专利名称：：气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法
技术领域：
：本发明涉及微位移测量方法，具体涉及一种气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法。
背景技术：
：气体静压润滑是实现超精密测量的核心技术，气体静压导轨由于摩擦力小、运动平稳、精度高、几乎无热变形是实现纳米级分辨力的首选方案。但近年来的研究发现，采用我国传统方法在空气静压导轨与气膜相垂直的法线方向进行测量时，有气膜振动现象，通常可达3050nm的量级。此振动成为制约超精密测量发展的重要瓶颈。在气体静压润滑技术的发展中，如何有效抑制气膜振动问题成为国内学者研究的重点问题之一。通过对气膜厚度和气膜刚度的连续、亚微米分辨力的测量，实现超薄气膜润滑，从而抑制导轨振动，提高测量精度。气膜厚度的测量属于微小位移测量领域，从原理上讲，测量方法主要分为光学法和电学法两类。随着激光的问世和光学技术的发展，越来越多的光学方法被应用到微小位移检测当中，例如激光干涉仪，红外近焦光谱仪等光学仪器被广泛应用于纳米级精度定位当中，但光学法普遍对光强、波长等参数以及实验室测量环境等都具有较高要求，并不适用于超精密导轨的测量。电学法主要有电感测微法和电容测微法。其中瑞士TESA公司生产的高精密电感测微测头最高精度可达0.01iim，配备相应的测量电路也可以实现微位移的测量。但通常电感测微测量电路设计复杂，不适用于快速测量。
发明内容针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法，能够精确地测量出气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度。为达到上述目的，本发明采用的技术方案的步骤如下(1)将压强为0.2MPa0.8MPa的空气经过气体静压导轨气浮单元的节流孔送入气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面的接触面，借助其静压使气体静压导轨气浮单元悬浮起来，气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间形成一层气膜，实现气体静压导轨气浮单元纯空气摩擦的直线运动；(2)电容测量装置的一端连接气体静压导轨气浮单元，另一端连接气体静压导轨工作面，测量气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的电容C，通过数据处理系统计算出气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度；(3)计算气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的气膜厚度S，^=￡^，其中￡是空气的介电常数，s是气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面相c对应一侧的面积；(4)计算气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的气膜刚度G，G=丁，其中W为气体静压导轨承载力。所述的气体静压导轨气浮单元节流孔孔径为0.10.4mm，气体静压导轨气浮单元的形状为方形或圆柱形，气体静压导轨气浮单元的工作面为平面或凹面。所述的气体静压导轨气浮单元工作面的凹面为凹圆锥面或单叶双曲面。本发明具有的有益效果是本发明利用电容式测量方法可以精确、连续地测量气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度大小。本发明适用于精密气体静压导轨，尤其适用于超精密、纳米气体静压导轨的气膜厚度和气膜刚度的测量。图1是气体静压导轨气浮单元工作面为平面时气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法示意图。图2是气体静压导轨气浮单元工作面为凹圆锥面时气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法示意图。图3是气体静压导轨气浮单元工作面为单叶双曲面时气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法示意图。图4是气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法流程图。图中1.气体静压导轨气浮单元，2.平面，3.凹圆锥面，4.单叶双曲面，5.气体静压导轨工作面，6.电容测量装置，7.数据处理系统。具体实施例方式如图1所示，气体静压导轨气浮单元工作面为平面，气体静压导轨气浮单元连接电容测量装置的一个测量端口，气体静压导轨工作面连接电容测量装置的另一个测量端口，电容测量装置的输出端与数据处理系统相连接，通过数据处理计算得到气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度值。如图2所示，气体静压导轨气浮单元工作面为凹圆锥面，气体静压导轨气浮单元连接电容测量装置的一个测量端口，气体静压导轨工作面连接电容测量装置的另一个测量端口，电容测量装置的输出端与数据处理系统相连接，通过数据处理计算得到气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度值。如图3所示，气体静压导轨气浮单元工作面为单叶双曲面，气体静压导轨气浮单元连接电容测量装置的一个测量端口，气体静压导轨工作面连接电容测量装置的另一个测量端口，电容测量装置的输出端与数据处理系统相连接，通过数据处理计算得到气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度值。如图4所示，以气体静压导轨气浮单元工作面为平面，气体静压导轨工作面为平面的情况为例，其中，气体静压导轨气浮单元为方形，长90mm，宽60mm，节流孔直径为0.3mm，开设双环联结形均压槽；气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法的流程是(1)、将压强为0.2MPa0.8MPa的空气经过气体静压导轨气浮单元的节流孔送入气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面的接触面，借助其静压使气体静压导轨气浮单元悬浮起来，气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间形成一层气膜，实现气体静压导轨气浮单元纯空气摩擦的直线运动。(2)、利用电容测量装置TH2617电容测量仪测量气体静压导轨气浮单元和气体静压导轨工作面之间的电容C;将电容测量仪的一个测量端口与气体静压导轨气浮单元相连，电容测量仪的另一个测量端口与气体静压导轨工作面相连，观察记录实验测量结果，判断测量结果是否可靠，如结果出现明显错误，调整设备重新测量，如测量结果可靠，将测量结果传输到数据处理系统，由数据处理系统根据电容值计算气膜厚度值。(3)、计算气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的气膜厚度S，根据公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中e是空气的介电常数，常温常压下为8.85X10—"F/m，s是气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面相对应一侧的面积，对于实验中所采用的方形气体静压导轨气浮单元而言，其面积为5.4X103mm2。根据数据处理系统计算气膜厚度值，并判断结果是否可靠，如结果出现明显错误，则重新测量计算，如计算结果可靠，则继续计算气膜刚度值。(4)、计算气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的气膜刚度G『<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中W为导轨承载力。判断计算结果是否可靠，如计算结果出现明显错误，则返回上一步重新测量计算，如测量结果可靠，则显示气膜厚度和气膜刚度值。完成一次计算之后返回，准备下一次测量。利用上述测量方法进行气膜厚度和气膜刚度测试实验，气体静压导轨静承载力为8.41N，选取几组实验测量数据如下<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。权利要求一种气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法，其特征在于该方法的步骤如下(1)将压强为0.2MPa～0.8MPa的空气经过气体静压导轨气浮单元的节流孔送入气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面的接触面，借助其静压使气体静压导轨气浮单元悬浮起来，气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间形成一层气膜，实现气体静压导轨气浮单元纯空气摩擦的直线运动；(2)电容测量装置的一端连接气体静压导轨气浮单元，另一端连接气体静压导轨工作面，测量气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的电容C；通过数据处理系统计算出气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度；(3)计算气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的气膜厚度δ，其中ε是空气的介电常数，s是气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面相对应一侧的面积；(4)计算气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的气膜刚度G，其中W为气体静压导轨承载力。F2009101545584C0000011.tif,F2009101545584C0000012.tif2.根据权利要求1所述的一种气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法，其特征在于所述的气体静压导轨气浮单元节流孔孔径为0.10.4mm，气体静压导轨气浮单元的形状为方形或圆柱形，气体静压导轨气浮单元的工作面为平面或凹面。3.根据权利要求2所述的一种气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法，其特征在于所述的气体静压导轨气浮单元工作面的凹面为凹圆锥面或单叶双曲面。全文摘要本发明公开了一种气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度的电容式测试方法。利用电容测量设备测量气体静压导轨工作时气体静压导轨气浮单元与气体静压导轨工作面之间的电容量，通过数据处理系统计算气体静压导轨气膜厚度以及气膜刚度。本发明利用电容式测量方法可以精确、连续地测量气体静压导轨气膜厚度和气膜刚度大小。本发明适用于精密气体静压导轨，尤其适用于超精密、纳米气体静压导轨的气膜厚度和气膜刚度的测量。文档编号G01B7/06GK101706247SQ200910154558公开日2010年5月12日申请日期2009年11月12日优先权日2009年11月12日发明者张雯,方波,李东升,满楠,禹静申请人:中国计量学院