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由隔熱箱體、高精度溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷片、程控電源和工控機(jī)組成，如圖2所示。高精度溫度傳感器實(shí)時(shí)采集恒溫箱箱內(nèi)的溫度，通過(guò)RS232串口通訊將溫度測(cè)量值傳輸至工控機(jī)，LabVIEW控制程序?qū)囟戎颠M(jìn)行相應(yīng)PID算法處理得到被控外設(shè)的控制參數(shù)，再利用RS232串口通訊將控制指令發(fā)送至程控電源，通過(guò)程控電源輸出的直流電流調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片的制冷量，實(shí)現(xiàn)恒溫箱的溫度控制。

2.2.1高精度溫度傳感器的選擇

溫度傳感器選擇美國(guó)FLUKE公司的Hart1504型高精度測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀可以與熱敏電阻或電阻溫度探測(cè)器（RTD）相連接，前面板可顯示4種測(cè)量結(jié)果，并可通過(guò)RS232串口發(fā)送測(cè)量值，當(dāng)四線制外接RTD時(shí)，其測(cè)量精度為0.003℃，分辨率為0.000 1℃，滿足系統(tǒng)溫度測(cè)量要求。

圖2　溫控系統(tǒng)示意圖

2.2.2半導(dǎo)體制冷片選擇

半導(dǎo)體制冷片冷負(fù)荷主要由恒溫箱體的熱泄漏、箱體內(nèi)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱容量和箱內(nèi)熱源散發(fā)的熱量3部分決定。

（1）箱體的熱泄漏

熱泄漏的大小取決于腔內(nèi)外溫差、腔壁的厚度、絕熱材料、內(nèi)外表面空氣流動(dòng)速度等因素。假設(shè)恒溫箱置于23℃的室內(nèi)，溫控設(shè)定值為20℃，溫差ΔT= 3℃。外表面積為A=2.97 m2。考慮到箱體側(cè)壁的激光干涉儀調(diào)試小窗口和側(cè)門與箱體接觸部分未粘貼納米真空絕熱板，取箱體壁的隔熱材料熱傳導(dǎo)率λ =0.01 W/（m·K），則從箱體表面損失的熱量Q1為：

式中ΔX為隔熱材料厚度，m。

（2）箱體內(nèi)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱容量

根據(jù)測(cè)量需要，希望恒溫箱內(nèi)的溫度能夠在時(shí)間t=30 min內(nèi)從23℃降到20℃，所需的制冷功率為Q2，空氣的比重為ρa(bǔ)=1.293 kg/m3，空氣比熱為Ca=1 005 J/（kg·℃），恒溫箱腔體積V1=0.34 m3，所以制冷功率Q2為：

微納米三坐標(biāo)機(jī)臺(tái)的底部和寶塔結(jié)構(gòu)由大理石制作，其大理石部分熱容量為Q3，大理石的比重為ρm=2 600 kg/m3，比熱為Cm=816.96 J/（kg·℃），大理石座底部體積為420 mm×420 mm×80 mm= 0.014 m3，寶塔大理石頂部體積為255 mm×110 mm ×50 mm×4=0.005 6 m3，4根大理石柱子體積為60 mm×60 mm×200 mm×4=0.002 9 m3，3部分的體積之和V2=0.022 5 m3，制冷功率Q3為：

（3）腔內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常常近似認(rèn)為腔內(nèi)熱源散發(fā)的熱量就等于其形成的瞬時(shí)冷負(fù)荷。恒溫箱內(nèi)用電設(shè)備的散熱，包括電熱設(shè)備的散熱量和電動(dòng)設(shè)備的散熱量。在恒溫箱內(nèi)，熱源主要由納米微動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、激光器和電路板等，總功率Q4約為10 W［17］。電熱設(shè)備消耗的電能最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，散發(fā)到空氣中。故所需制冷總功率：

根據(jù)計(jì)算得到的制冷量，選用9個(gè)制冷功率為15 W的制冷片均勻放置在恒溫箱頂部，如圖3所示方式連接到程控電源，同時(shí)控制所有制冷模塊制冷的功率。半導(dǎo)體制冷片熱端的直流風(fēng)扇由12 V的開(kāi)關(guān)電源控制。

圖3　制冷片連接原理圖

2.2.3程控電源選擇

選擇臺(tái)灣固緯公司的PSM-6003程控電源作為半導(dǎo)體制冷片的驅(qū)動(dòng)器，其直流輸出范圍為，電流波紋系數(shù)及峰峰值，在功率及性能上完全滿足系統(tǒng)要求，該程控電源可以通過(guò)RS232串口和PC機(jī)之間進(jìn)行通訊。

3　軟件設(shè)計(jì)及控制方法

3.1軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和PID控制［18］。溫度測(cè)量程序用LabVIEW編寫(xiě)，由前面板和程序框圖兩個(gè)部分組成。前面板提供設(shè)置控制目標(biāo)溫度值、實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的溫度變化曲線、顯示控制量的輸出值等人機(jī)交互功能；程序框圖包括溫度信息采集、溫度數(shù)據(jù)的處理和保存、溫度控制算法的實(shí)現(xiàn)以及控制命令輸出等功能。數(shù)據(jù)采集流程如圖4（a）所示，PID控制部分主要由MATLAB腳本程序完成，流程圖如圖4（b）所示。控制部分根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值與設(shè)定值的偏差，利用PID算法計(jì)算出相應(yīng)的輸出控制量，即程控電源的電流值，實(shí)時(shí)通過(guò)RS232串口通信將控制命令發(fā)送至程控電源，調(diào)節(jié)程控電源輸出的電流值來(lái)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片的制冷量。

3.2PID控制方法

圖4　數(shù)據(jù)采集及控制流程圖

PID調(diào)節(jié)器控具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)［19，20］。本系統(tǒng)采用PID控制方法，根據(jù)輸入量的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系式完成控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的整定。

因?yàn)楹銣叵錅囟瓤刂葡到y(tǒng)是個(gè)大容量、純滯后慣性系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用的整定方法是：首先選擇Kp，保證系統(tǒng)對(duì)偏差值有高靈敏度，可以快速響應(yīng)輸出，但Kp不能選擇過(guò)大，過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；其次選擇Ki，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使控制溫度逐漸趨于設(shè)置控制值增大Ki可以加快消除偏差的速度，但Ki過(guò)大將引起振蕩甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；最后選擇Kd，其作用強(qiáng)弱與偏差信號(hào)變化的速率成正比，可實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，從而減小系統(tǒng)的超調(diào)量，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。參數(shù)整定結(jié)果為：Kp= 1、Ki=0.01、Kd=0.2、u0=0.5。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)、軟件控制程序和整定好的參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)控溫實(shí)驗(yàn)，將SIOS測(cè)量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的微型角隅干涉儀MI-5000放入恒溫箱內(nèi)，通過(guò)配套的INFAS NTC軟件監(jiān)測(cè)記錄其位移量的跳動(dòng)［21］。恒溫箱的控溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示，穩(wěn)態(tài)值為20.003 2℃，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程大約為20 min，穩(wěn)態(tài)誤差為0.003 2℃，穩(wěn)態(tài)時(shí)的波動(dòng)量小于0.03℃。優(yōu)于一級(jí)恒溫室標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量點(diǎn)溫度跳動(dòng)保持在20±0.1℃以內(nèi)。

圖5　溫度過(guò)渡過(guò)程曲線

圖6　穩(wěn)定時(shí)的溫度變化

恒溫箱運(yùn)行時(shí)，MI-5000在溫度穩(wěn)定狀態(tài)下的位移跳動(dòng)如圖7所所示，位移跳動(dòng)在4 000 s穩(wěn)態(tài)內(nèi)可以保持在7 nm以內(nèi)。恒溫箱停止時(shí)，MI-5000的位移跳動(dòng)如圖8所示，位移跳動(dòng)在4 000 s時(shí)間內(nèi)位移跳動(dòng)量達(dá)158 nm。由實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，此恒溫箱能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的溫度控制，極大地改善了微納米測(cè)量機(jī)的測(cè)量環(huán)境，減小環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，有利于提高測(cè)量精度。

5　結(jié) 論

圖7　恒溫箱運(yùn)行時(shí)MI-5000位移跳變量

圖8　恒溫箱停止時(shí)MI-5000位移跳變量

設(shè)計(jì)研制了一套具有控溫精度高、速度快、振動(dòng)小、體積小、能耗低、成本低、可以靈活定制等優(yōu)點(diǎn)的自然對(duì)流式恒溫箱。以訂制尺寸的中空亞克力板和輕便型超低導(dǎo)熱系數(shù)真空絕熱板制成絕熱箱體，在保證隔熱效果的同時(shí)減輕了箱體重量，減小了箱體的體積。因箱內(nèi)測(cè)量設(shè)備的熱源會(huì)導(dǎo)致溫度升高，且箱內(nèi)熱源分布不均勻，故以儀器測(cè)量點(diǎn)溫度作為溫度控制反饋值。位于恒溫箱頂部的半導(dǎo)體制冷片對(duì)其周圍空氣進(jìn)行制冷，箱內(nèi)冷空氣均勻向下流動(dòng)，與向上流動(dòng)的熱空氣進(jìn)行熱交換。采用LabVIEW和MATLAB混合編程，實(shí)現(xiàn)了基于PID控制算法進(jìn)行程序測(cè)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)定值為20℃的情況下，箱內(nèi)溫度的穩(wěn)態(tài)誤差為0.003 2℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度跳變范圍小于0.03℃，控溫效果優(yōu)于一級(jí)恒溫室，且避免了傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)存在的壓縮機(jī)及送風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)的振動(dòng)。該套系統(tǒng)不僅適用于微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，而且也可以應(yīng)用于其它微納米測(cè)量場(chǎng)合下的環(huán)境溫度控制。

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Development of a High Precision Constant-temperature Chamber for Micro-nanometric CMM

FENG Jian1， LI Rui-jun1， HE Ya-xiong1， FAN Kuang-chao1，2
（1.School of Instr Sci&Opto-electric Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China；2.Department of Mechanical Engineering，Taiwan University，Taipei 10617，China）

The spacious constant-temperature room and the separated constant-temperature chambers can’t meet the requirement of micro-nanometric CMM because of low precision and vibration seperately.A high precision constanttemperature chamber based on the natural convection principle is developed.The walls of the custom-designed chamber is made of hollow acrylic upon which a lightweight thin vacuum insulation plate with ultra-low thermal conductivity coefficient is adhered.The temperature value of the instrument measuring point is taken as the feedback signal.Nine thermoelectric coolers used to cool the air inside the chamber are arranged on the ceiling of the chamber uniformly.The down flowing cool air and the up flowing hot air forms natural convection.The program of the high accuracy temperature-controlled system is developed using LabVIEW and MATLAB software.The experimental results show that the system steady-state error is 0.0032℃on average，and the variation range is less than 0.03℃when the set temperature is 20℃.It is superior to a Class I standard room.The new type constant-temperature chamber has the advantages of low cost，low energy consumption and no vibration.

metrology；micro-nanometric CMM；constant-temperature chamber；thermoelectric cooler；vacuum insulation panel；natural convection principle

TB92

A

1000-1158（2015）05-0455-05

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.05.02

2015-01-06；

2015-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51275148，51175141）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2014A021）

馮建（1990-），男，江西萍鄉(xiāng)人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生，主要從事微納米精密儀器測(cè)量與控制的研究。fengjian817@126.com