氣膜介電常數與供氣壓力的相關(guān)性實(shí)驗研究
基于電容法測量氣體靜壓導軌氣膜厚度的原理，進(jìn)行供氣壓力與氣膜介電常數相關(guān)性的研究。實(shí)驗結果表明，環(huán)境條件不變的情況下，供氣壓力范圍在0.1～0.48MPa之間，氣膜介電常數與供氣壓力呈顯著(zhù)負相關(guān)并符合4階多項式關(guān)系，擬合決定系數R2均大于0.94，該結果為氣體靜壓導軌氣膜精準電容模型的建立提供了依據。
超精密機床與加工技術(shù)是裝備制造業(yè)發(fā)展的要基礎技術(shù)之一，其中，軸系和導軌是其兩大核心技術(shù)。氣體靜壓潤滑技術(shù)具有運動(dòng)平穩、摩擦小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在納米精度應用中，形成氣膜時(shí)在運動(dòng)副偶件間易產(chǎn)生數十納米的隨機振動(dòng)，此振動(dòng)成為制約氣體靜壓導軌精度指標的重要因素。通過(guò)對氣膜厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，采取相應措施使導軌在工作時(shí)氣膜厚度穩定在這一范圍之內，能夠有效抑制導軌振動(dòng)。
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(lèi)。光學(xué)法對波長(cháng)、光強等參數和測量環(huán)境等均有較高要求，并不適用于實(shí)際的氣體靜壓系統�？紤]到氣膜兩個(gè)界面間的絕緣性處理得當，就相當于電容器的兩個(gè)極板，這樣，就可以應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的外部非電氣因素主要有溫度、濕度、光照強度和使用時(shí)間等，內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ε。對于氣體靜壓系統，供氣壓力是影響介電常數的主要內部因素，對其影響的探究卻鮮有介紹，由于介電常數影響氣膜精準電容模型的建立，故需通過(guò)實(shí)驗來(lái)研究供氣壓力與氣膜介電常數的相關(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備測量氣體靜壓導軌工作時(shí)節流器與導軌工作面之間的電容量，通過(guò)數據處理系統計算氣體靜壓導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
將壓強為0.1～0.5MPa的壓縮空氣經(jīng)過(guò)節流孔送入氣體靜壓導軌的間隙中，借助其壓力使氣體靜壓導軌節流器懸浮起來(lái)，節流器與導軌工作面之間形成一層氣膜，實(shí)現節流器的純氣體摩擦的直線(xiàn)運動(dòng)。
如圖1所示，節流器工作面為平面，節流器與電容測量?jì)x的一個(gè)測量端口相連接，氣體靜壓導軌工作面連接電容測量?jì)x的另一個(gè)測量端口，電容測量?jì)x可測得節流器與氣體靜壓導軌工作面之間的電容C。根據平板電容器的原理，節流器與氣體靜壓導軌工作面可看作電容器的兩個(gè)極板，根據電容的基本公式，計算平板電容C為：
C = εS /d
式中：ε為氣膜介電常數;S為兩個(gè)極板正對的面積;d為兩個(gè)極板間的距離，在本文中相當于氣膜厚度。當氣膜厚度d變化時(shí)，電容會(huì )相應地發(fā)生改變。當測量得到某氣膜厚度下節流器與氣體靜壓導軌工作面之間的電容時(shí)，根據式(1)可得到連續氣膜厚度的電容變化曲線(xiàn)。
電容式測量氣膜厚度不僅能測量簡(jiǎn)單的平面節流器，對于工作面不是平面的情況，通過(guò)建立節流工作面的數學(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，假設氣膜介電常數ε是定值(取常溫、常壓下空氣介電常數)，對其在實(shí)驗過(guò)程中的變化不予考慮，但在實(shí)際應用中，ε受眾多因素的影響，如溫度、濕度、光照強度、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，讀取相應的電容值。但在實(shí)驗中，當供氣壓力增大時(shí)，節流器初始彈起氣膜厚度值變大，用機械法使氣膜厚度減小存在一定的回程誤差，故在實(shí)驗中采用間接測量法，按照上述氣膜厚度的電容測試方法得到原始數據后，取相同氣膜厚度時(shí)，以不同壓力下對應的電容值作為最終數據。相對介電常數εr的定義為：
εr=ε/ε0(2)
式中：ε0為真空介電常數;εr為相對介電常數，是無(wú)量綱數值，最小值為1，據此可以判斷實(shí)驗數據是否合理。
本文實(shí)驗所搭建的電容測試方法專(zhuān)用實(shí)驗平臺示意圖如圖2所示。
圖2 實(shí)驗平臺示意圖
模擬氣體靜壓導軌，通氣后，節流器與實(shí)驗平板之間形成氣膜，實(shí)驗裝置實(shí)物圖如圖3所示。
圖3 實(shí)驗裝置實(shí)物圖
圖3中，檢測氣膜厚度使用TESAGT31電感杠桿測頭，測量范圍為-3～+3mm，電感杠桿測頭連接顯示器TESATT20，通氣前后的位移差即為氣膜厚度，單位為μm。電容測量?jì)x選用同惠電子公司的TH2617精密電容測量?jì)x，兩個(gè)夾具分別連接實(shí)驗平板與節流器，電容測量?jì)x實(shí)時(shí)顯示電容數據的變化，單位為pF。
節流器是實(shí)驗的核心部件，實(shí)驗中選用筆者所在課題組自行設計的多微通道式氣體靜壓節流器，其底面如圖4所示。節流器呈圓柱形，外形尺寸為80mm×20mm，采用鍛鋁6061材料制作，表面經(jīng)過(guò)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理。
圖4 多微通道式氣體靜壓節流器底面
3.3、誤差源分析
本實(shí)驗屬于探究性實(shí)驗，沒(méi)有較為精確的數學(xué)模型，故無(wú)法定量分析誤差的大小，但誤差源仍是需要注意的重點(diǎn)，主要的誤差源如下。
1)氣源供氣壓力波動(dòng)和流速的變化，引起氣膜微振動(dòng)，則產(chǎn)生實(shí)驗條件的誤差。
2)實(shí)驗所用節流器與平板表面粗糙度的不理想引起氣膜分布不均勻，兩者未完全絕緣導致實(shí)測值變小，則產(chǎn)生實(shí)驗對象的誤差。
3)實(shí)驗裝置存在摩擦、絲杠不精確和零/部件配合不穩定，則產(chǎn)生實(shí)驗裝置的誤差。
4)溫、濕度的微小變化、光照強度的變化、空氣凈化不理想和微小粉塵顆粒的影響等，則產(chǎn)生實(shí)驗環(huán)境的誤差。
5)實(shí)驗人員讀數、對準不穩定，則產(chǎn)生實(shí)驗人員的誤差。
4、結語(yǔ)
本文基于電容式測量氣膜厚度的原理，用專(zhuān)用實(shí)驗平臺研究供氣壓力對氣膜介電常數的影響，進(jìn)行實(shí)驗并獲得數據。從數據曲線(xiàn)可看出，忽略其他影響因素，在供氣壓力為0.1～0.48MPa范圍內，氣膜介電常數與供氣壓力呈顯著(zhù)負相關(guān)，且符合4階多項式關(guān)系。本實(shí)驗得到的結果為電容法測量氣體靜壓導軌氣膜厚度、氣膜精準電容模型的建立提供了依據，且利用此實(shí)驗裝置，在合理控制環(huán)境影響因素的前提下，還可進(jìn)行溫、濕度等因素對介電常數影響的研究。
