微納米三坐標測量機的高精度恒溫箱研制

馮 建， 李瑞君， 何亞雄， 范光照，2

（1.合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；2.臺灣大學機械工程學系，臺北 10617）

微納米三坐標測量機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)大學儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；2.臺灣大學機械工程學系，臺北 10617）

針對恒溫室控制精度低和分離式恒溫箱因振動而無法滿足微納米三坐標測量機需要的問題，研制了一套自然對流式高精度恒溫箱。用定制尺寸的中空亞克力板和輕便型超低導熱系數真空絕熱板制成絕熱箱體。以儀器測量點溫度作為溫度控制反饋值，均勻位于恒溫箱頂部的9個半導體制冷片對其周圍空氣進行制冷，箱內冷空氣均勻向下流動，與向上流動的熱空氣進行熱交換。采用LabVIEW與MATLAB混合編寫高精度溫控程序。實驗結果表明：設定值為20℃時的穩(wěn)態(tài)誤差為0.003 2℃，穩(wěn)態(tài)時溫度波動小于0.03℃，優(yōu)于一級恒溫室。新型恒溫箱具有成本低、能耗小和無振動干擾等優(yōu)點。

計量學；微納米三坐標測量機；恒溫箱；半導體制冷片；真空絕熱板；自然對流

1　引 言

在微納米測量、制造和控制等技術領域中對環(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量儀器放置在恒溫室或者恒溫箱內。從大空間內隔離出一個微小環(huán)境空間，國際標準化組織（ISO）和美國環(huán)境科學與技術學會（IEST）發(fā)布了構建微環(huán)境的標準［4］。通過在大的恒溫室內構建微型恒溫箱，可為微納米測量提供高精密溫度控制的測量環(huán)境［5，6］。

美國國家標準技術研究所在研究分子測量機時，通過構建多層封閉式的微環(huán)境，以保證核心層（放置測試儀器的恒溫腔）溫度的高穩(wěn)定性，結構復雜昂貴［7］。韓國BUPE在實施UPCMM（Ultra Precision CMM）研究計劃時建造了4層封閉式的微環(huán)境結構，即絕熱層、隔音層、真空層和測試層，從而達到高精密的控溫要求。研究表明：當溫度變化1℃的時候，由于系統(tǒng)的機械熱變形所引起的相對不確定度的誤差可以達到10-5m。此外，溫度的不穩(wěn)定會導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到10-6m/℃，可見溫度的漂移對測量精度有很大的影響。日本東京大學的K.Takamasu教授認為Nano-CMM系統(tǒng)的關鍵技術之一就是降低熱效應對測量結果的影響。研究報告的實驗數據表明：Nano-CMM放置在環(huán)境控制箱內時，如果其測量環(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，當溫度變化了0.56℃，工作臺會產生180 nm的變形［8］?？梢娂{米測量環(huán)境的建立對高精密測量是十分重要的。

我國國防科技大學在超精密加工中初步建成了一個超精密的加工環(huán)境［9］。北京理工大學光電學院和中國計量科學研究院合作設計了一種基于半導體制冷器的恒溫控制系統(tǒng)［10］。作者所在實驗室團隊在研究微納米三坐標測量機時，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，但能耗依舊較高，體積笨重，其送風系統(tǒng)帶來的振動不滿足微納米測量要求［11，12］。因此，在分離式恒溫箱的基礎上，針對已研制的納米三坐標測量機的測量環(huán)境需要［13，14］，研制了一套低成本的自然對流式高精度恒溫箱，控溫效果優(yōu)于一級恒溫室，解決了微納米三坐標測量機的環(huán)境溫度控制的問題，同時此恒溫箱也適用于其它各類精密測量儀器的環(huán)境控制需求。

2　恒溫箱結構和硬件設計

2.1結構設計

為了避免分離式恒溫箱存在的振動問題，設計摒棄了壓縮機和送風系統(tǒng)方案，直接采用半導體制冷片進行制冷?？紤]到恒溫箱內的測量設備會不斷散發(fā)出熱量，故采用單向制冷的方式。為保證溫度場的均勻性，在恒溫箱的頂部均勻布置了9個可調功率的半導體制冷片，同時對周圍空氣制冷，箱內冷空氣均勻向下流動，與向上流動的熱空氣進行熱交換，通過自然對流的方式實現(xiàn)箱體內的冷熱量交換。制冷片熱端產生的熱量通過小風扇向外吹散。根據微納米三坐標測量機尺寸設計的恒溫箱結構如圖1所示。采用雙門開合的方式，以便對測量機進行調試與維護。基礎箱體由預裁好的中空亞格力板制成，在亞克力箱體內側附貼低導熱系數的真空絕熱板，該絕熱板由納米多孔硅粉填充芯材與真空保護表層復合而成，有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，使導熱系數可大幅度降低，可低至0.005 W/（m· K），為傳統(tǒng)絕熱材料的1/6～1/10［15，16］。在亞克力箱體外側和真空絕熱板內側貼有紅外反射膜，以有效降低人員、設備、燈光等對箱體的熱輻射。該恒溫箱的內部凈尺寸為640 mm×640 mm×840 mm，體積和重量均比分離式恒溫箱小很多。

圖1　恒溫箱結構圖

2.2硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由隔熱箱體、高精度溫度傳感器、半導體制冷片、程控電源和工控機組成，如圖2所示。高精度溫度傳感器實時采集恒溫箱箱內的溫度，通過RS232串口通訊將溫度測量值傳輸至工控機，LabVIEW控制程序對溫度值進行相應PID算法處理得到被控外設的控制參數，再利用RS232串口通訊將控制指令發(fā)送至程控電源，通過程控電源輸出的直流電流調節(jié)半導體制冷片的制冷量，實現(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FLUKE公司的Hart1504型高精度測溫儀，該測溫儀可以與熱敏電阻或電阻溫度探測器（RTD）相連接，前面板可顯示4種測量結果，并可通過RS232串口發(fā)送測量值，當四線制外接RTD時，其測量精度為0.003℃，分辨率為0.000 1℃，滿足系統(tǒng)溫度測量要求。

圖2　溫控系統(tǒng)示意圖

2.2.2半導體制冷片選擇

半導體制冷片冷負荷主要由恒溫箱體的熱泄漏、箱體內坐標測量機的熱容量和箱內熱源散發(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外溫差、腔壁的厚度、絕熱材料、內外表面空氣流動速度等因素。假設恒溫箱置于23℃的室內，溫控設定值為20℃，溫差ΔT= 3℃。外表面積為A=2.97 m2?？紤]到箱體側壁的激光干涉儀調試小窗口和側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）箱體內坐標測量機的熱容量

根據測量需要，希望恒溫箱內的溫度能夠在時間t=30 min內從23℃降到20℃，所需的制冷功率為Q2，空氣的比重為ρa=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：

微納米三坐標機臺的底部和寶塔結構由大理石制作，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）腔內熱源散熱形成的冷負荷

為了簡化計算，常常近似認為腔內熱源散發(fā)的熱量就等于其形成的瞬時冷負荷。恒溫箱內用電設備的散熱，包括電熱設備的散熱量和電動設備的散熱量。在恒溫箱內，熱源主要由納米微動臺的驅動電機、激光器和電路板等，總功率Q4約為10 W［17］。電熱設備消耗的電能最終會轉化為熱能，散發(fā)到空氣中。故所需制冷總功率：

根據計算得到的制冷量，選用9個制冷功率為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，同時控制所有制冷模塊制冷的功率。半導體制冷片熱端的直流風扇由12 V的開關電源控制。

圖3　制冷片連接原理圖

2.2.3程控電源選擇

選擇臺灣固緯公司的PSM-6003程控電源作為半導體制冷片的驅動器，其直流輸出范圍為，電流波紋系數及峰峰值，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RS232串口和PC機之間進行通訊。

3　軟件設計及控制方法

3.1軟件設計

采用LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實現(xiàn)溫度測量和PID控制［18］。溫度測量程序用LabVIEW編寫，由前面板和程序框圖兩個部分組成。前面板提供設置控制目標溫度值、實時顯示測量的溫度變化曲線、顯示控制量的輸出值等人機交互功能；程序框圖包括溫度信息采集、溫度數據的處理和保存、溫度控制算法的實現(xiàn)以及控制命令輸出等功能。數據采集流程如圖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?？刂撇糠指鶕崟r測量的溫度值與設定值的偏差，利用PID算法計算出相應的輸出控制量，即程控電源的電流值，實時通過RS232串口通信將控制命令發(fā)送至程控電源，調節(jié)程控電源輸出的電流值來調節(jié)半導體制冷片的制冷量。

3.2PID控制方法

圖4　數據采集及控制流程圖

PID調節(jié)器控具有結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便等優(yōu)點［19，20］。本系統(tǒng)采用PID控制方法，根據輸入量的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系式完成控制參數Kp、Ki、Kd的整定。

因為恒溫箱溫度控制系統(tǒng)是個大容量、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)對偏差值有高靈敏度，可以快速響應輸出，但Kp不能選擇過大，過大將導致系統(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置控制值增大Ki可以加快消除偏差的速度，但Ki過大將引起振蕩甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；最后選擇Kd，其作用強弱與偏差信號變化的速率成正比，可實現(xiàn)超前調節(jié)，從而減小系統(tǒng)的超調量，加快系統(tǒng)的過渡過程，縮短調節(jié)時間。參數整定結果為：Kp= 1、Ki=0.01、Kd=0.2、u0=0.5。

4　實驗結果

利用所設計的硬件系統(tǒng)、軟件控制程序和整定好的參數進行了系統(tǒng)控溫實驗，將SIOS測量技術有限公司生產的微型角隅干涉儀MI-5000放入恒溫箱內，通過配套的INFAS NTC軟件監(jiān)測記錄其位移量的跳動［21］。恒溫箱的控溫實驗結果如圖5和圖6所示，穩(wěn)態(tài)值為20.003 2℃，系統(tǒng)的過渡過程大約為20 min，穩(wěn)態(tài)誤差為0.003 2℃，穩(wěn)態(tài)時的波動量小于0.03℃。優(yōu)于一級恒溫室標準規(guī)定的測量點溫度跳動保持在20±0.1℃以內。

圖5　溫度過渡過程曲線

圖6　穩(wěn)定時的溫度變化

恒溫箱運行時，MI-5000在溫度穩(wěn)定狀態(tài)下的位移跳動如圖7所所示，位移跳動在4 000 s穩(wěn)態(tài)內可以保持在7 nm以內。恒溫箱停止時，MI-5000的位移跳動如圖8所示，位移跳動在4 000 s時間內位移跳動量達158 nm。由實驗對比可知，此恒溫箱能夠實現(xiàn)高精度的溫度控制，極大地改善了微納米測量機的測量環(huán)境，減小環(huán)境溫度對測量結果的影響，有利于提高測量精度。

5　結 論

圖7　恒溫箱運行時MI-5000位移跳變量

圖8　恒溫箱停止時MI-5000位移跳變量

設計研制了一套具有控溫精度高、速度快、振動小、體積小、能耗低、成本低、可以靈活定制等優(yōu)點的自然對流式恒溫箱。以訂制尺寸的中空亞克力板和輕便型超低導熱系數真空絕熱板制成絕熱箱體，在保證隔熱效果的同時減輕了箱體重量，減小了箱體的體積。因箱內測量設備的熱源會導致溫度升高，且箱內熱源分布不均勻，故以儀器測量點溫度作為溫度控制反饋值。位于恒溫箱頂部的半導體制冷片對其周圍空氣進行制冷，箱內冷空氣均勻向下流動，與向上流動的熱空氣進行熱交換。采用LabVIEW和MATLAB混合編程，實現(xiàn)了基于PID控制算法進行程序測控。實驗結果表明：在設定值為20℃的情況下，箱內溫度的穩(wěn)態(tài)誤差為0.003 2℃，達到穩(wěn)態(tài)后的溫度跳變范圍小于0.03℃，控溫效果優(yōu)于一級恒溫室，且避免了傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)存在的壓縮機及送風系統(tǒng)帶來的振動。該套系統(tǒng)不僅適用于微納米三坐標測量機，而且也可以應用于其它微納米測量場合下的環(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

國家自然科學基金（51275148，51175141）；安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目（KJ2014A021）

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