基于電容法測(cè)量氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度的原理，進(jìn)行供氣壓力與氣膜介電常數(shù)相關(guān)性的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)與供氣壓力呈顯著負(fù)相關(guān)并符合4階多項(xiàng)式關(guān)系，擬合決定系數(shù)R2均大于0.94，該結(jié)果為氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜精準(zhǔn)電容模型的建立提供了依據(jù)。

　　超精密機(jī)床與加工技術(shù)是裝備制造業(yè)發(fā)展的要基礎(chǔ)技術(shù)之一，其中，軸系和導(dǎo)軌是其兩大核心技術(shù)。氣體靜壓潤(rùn)滑技術(shù)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、摩擦小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在納米精度應(yīng)用中，形成氣膜時(shí)在運(yùn)動(dòng)副偶件間易產(chǎn)生數(shù)十納米的隨機(jī)振動(dòng)，此振動(dòng)成為制約氣體靜壓導(dǎo)軌精度指標(biāo)的重要因素。通過(guò)對(duì)氣膜厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，采取相應(yīng)措施使導(dǎo)軌在工作時(shí)氣膜厚度穩(wěn)定在這一范圍之內(nèi)，能夠有效抑制導(dǎo)軌振動(dòng)。

　　氣膜厚度測(cè)量屬于微小位移測(cè)量，從原理上講，測(cè)量方法主要分為光學(xué)法和電學(xué)法兩類。光學(xué)法對(duì)波長(zhǎng)、光強(qiáng)等參數(shù)和測(cè)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(tǒng)�？紤]到氣膜兩個(gè)界面間的絕緣性處理得當(dāng)，就相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板，這樣，就可以應(yīng)用平板電容測(cè)量原理獲得氣膜的厚度值。

　　影響電容器介電常數(shù)的外部非電氣因素主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度和使用時(shí)間等，內(nèi)部因素則包括正對(duì)面積S、極板間距離d，以及氣膜介電常數(shù)ε。對(duì)于氣體靜壓系統(tǒng)，供氣壓力是影響介電常數(shù)的主要內(nèi)部因素，對(duì)其影響的探究卻鮮有介紹，由于介電常數(shù)影響氣膜精準(zhǔn)電容模型的建立，故需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究供氣壓力與氣膜介電常數(shù)的相關(guān)性。

1、電容式測(cè)量氣膜厚度的原理

　　電容式測(cè)量氣膜厚度的原理是利用電容測(cè)量設(shè)備測(cè)量氣體靜壓導(dǎo)軌工作時(shí)節(jié)流器與導(dǎo)軌工作面之間的電容量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度以及氣膜剛度。電容式測(cè)量方法原理圖如圖1所示。

圖1 電容式測(cè)量方法原理圖

　　將壓強(qiáng)為0.1～0.5MPa的壓縮空氣經(jīng)過(guò)節(jié)流孔送入氣體靜壓導(dǎo)軌的間隙中，借助其壓力使氣體靜壓導(dǎo)軌節(jié)流器懸浮起來(lái)，節(jié)流器與導(dǎo)軌工作面之間形成一層氣膜，實(shí)現(xiàn)節(jié)流器的純氣體摩擦的直線運(yùn)動(dòng)。

　　如圖1所示，節(jié)流器工作面為平面，節(jié)流器與電容測(cè)量?jī)x的一個(gè)測(cè)量端口相連接，氣體靜壓導(dǎo)軌工作面連接電容測(cè)量?jī)x的另一個(gè)測(cè)量端口，電容測(cè)量?jī)x可測(cè)得節(jié)流器與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容C。根據(jù)平板電容器的原理，節(jié)流器與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面可看作電容器的兩個(gè)極板，根據(jù)電容的基本公式，計(jì)算平板電容C為：

C = εS /d

　　式中：ε為氣膜介電常數(shù);S為兩個(gè)極板正對(duì)的面積;d為兩個(gè)極板間的距離，在本文中相當(dāng)于氣膜厚度。當(dāng)氣膜厚度d變化時(shí)，電容會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變。當(dāng)測(cè)量得到某氣膜厚度下節(jié)流器與氣體靜壓導(dǎo)軌工作面之間的電容時(shí)，根據(jù)式(1)可得到連續(xù)氣膜厚度的電容變化曲線。

　　電容式測(cè)量氣膜厚度不僅能測(cè)量簡(jiǎn)單的平面節(jié)流器，對(duì)于工作面不是平面的情況，通過(guò)建立節(jié)流工作面的數(shù)學(xué)模型，同樣可以利用此方法測(cè)量氣膜厚度。

　　在上述介紹的電容式測(cè)量原理中，假設(shè)氣膜介電常數(shù)ε是定值(取常溫、常壓下空氣介電常數(shù))，對(duì)其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化不予考慮，但在實(shí)際應(yīng)用中，ε受眾多因素的影響，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、材料和供氣壓力等，故需對(duì)ε的變化進(jìn)行研究。

2、電容式測(cè)量氣膜厚度的實(shí)驗(yàn)方法與裝置

　　研究供氣壓力對(duì)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(yīng)的電容值。但在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)供氣壓力增大時(shí)，節(jié)流器初始彈起氣膜厚度值變大，用機(jī)械法使氣膜厚度減小存在一定的回程誤差，故在實(shí)驗(yàn)中采用間接測(cè)量法，按照上述氣膜厚度的電容測(cè)試方法得到原始數(shù)據(jù)后，取相同氣膜厚度時(shí)，以不同壓力下對(duì)應(yīng)的電容值作為最終數(shù)據(jù)。相對(duì)介電常數(shù)εr的定義為：

εr=ε/ε0(2)

　　式中：ε0為真空介電常數(shù);εr為相對(duì)介電常數(shù)，是無(wú)量綱數(shù)值，最小值為1，據(jù)此可以判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合理。

　　本文實(shí)驗(yàn)所搭建的電容測(cè)試方法專用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

　　模擬氣體靜壓導(dǎo)軌，通氣后，節(jié)流器與實(shí)驗(yàn)平板之間形成氣膜，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

　　圖3中，檢測(cè)氣膜厚度使用TESAGT31電感杠桿測(cè)頭，測(cè)量范圍為-3～+3mm，電感杠桿測(cè)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(cè)量?jī)x選用同惠電子公司的TH2617精密電容測(cè)量?jī)x，兩個(gè)夾具分別連接實(shí)驗(yàn)平板與節(jié)流器，電容測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)顯示電容數(shù)據(jù)的變化，單位為pF。

　　節(jié)流器是實(shí)驗(yàn)的核心部件，實(shí)驗(yàn)中選用筆者所在課題組自行設(shè)計(jì)的多微通道式氣體靜壓節(jié)流器，其底面如圖4所示。節(jié)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(jié)流器底面

　　3.3、誤差源分析

　　本實(shí)驗(yàn)屬于探究性實(shí)驗(yàn)，沒有較為精確的數(shù)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(yàn)條件的誤差。

　　2)實(shí)驗(yàn)所用節(jié)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(dǎo)致實(shí)測(cè)值變小，則產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)對(duì)象的誤差。

　　3)實(shí)驗(yàn)裝置存在摩擦、絲杠不精確和零/部件配合不穩(wěn)定，則產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)裝置的誤差。

　　4)溫、濕度的微小變化、光照強(qiáng)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(yàn)環(huán)境的誤差。

　　5)實(shí)驗(yàn)人員讀數(shù)、對(duì)準(zhǔn)不穩(wěn)定，則產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)人員的誤差。

4、結(jié)語(yǔ)

　　本文基于電容式測(cè)量氣膜厚度的原理，用專用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究供氣壓力對(duì)氣膜介電常數(shù)的影響，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并獲得數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)曲線可看出，忽略其他影響因素，在供氣壓力為0.1～0.48MPa范圍內(nèi)，氣膜介電常數(shù)與供氣壓力呈顯著負(fù)相關(guān)，且符合4階多項(xiàng)式關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果為電容法測(cè)量氣體靜壓導(dǎo)軌氣膜厚度、氣膜精準(zhǔn)電容模型的建立提供了依據(jù)，且利用此實(shí)驗(yàn)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(duì)介電常數(shù)影響的研究。