基于電容法測量氣體靜壓導(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。實驗結(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)。氣體靜壓潤滑技術(shù)具有運(yùn)動平穩(wěn)、摩擦小和精度高等優(yōu)點，但在納米精度應(yīng)用中，形成氣膜時在運(yùn)動副偶件間易產(chǎn)生數(shù)十納米的隨機(jī)振動，此振動成為制約氣體靜壓導(dǎo)軌精度指標(biāo)的重要因素。通過對氣膜厚度進(jìn)行實時測量，采取相應(yīng)措施使導(dǎo)軌在工作時氣膜厚度穩(wěn)定在這一范圍之內(nèi)，能夠有效抑制導(dǎo)軌振動。

　　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。光學(xué)法對波長、光強(qiáng)等參數(shù)和測量環(huán)境等均有較高要求，并不適用于實際的氣體靜壓系統(tǒng)。考慮到氣膜兩個界面間的絕緣性處理得當(dāng)，就相當(dāng)于電容器的兩個極板，這樣，就可以應(yīng)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(shù)的外部非電氣因素主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度和使用時間等，內(nèi)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(shù)ε。對于氣體靜壓系統(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，故需通過實驗來研究供氣壓力與氣膜介電常數(shù)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(shè)備測量氣體靜壓導(dǎo)軌工作時節(jié)流器與導(dǎo)軌工作面之間的電容量，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算氣體靜壓導(dǎo)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(qiáng)為0.1～0.5MPa的壓縮空氣經(jīng)過節(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，節(jié)流器與導(dǎo)軌工作面之間形成一層氣膜，實現(xiàn)節(jié)流器的純氣體摩擦的直線運(yùn)動。

　　如圖1所示，節(jié)流器工作面為平面，節(jié)流器與電容測量儀的一個測量端口相連接，氣體靜壓導(dǎo)軌工作面連接電容測量儀的另一個測量端口，電容測量儀可測得節(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極板，根據(jù)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(shù);S為兩個極板正對的面積;d為兩個極板間的距離，在本文中相當(dāng)于氣膜厚度。當(dāng)氣膜厚度d變化時，電容會相應(yīng)地發(fā)生改變。當(dāng)測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，根據(jù)式(1)可得到連續(xù)氣膜厚度的電容變化曲線。

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

　　在上述介紹的電容式測量原理中，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))，對其在實驗過程中的變化不予考慮，但在實際應(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ε的變化進(jìn)行研究。

2、電容式測量氣膜厚度的實驗方法與裝置

　　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(yīng)的電容值。但在實驗中，當(dāng)供氣壓力增大時，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(shù)據(jù)后，取相同氣膜厚度時，以不同壓力下對應(yīng)的電容值作為最終數(shù)據(jù)。相對介電常數(shù)εr的定義為：

εr=ε/ε0(2)

　　式中：ε0為真空介電常數(shù);εr為相對介電常數(shù)，是無量綱數(shù)值，最小值為1，據(jù)此可以判斷實驗數(shù)據(jù)是否合理。

　　本文實驗所搭建的電容測試方法專用實驗平臺示意圖如圖2所示。

圖2 實驗平臺示意圖

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

圖3 實驗裝置實物圖

　　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。電容測量儀選用同惠電子公司的TH2617精密電容測量儀，兩個夾具分別連接實驗平板與節(jié)流器，電容測量儀實時顯示電容數(shù)據(jù)的變化，單位為pF。

　　節(jié)流器是實驗的核心部件，實驗中選用筆者所在課題組自行設(shè)計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)過硬質(zhì)陽極氧化處理。

圖4 多微通道式氣體靜壓節(jié)流器底面

　　3.3、誤差源分析

　　本實驗屬于探究性實驗，沒有較為精確的數(shù)學(xué)模型，故無法定量分析誤差的大小，但誤差源仍是需要注意的重點，主要的誤差源如下。

　　1)氣源供氣壓力波動和流速的變化，引起氣膜微振動，則產(chǎn)生實驗條件的誤差。

　　2)實驗所用節(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)致實測值變小，則產(chǎn)生實驗對象的誤差。

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

　　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)生實驗環(huán)境的誤差。

　　5)實驗人員讀數(shù)、對準(zhǔn)不穩(wěn)定，則產(chǎn)生實驗人員的誤差。

4、結(jié)語

　　本文基于電容式測量氣膜厚度的原理，用專用實驗平臺研究供氣壓力對氣膜介電常數(shù)的影響，進(jìn)行實驗并獲得數(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階多項式關(guān)系。本實驗得到的結(jié)果為電容法測量氣體靜壓導(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(shù)影響的研究。