建造高精度環(huán)境條件實驗室方法初探

何文奎

摘 要：在航天、激光、光電子等高技術(shù)領(lǐng)域，對光學(xué)元器件的精度要求越來越高，建造高精度環(huán)境（溫濕度、潔凈度、抗微振）條件要求的實驗室是光學(xué)元件研制、加工和檢測技術(shù)基礎(chǔ)保障。

關(guān)鍵詞：高精度；環(huán)境條件；實現(xiàn)方法

Laboratory methods of the construction of high-precision environmental conditions

He Wen-kui

Abstract： In the high-tech fields such as aerospace， laser， optoelectronics， precision optical components requirements increasingly high， the construction of a high-precision environment （temperature and humidity， cleanliness， anti-the micro vibration） conditions required laboratory optical components developedprocessing and testing technology basis for protection.

Key words： high accuracy； environmental conditions； method

1.引言

伴隨二十一世紀高科技的發(fā)展，尤其是航天、激光、光電子技術(shù)等方面日新月異的快速發(fā)展，對光學(xué)元器件的精度要求越來越高，而高精度、大尺寸的光學(xué)元器件研制、生產(chǎn)、加工、檢測又需要在極高精密控制的環(huán)境（溫度、濕度、潔凈度和抗微振）條件下才能完成。因此，建造高精度環(huán)境條件要求的實驗室是光學(xué)元件研制、加工和檢測技術(shù)基礎(chǔ)保障。

2.實驗室環(huán)境條件

本實驗室主要是圍繞關(guān)鍵區(qū)域的百級凈化和高精度溫度環(huán)境的實現(xiàn)，關(guān)鍵溫控區(qū)域65㎡，凈空3500㎜，為臥式激光干涉儀檢測設(shè)備使用環(huán)境。關(guān)鍵溫控區(qū)域四周的凈化空調(diào)區(qū)域為溫控輔助區(qū)域，輔助區(qū)域利用原有空調(diào)凈化系統(tǒng)改造而成（空間受限），同時要求，輔助區(qū)域溫度控制精度為靜態(tài)情況下21±0.5℃。

2.1關(guān)鍵溫控區(qū)域內(nèi)環(huán)境條件要求

（1）溫度控制精度為：靜態(tài)情況下21±0.04℃（設(shè)備不通電工作狀態(tài)），激光干涉儀通電情況下22±0.05℃（房間內(nèi)無人員），在激光干涉儀不通電時）關(guān)鍵區(qū)域任意兩點間溫差不超過0.05℃/400mm，在激光干涉儀通電狀態(tài)下，關(guān)鍵區(qū)域任意兩點（測試點不包括熱源正下方，并距離熱源500MM以上）距離任何熱源間溫差不超過0.06℃/400mm，控制的基礎(chǔ)溫度為21±0.1℃；

（2）濕度： ≤55% RH無凝露；

（3）潔凈度：優(yōu)于5級；

（4）氣壓穩(wěn)定性：±10Pa/15分鐘（與室外壓差值）；

（5）噪聲等級：優(yōu)于54dB（A聲級）；

（6）實驗室可全天候連續(xù)運行，測試狀態(tài)工作時間不少于72小時；

（7）其他要求：送風(fēng)量穩(wěn)定，關(guān)鍵區(qū)域氣流速度為0.12-0.3米/秒可調(diào)。

并充分考慮節(jié)能，通過合理的劃分凈化空調(diào)系統(tǒng)，在保證運行管理方便的前提下考慮節(jié)約初投資。

2.2主要方法和措施

2.2.1圍護結(jié)構(gòu)：

整個關(guān)鍵溫控區(qū)域大部分采用50mm厚度的凈化彩鋼板作為房間隔斷，夾心材料為聚氨酯發(fā)泡材料。其中最外圍采用100mm 厚度彩鋼板，增強保溫效果。相比其它彩鋼夾心材料而言，聚氨酯材料有隔熱效果好和強度好的優(yōu)點。溫控輔助區(qū)域凈化等級為1000級，利用原有空調(diào)凈化系統(tǒng)改造而成，具體改造方案需根據(jù)施工現(xiàn)場情況確定，其溫度精度為靜態(tài)情況下21±0.5℃；關(guān)鍵溫控區(qū)域凈化等級為100級，溫度精度為21±0.05℃，關(guān)鍵溫控區(qū)采用下回風(fēng)，四周均設(shè)回風(fēng)夾層，為關(guān)鍵溫控區(qū)提供溫度穩(wěn)定的空氣隔層，形成“回”字間，即形成關(guān)鍵溫控區(qū)與外界之間形成左右前后四面空氣隔層，最大限度的減少因為熱傳導(dǎo)對高精度溫度調(diào)節(jié)的影響，作為保證關(guān)鍵溫控區(qū)溫度精度和千級凈化實現(xiàn)的前提條件。

關(guān)鍵溫控區(qū)采用密封性好的成品彩鋼板密閉封門，避免在弱空氣正壓工作的情況下外界空氣對室內(nèi)的影響。風(fēng)管保溫采用60mm的橡塑保溫（通常普通空調(diào)為20mm厚度保溫），盡量減少外界溫度變化通過風(fēng)管外壁對關(guān)鍵溫控區(qū)溫度調(diào)節(jié)的影響。

由于采用了50mm厚度夾層彩鋼，并形成除地面以外的五面空氣隔層，聚氨酯夾心鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.024W/（m·K），按輔助區(qū)最不利的溫度計算，內(nèi)外溫差只有0.22℃，因此通過四周彩鋼維護結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)干擾可以忽略。因此主要干擾為風(fēng)管保溫面積，但末端加熱后的風(fēng)管面積很小，是完全可以克服的。

2.2.2空調(diào)送風(fēng)方式選擇和設(shè)備配置

空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)方式為：孔板上送風(fēng)、微孔地板下回風(fēng)的送回風(fēng)方式，以微孔風(fēng)速不超過0.6米/秒計算送風(fēng)孔板和微孔地板的開孔面積，保證送回風(fēng)均勻性和溫場分布的均勻性。

在凈化型高精密空調(diào)機組送回風(fēng)口設(shè)置消聲器，并保證送回風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)速符合：

主風(fēng)管風(fēng)速≤8.0米/秒

支風(fēng)管風(fēng)速≤6.0米/秒

末端風(fēng)管風(fēng)速≤4.0米/秒

室內(nèi)送風(fēng)孔板風(fēng)速0.6米/秒

室內(nèi)平均風(fēng)速0.3米/秒

回風(fēng)（地板微孔）風(fēng)速≤0.9米/秒

回風(fēng)夾道內(nèi)風(fēng)速≤2.0米/秒

充分考慮到：所需的空調(diào)系統(tǒng)必須能夠確保處于全年365天24小時不間斷工作模式，對設(shè)備包括控制系統(tǒng)的可靠性要求極高，因此，采用一臺獨立的高精度凈化空調(diào)機組（每臺機組具備兩個單獨的制冷系統(tǒng)，可互為備用），并在送風(fēng)管路上設(shè)多級精密調(diào)節(jié)加熱器。

高精度恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備配置（按關(guān)鍵溫控區(qū)面積為配套）：

2.2.3自動控制

圍繞著關(guān)鍵溫控區(qū)的溫度精度實現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)將達到如下要求：

（1）溫度的高精度采集：采用先進的高精度石英晶體溫度傳感器和配套的溫度儀表作為高精度溫度采集單元。其溫度指標(biāo)為：綜合測量精度為≤±0.1℃（國家溫溫度度標(biāo)準(zhǔn)源單位可以做非常規(guī)標(biāo)定的最小精度），測量漂移量≤0.01℃/三個月。溫度采集分辨度為0.0001℃，同一儀表各只傳感器之間采集誤差≤0.01℃，使用壽命可達8年以上。

（2）溫度數(shù)據(jù)的傳輸：為了減少溫度變送器帶來的變送誤差和溫度漂移，采用通過通訊方式直接讀取儀表溫度參數(shù)到控制器的特殊方法，并已與類似儀表進行聯(lián)機實驗，取得較好效果。

（3）傳感器的設(shè)置：關(guān)鍵溫控區(qū)內(nèi)設(shè)置2只高精度傳感器，吊裝，盡量接近工作面，其中任何一只參與系統(tǒng)控制，另一只僅作為監(jiān)測顯示；同時設(shè)置一個濕度傳感器和一個風(fēng)壓傳感器（測量室內(nèi)與輔助區(qū)之間的壓差，并調(diào)節(jié)到保持5Pa以上的數(shù)值）。

設(shè)置一臺PC機作為中央工作站，可顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度數(shù)據(jù)。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型號為S7-300，并使用非標(biāo)準(zhǔn)的16位高精度輸入輸出模塊，溫度調(diào)節(jié)過程控制采用四級PID調(diào)節(jié)方式。程序編制滿足±0.05℃的結(jié)果。

（5）高精度驅(qū)動：采用四級高分辨度可控硅調(diào)功器單元，并配置連續(xù)調(diào)節(jié)的新風(fēng)電動閥門和排風(fēng)閥門，以穩(wěn)定房間的正壓。

（6）中央工作站：完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)監(jiān)控，空氣處理過程以動態(tài)圖的方式顯示，顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度度數(shù)據(jù)。充分顯示對現(xiàn)實溫度的描述和對歷史溫度數(shù)據(jù)的追溯，為加工試驗提供溫度依據(jù)。

中央工作站為空調(diào)管理和控制提供簡單易用的圖形界面，可提供多任務(wù)的操作環(huán)境以高效地同時執(zhí)行多種程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任務(wù)環(huán)境相結(jié)合，提供強大的網(wǎng)絡(luò)性能，易于使用和管理。

通過該工作站，用戶可以做到：

---通過圖形顯示監(jiān)測和控制實驗室環(huán)境

---計劃和修改設(shè)備的工作

---不同系統(tǒng)條件下運行報告

---搜集和分析趨勢數(shù)據(jù)

---必要時通過擴展應(yīng)用提高工作站功能

---可與其他的工作站相連接，通過網(wǎng)絡(luò)進行集中的系統(tǒng)管理

---通過Windows 2000或Windows XP的多任務(wù)操作環(huán)境可同時、有效地執(zhí)行多個任務(wù)

2.2.4施工過程中的其他因素

（1）需要在激光干涉儀進場后做二次熱源隔離處理和可開啟風(fēng)罩設(shè)計制作。

（2）原有房間是一個300㎡的5級潔凈區(qū)域，各種管線交叉分布，高度有限，對送回風(fēng)管路布局安裝和靜壓空間都有較大影響，需要充分考慮，合理布局。

（3）由于精密溫控區(qū)圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁支撐在大區(qū)域抗微振筏板基礎(chǔ)上，必須同時考慮送回系統(tǒng)振動對原有檢測設(shè)備和激光干涉儀傳導(dǎo)的影響。

3.結(jié)論

安裝工程完成后，進行初步調(diào)試，在激光干涉儀進場安裝調(diào)試的同時，建立溫控系統(tǒng)靜態(tài)（開機無人）、動態(tài)（有人操作）技術(shù)狀態(tài)基線，然后投入自控運行。經(jīng)過三個月的聯(lián)動試運行，各項指標(biāo)均已實現(xiàn)，滿足激光干涉儀檢測光學(xué)元件對環(huán)境指標(biāo)的要求。隨著光學(xué)工程快速發(fā)展，多環(huán)境指標(biāo)、高精度要求的光學(xué)檢測實驗室的需求將會越來越多，因此，通過該工程的實踐，不斷深化總結(jié)，對以后建造類似的實驗室工程具有較好參考價值。

高精度恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備配置（按關(guān)鍵溫控區(qū)面積為配套）：

2.2.3自動控制

圍繞著關(guān)鍵溫控區(qū)的溫度精度實現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)將達到如下要求：

（1）溫度的高精度采集：采用先進的高精度石英晶體溫度傳感器和配套的溫度儀表作為高精度溫度采集單元。其溫度指標(biāo)為：綜合測量精度為≤±0.1℃（國家溫溫度度標(biāo)準(zhǔn)源單位可以做非常規(guī)標(biāo)定的最小精度），測量漂移量≤0.01℃/三個月。溫度采集分辨度為0.0001℃，同一儀表各只傳感器之間采集誤差≤0.01℃，使用壽命可達8年以上。

（2）溫度數(shù)據(jù)的傳輸：為了減少溫度變送器帶來的變送誤差和溫度漂移，采用通過通訊方式直接讀取儀表溫度參數(shù)到控制器的特殊方法，并已與類似儀表進行聯(lián)機實驗，取得較好效果。

（3）傳感器的設(shè)置：關(guān)鍵溫控區(qū)內(nèi)設(shè)置2只高精度傳感器，吊裝，盡量接近工作面，其中任何一只參與系統(tǒng)控制，另一只僅作為監(jiān)測顯示；同時設(shè)置一個濕度傳感器和一個風(fēng)壓傳感器（測量室內(nèi)與輔助區(qū)之間的壓差，并調(diào)節(jié)到保持5Pa以上的數(shù)值）。

設(shè)置一臺PC機作為中央工作站，可顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度數(shù)據(jù)。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型號為S7-300，并使用非標(biāo)準(zhǔn)的16位高精度輸入輸出模塊，溫度調(diào)節(jié)過程控制采用四級PID調(diào)節(jié)方式。程序編制滿足±0.05℃的結(jié)果。

（5）高精度驅(qū)動：采用四級高分辨度可控硅調(diào)功器單元，并配置連續(xù)調(diào)節(jié)的新風(fēng)電動閥門和排風(fēng)閥門，以穩(wěn)定房間的正壓。

（6）中央工作站：完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)監(jiān)控，空氣處理過程以動態(tài)圖的方式顯示，顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度度數(shù)據(jù)。充分顯示對現(xiàn)實溫度的描述和對歷史溫度數(shù)據(jù)的追溯，為加工試驗提供溫度依據(jù)。

中央工作站為空調(diào)管理和控制提供簡單易用的圖形界面，可提供多任務(wù)的操作環(huán)境以高效地同時執(zhí)行多種程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任務(wù)環(huán)境相結(jié)合，提供強大的網(wǎng)絡(luò)性能，易于使用和管理。

通過該工作站，用戶可以做到：

---通過圖形顯示監(jiān)測和控制實驗室環(huán)境

---計劃和修改設(shè)備的工作

---不同系統(tǒng)條件下運行報告

---搜集和分析趨勢數(shù)據(jù)

---必要時通過擴展應(yīng)用提高工作站功能

---可與其他的工作站相連接，通過網(wǎng)絡(luò)進行集中的系統(tǒng)管理

---通過Windows 2000或Windows XP的多任務(wù)操作環(huán)境可同時、有效地執(zhí)行多個任務(wù)

2.2.4施工過程中的其他因素

（1）需要在激光干涉儀進場后做二次熱源隔離處理和可開啟風(fēng)罩設(shè)計制作。

（2）原有房間是一個300㎡的5級潔凈區(qū)域，各種管線交叉分布，高度有限，對送回風(fēng)管路布局安裝和靜壓空間都有較大影響，需要充分考慮，合理布局。

（3）由于精密溫控區(qū)圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁支撐在大區(qū)域抗微振筏板基礎(chǔ)上，必須同時考慮送回系統(tǒng)振動對原有檢測設(shè)備和激光干涉儀傳導(dǎo)的影響。

3.結(jié)論

安裝工程完成后，進行初步調(diào)試，在激光干涉儀進場安裝調(diào)試的同時，建立溫控系統(tǒng)靜態(tài)（開機無人）、動態(tài)（有人操作）技術(shù)狀態(tài)基線，然后投入自控運行。經(jīng)過三個月的聯(lián)動試運行，各項指標(biāo)均已實現(xiàn)，滿足激光干涉儀檢測光學(xué)元件對環(huán)境指標(biāo)的要求。隨著光學(xué)工程快速發(fā)展，多環(huán)境指標(biāo)、高精度要求的光學(xué)檢測實驗室的需求將會越來越多，因此，通過該工程的實踐，不斷深化總結(jié)，對以后建造類似的實驗室工程具有較好參考價值。

高精度恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備配置（按關(guān)鍵溫控區(qū)面積為配套）：

2.2.3自動控制

圍繞著關(guān)鍵溫控區(qū)的溫度精度實現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)將達到如下要求：

（1）溫度的高精度采集：采用先進的高精度石英晶體溫度傳感器和配套的溫度儀表作為高精度溫度采集單元。其溫度指標(biāo)為：綜合測量精度為≤±0.1℃（國家溫溫度度標(biāo)準(zhǔn)源單位可以做非常規(guī)標(biāo)定的最小精度），測量漂移量≤0.01℃/三個月。溫度采集分辨度為0.0001℃，同一儀表各只傳感器之間采集誤差≤0.01℃，使用壽命可達8年以上。

（2）溫度數(shù)據(jù)的傳輸：為了減少溫度變送器帶來的變送誤差和溫度漂移，采用通過通訊方式直接讀取儀表溫度參數(shù)到控制器的特殊方法，并已與類似儀表進行聯(lián)機實驗，取得較好效果。

（3）傳感器的設(shè)置：關(guān)鍵溫控區(qū)內(nèi)設(shè)置2只高精度傳感器，吊裝，盡量接近工作面，其中任何一只參與系統(tǒng)控制，另一只僅作為監(jiān)測顯示；同時設(shè)置一個濕度傳感器和一個風(fēng)壓傳感器（測量室內(nèi)與輔助區(qū)之間的壓差，并調(diào)節(jié)到保持5Pa以上的數(shù)值）。

設(shè)置一臺PC機作為中央工作站，可顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度數(shù)據(jù)。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型號為S7-300，并使用非標(biāo)準(zhǔn)的16位高精度輸入輸出模塊，溫度調(diào)節(jié)過程控制采用四級PID調(diào)節(jié)方式。程序編制滿足±0.05℃的結(jié)果。

（5）高精度驅(qū)動：采用四級高分辨度可控硅調(diào)功器單元，并配置連續(xù)調(diào)節(jié)的新風(fēng)電動閥門和排風(fēng)閥門，以穩(wěn)定房間的正壓。

（6）中央工作站：完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)監(jiān)控，空氣處理過程以動態(tài)圖的方式顯示，顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度度數(shù)據(jù)。充分顯示對現(xiàn)實溫度的描述和對歷史溫度數(shù)據(jù)的追溯，為加工試驗提供溫度依據(jù)。

中央工作站為空調(diào)管理和控制提供簡單易用的圖形界面，可提供多任務(wù)的操作環(huán)境以高效地同時執(zhí)行多種程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任務(wù)環(huán)境相結(jié)合，提供強大的網(wǎng)絡(luò)性能，易于使用和管理。

通過該工作站，用戶可以做到：

---通過圖形顯示監(jiān)測和控制實驗室環(huán)境

---計劃和修改設(shè)備的工作

---不同系統(tǒng)條件下運行報告

---搜集和分析趨勢數(shù)據(jù)

---必要時通過擴展應(yīng)用提高工作站功能

---可與其他的工作站相連接，通過網(wǎng)絡(luò)進行集中的系統(tǒng)管理

---通過Windows 2000或Windows XP的多任務(wù)操作環(huán)境可同時、有效地執(zhí)行多個任務(wù)

2.2.4施工過程中的其他因素

（1）需要在激光干涉儀進場后做二次熱源隔離處理和可開啟風(fēng)罩設(shè)計制作。

（2）原有房間是一個300㎡的5級潔凈區(qū)域，各種管線交叉分布，高度有限，對送回風(fēng)管路布局安裝和靜壓空間都有較大影響，需要充分考慮，合理布局。

（3）由于精密溫控區(qū)圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁支撐在大區(qū)域抗微振筏板基礎(chǔ)上，必須同時考慮送回系統(tǒng)振動對原有檢測設(shè)備和激光干涉儀傳導(dǎo)的影響。

3.結(jié)論

安裝工程完成后，進行初步調(diào)試，在激光干涉儀進場安裝調(diào)試的同時，建立溫控系統(tǒng)靜態(tài)（開機無人）、動態(tài)（有人操作）技術(shù)狀態(tài)基線，然后投入自控運行。經(jīng)過三個月的聯(lián)動試運行，各項指標(biāo)均已實現(xiàn)，滿足激光干涉儀檢測光學(xué)元件對環(huán)境指標(biāo)的要求。隨著光學(xué)工程快速發(fā)展，多環(huán)境指標(biāo)、高精度要求的光學(xué)檢測實驗室的需求將會越來越多，因此，通過該工程的實踐，不斷深化總結(jié)，對以后建造類似的實驗室工程具有較好參考價值。