纳米三坐标机之高精度微型环境箱研制

发布时间：2020-10-01 18:51

　　稳定精密的环境是纳米三坐标测量机(Nano-CMM)测量的前提。传统的恒温室存在成本高、耗能高、以及内部人员活动会影响温控稳定性等缺点。目前,根据绿色、微环境的理念为各类仪器定制合适的环境腔是主流做法,工业级恒温箱的压缩机振动强、控温精度低,而分离式恒温箱因其风机振动也无法满足微纳米测量的高要求。本文针对实验室已研制的Nano-CMM的测量需求,提出并研制了一套无振动低成本式的高精度微型环境箱。利用电子式半导体制冷片取代传统压缩机,并采用组合式箱体设计,避免分离式系统中风机带来的振动。考虑低成本及易装卸性,根据Nano-CMM所需空间订制的铝型材作为箱体支撑结构,亚克力板和纳米真空绝热板制成轻便型隔热箱体。考虑到置于环境箱内的测量设备热源会导致箱内温度升高,且热源分布不均匀,故采用单向制冷控温方式,并将Nano-CMM测量平台附近的温度值回馈至PID控制器。均匀分布于环境箱顶部的若干个功率可调的半导体制冷模块直接对箱内空气进行制冷,避免了风扇带来的振动。箱内冷空气均匀向下流动,与向上流动的热空气形成自然对流,箱内温度将逐渐趋于PID控制器所设温度值并保持稳定。利用LabVIEW与MATLAB混合编程的方式实现了基于PID控制算法的高精度温度控制程序。具有高亲水性的硅胶制作的可循环除湿器用于抑制箱内湿度过高。实验结果表明,在设定值为20℃时,系统的稳态误差为0.003℃,稳态时的温度变化范围小于0.03℃,优于一级恒温室规范(20±0.1℃),箱内相对湿度可从66%降到48%左右。此新型环境箱具有低成本、低能耗、无振动、高精度等优点,不仅适用于本实验室纳米三坐标测量机,亦可针对其它精密测量仪器量身制作。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TH721
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
绪论
    1.1 课题来源及意义
    1.2 研究现状
    1.3 主要研究内容
第二章环境箱结构设计
    2.1 结构设计
        2.1.1 绝热材料
        2.1.2 除湿方法
        2.1.3 组装工艺
    2.2 制冷片原理
        2.2.1 热电制冷片简介
        2.2.2 塞贝克效应
        2.2.3 汤姆逊效应
        2.2.4 帕尔贴效应
    2.3 制冷量计算
        2.3.1 绝热的方法和类型
        2.3.2 环境箱的热传导原理
        2.3.3 腔体冷负荷计算
    2.4 本章小结
第三章环境箱测控系统设计
    3.1 箱体测控系统硬件设计
        3.1.1 温度传感器的选择
        3.1.2 温度传感器标定
        3.1.3 高精度温度测量仪
        3.1.4 多路温度测量单元
        3.1.5 制冷模块的驱动电源
        3.1.6 湿度记录仪
    3.2 箱体测控系统软件设计
        3.2.1 基于LabVIEW的测控系统软件设计
        3.2.2 温度测量部分软件设计
        3.2.3 温度控制部分软件设计
    3.3 本章小结
第四章环境箱数学模型与控制算法
    4.1 箱体数学模型建立与仿真
    4.2 PID控制及参数整定
        4.2.1 PID控制概述
        4.2.2 数字式PID分类
        4.2.4 系统PID参数软件仿真法
    4.3 本章小结
第五章测试实验
    5.1 箱内温度、湿度实验
        5.1.1 温度、湿度响应实验
        5.1.2 温度场实验
    5.2 环境箱内的纳米三坐标测量机传感器稳定式实验
        5.2.1 迈克尔逊干涉仪跳变量实验
        5.2.2 纳米三坐标测量机稳定性测试
        5.2.3 台湾大学环境箱测试实验
    5.3 本章小结
第六章总结与展望
    6.1 研究总结
    6.2 研究工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况
    1) 参加的学术交流与科研项目
    2) 发表的学术论文
    3) 获得的学术奖励

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