微纳米三坐标测量机的高精度恒温箱研制

冯 建， 李瑞君， 何亚雄， 范光照，2

（1.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；2.台湾大学机械工程学系，台北 10617）

微纳米三坐标测量机的高精度恒温箱研制

冯 建1， 李瑞君1， 何亚雄1， 范光照1，2

（1.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；2.台湾大学机械工程学系，台北 10617）

针对恒温室控制精度低和分离式恒温箱因振动而无法满足微纳米三坐标测量机需要的问题，研制了一套自然对流式高精度恒温箱。用定制尺寸的中空亚克力板和轻便型超低导热系数真空绝热板制成绝热箱体。以仪器测量点温度作为温度控制反馈值，均匀位于恒温箱顶部的9个半导体制冷片对其周围空气进行制冷，箱内冷空气均匀向下流动，与向上流动的热空气进行热交换。采用LabVIEW与MATLAB混合编写高精度温控程序。实验结果表明：设定值为20℃时的稳态误差为0.003 2℃，稳态时温度波动小于0.03℃，优于一级恒温室。新型恒温箱具有成本低、能耗小和无振动干扰等优点。

计量学；微纳米三坐标测量机；恒温箱；半导体制冷片；真空绝热板；自然对流

1　引 言

在微纳米测量、制造和控制等技术领域中对环境温度需要有高精度控制，以有效减少热变形误差的影响［1～3］。目前，一般采用的温度控制措施是将高精密测量仪器放置在恒温室或者恒温箱内。从大空间内隔离出一个微小环境空间，国际标准化组织（ISO）和美国环境科学与技术学会（IEST）发布了构建微环境的标准［4］。通过在大的恒温室内构建微型恒温箱，可为微纳米测量提供高精密温度控制的测量环境［5，6］。

美国国家标准技术研究所在研究分子测量机时，通过构建多层封闭式的微环境，以保证核心层（放置测试仪器的恒温腔）温度的高稳定性，结构复杂昂贵［7］。韩国BUPE在实施UPCMM（Ultra Precision CMM）研究计划时建造了4层封闭式的微环境结构，即绝热层、隔音层、真空层和测试层，从而达到高精密的控温要求。研究表明：当温度变化1℃的时候，由于系统的机械热变形所引起的相对不确定度的误差可以达到10-5m。此外，温度的不稳定会导致空气折射率的变化，从而使外差式双频激光干涉仪的额外误差达到10-6m/℃，可见温度的漂移对测量精度有很大的影响。日本东京大学的K.Takamasu教授认为Nano-CMM系统的关键技术之一就是降低热效应对测量结果的影响。研究报告的实验数据表明：Nano-CMM放置在环境控制箱内时，如果其测量环境的温度变化在0.11℃的情况下，仪器水平位置变化30 nm；而如果Nano-CMM不在环境控制箱中时，当温度变化了0.56℃，工作台会产生180 nm的变形［8］。可见纳米测量环境的建立对高精密测量是十分重要的。

我国国防科技大学在超精密加工中初步建成了一个超精密的加工环境［9］。北京理工大学光电学院和中国计量科学研究院合作设计了一种基于半导体制冷器的恒温控制系统［10］。作者所在实验室团队在研究微纳米三坐标测量机时，曾研制了一套分离式恒温箱，控温精度较高，避免了恒温室控制精度低的缺点，但能耗依旧较高，体积笨重，其送风系统带来的振动不满足微纳米测量要求［11，12］。因此，在分离式恒温箱的基础上，针对已研制的纳米三坐标测量机的测量环境需要［13，14］，研制了一套低成本的自然对流式高精度恒温箱，控温效果优于一级恒温室，解决了微纳米三坐标测量机的环境温度控制的问题，同时此恒温箱也适用于其它各类精密测量仪器的环境控制需求。

2　恒温箱结构和硬件设计

2.1结构设计

为了避免分离式恒温箱存在的振动问题，设计摒弃了压缩机和送风系统方案，直接采用半导体制冷片进行制冷。考虑到恒温箱内的测量设备会不断散发出热量，故采用单向制冷的方式。为保证温度场的均匀性，在恒温箱的顶部均匀布置了9个可调功率的半导体制冷片，同时对周围空气制冷，箱内冷空气均匀向下流动，与向上流动的热空气进行热交换，通过自然对流的方式实现箱体内的冷热量交换。制冷片热端产生的热量通过小风扇向外吹散。根据微纳米三坐标测量机尺寸设计的恒温箱结构如图1所示。采用双门开合的方式，以便对测量机进行调试与维护。基础箱体由预裁好的中空亚格力板制成，在亚克力箱体内侧附贴低导热系数的真空绝热板，该绝热板由纳米多孔硅粉填充芯材与真空保护表层复合而成，有效地避免空气对流引起的热传递，使导热系数可大幅度降低，可低至0.005 W/（m· K），为传统绝热材料的1/6～1/10［15，16］。在亚克力箱体外侧和真空绝热板内侧贴有红外反射膜，以有效降低人员、设备、灯光等对箱体的热辐射。该恒温箱的内部净尺寸为640 mm×640 mm×840 mm，体积和重量均比分离式恒温箱小很多。

图1　恒温箱结构图

2.2硬件设计

系统硬件主要由隔热箱体、高精度温度传感器、半导体制冷片、程控电源和工控机组成，如图2所示。高精度温度传感器实时采集恒温箱箱内的温度，通过RS232串口通讯将温度测量值传输至工控机，LabVIEW控制程序对温度值进行相应PID算法处理得到被控外设的控制参数，再利用RS232串口通讯将控制指令发送至程控电源，通过程控电源输出的直流电流调节半导体制冷片的制冷量，实现恒温箱的温度控制。

2.2.1高精度温度传感器的选择

温度传感器选择美国FLUKE公司的Hart1504型高精度测温仪，该测温仪可以与热敏电阻或电阻温度探测器（RTD）相连接，前面板可显示4种测量结果，并可通过RS232串口发送测量值，当四线制外接RTD时，其测量精度为0.003℃，分辨率为0.000 1℃，满足系统温度测量要求。

图2　温控系统示意图

2.2.2半导体制冷片选择

半导体制冷片冷负荷主要由恒温箱体的热泄漏、箱体内坐标测量机的热容量和箱内热源散发的热量3部分决定。

（1）箱体的热泄漏

热泄漏的大小取决于腔内外温差、腔壁的厚度、绝热材料、内外表面空气流动速度等因素。假设恒温箱置于23℃的室内，温控设定值为20℃，温差ΔT= 3℃。外表面积为A=2.97 m2。考虑到箱体侧壁的激光干涉仪调试小窗口和侧门与箱体接触部分未粘贴纳米真空绝热板，取箱体壁的隔热材料热传导率λ =0.01 W/（m·K），则从箱体表面损失的热量Q1为：

式中ΔX为隔热材料厚度，m。

（2）箱体内坐标测量机的热容量

根据测量需要，希望恒温箱内的温度能够在时间t=30 min内从23℃降到20℃，所需的制冷功率为Q2，空气的比重为ρa=1.293 kg/m3，空气比热为Ca=1 005 J/（kg·℃），恒温箱腔体积V1=0.34 m3，所以制冷功率Q2为：

微纳米三坐标机台的底部和宝塔结构由大理石制作，其大理石部分热容量为Q3，大理石的比重为ρm=2 600 kg/m3，比热为Cm=816.96 J/（kg·℃），大理石座底部体积为420 mm×420 mm×80 mm= 0.014 m3，宝塔大理石顶部体积为255 mm×110 mm ×50 mm×4=0.005 6 m3，4根大理石柱子体积为60 mm×60 mm×200 mm×4=0.002 9 m3，3部分的体积之和V2=0.022 5 m3，制冷功率Q3为：

（3）腔内热源散热形成的冷负荷

为了简化计算，常常近似认为腔内热源散发的热量就等于其形成的瞬时冷负荷。恒温箱内用电设备的散热，包括电热设备的散热量和电动设备的散热量。在恒温箱内，热源主要由纳米微动台的驱动电机、激光器和电路板等，总功率Q4约为10 W［17］。电热设备消耗的电能最终会转化为热能，散发到空气中。故所需制冷总功率：

根据计算得到的制冷量，选用9个制冷功率为15 W的制冷片均匀放置在恒温箱顶部，如图3所示方式连接到程控电源，同时控制所有制冷模块制冷的功率。半导体制冷片热端的直流风扇由12 V的开关电源控制。

图3　制冷片连接原理图

2.2.3程控电源选择

选择台湾固纬公司的PSM-6003程控电源作为半导体制冷片的驱动器，其直流输出范围为，电流波纹系数及峰峰值，在功率及性能上完全满足系统要求，该程控电源可以通过RS232串口和PC机之间进行通讯。

3　软件设计及控制方法

3.1软件设计

采用LabVIEW和MATLAB混合编程的方法实现温度测量和PID控制［18］。温度测量程序用LabVIEW编写，由前面板和程序框图两个部分组成。前面板提供设置控制目标温度值、实时显示测量的温度变化曲线、显示控制量的输出值等人机交互功能；程序框图包括温度信息采集、温度数据的处理和保存、温度控制算法的实现以及控制命令输出等功能。数据采集流程如图4（a）所示，PID控制部分主要由MATLAB脚本程序完成，流程图如图4（b）所示。控制部分根据实时测量的温度值与设定值的偏差，利用PID算法计算出相应的输出控制量，即程控电源的电流值，实时通过RS232串口通信将控制命令发送至程控电源，调节程控电源输出的电流值来调节半导体制冷片的制冷量。

3.2PID控制方法

图4　数据采集及控制流程图

PID调节器控具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点［19，20］。本系统采用PID控制方法，根据输入量的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系式完成控制参数Kp、Ki、Kd的整定。

因为恒温箱温度控制系统是个大容量、纯滞后惯性系统，本系统采用的整定方法是：首先选择Kp，保证系统对偏差值有高灵敏度，可以快速响应输出，但Kp不能选择过大，过大将导致系统不稳定；其次选择Ki，消除系统的稳态误差，使控制温度逐渐趋于设置控制值增大Ki可以加快消除偏差的速度，但Ki过大将引起振荡甚至造成系统的不稳定；最后选择Kd，其作用强弱与偏差信号变化的速率成正比，可实现超前调节，从而减小系统的超调量，加快系统的过渡过程，缩短调节时间。参数整定结果为：Kp= 1、Ki=0.01、Kd=0.2、u0=0.5。

4　实验结果

利用所设计的硬件系统、软件控制程序和整定好的参数进行了系统控温实验，将SIOS测量技术有限公司生产的微型角隅干涉仪MI-5000放入恒温箱内，通过配套的INFAS NTC软件监测记录其位移量的跳动［21］。恒温箱的控温实验结果如图5和图6所示，稳态值为20.003 2℃，系统的过渡过程大约为20 min，稳态误差为0.003 2℃，稳态时的波动量小于0.03℃。优于一级恒温室标准规定的测量点温度跳动保持在20±0.1℃以内。

图5　温度过渡过程曲线

图6　稳定时的温度变化

恒温箱运行时，MI-5000在温度稳定状态下的位移跳动如图7所所示，位移跳动在4 000 s稳态内可以保持在7 nm以内。恒温箱停止时，MI-5000的位移跳动如图8所示，位移跳动在4 000 s时间内位移跳动量达158 nm。由实验对比可知，此恒温箱能够实现高精度的温度控制，极大地改善了微纳米测量机的测量环境，减小环境温度对测量结果的影响，有利于提高测量精度。

5　结 论

图7　恒温箱运行时MI-5000位移跳变量

图8　恒温箱停止时MI-5000位移跳变量

设计研制了一套具有控温精度高、速度快、振动小、体积小、能耗低、成本低、可以灵活定制等优点的自然对流式恒温箱。以订制尺寸的中空亚克力板和轻便型超低导热系数真空绝热板制成绝热箱体，在保证隔热效果的同时减轻了箱体重量，减小了箱体的体积。因箱内测量设备的热源会导致温度升高，且箱内热源分布不均匀，故以仪器测量点温度作为温度控制反馈值。位于恒温箱顶部的半导体制冷片对其周围空气进行制冷，箱内冷空气均匀向下流动，与向上流动的热空气进行热交换。采用LabVIEW和MATLAB混合编程，实现了基于PID控制算法进行程序测控。实验结果表明：在设定值为20℃的情况下，箱内温度的稳态误差为0.003 2℃，达到稳态后的温度跳变范围小于0.03℃，控温效果优于一级恒温室，且避免了传统温控系统存在的压缩机及送风系统带来的振动。该套系统不仅适用于微纳米三坐标测量机，而且也可以应用于其它微纳米测量场合下的环境温度控制。

［1］ 李洪波，高思田，崔建军.微米、纳米尺度测量环境的温度测量和控制技术［J］.计量学报，2009，30（z1）：32-37.

［2］ 杨庆东，Vanherck P，Kruth J P，等.三坐标测量机的热变形和神经网络误差补偿［J］.计量学报，2000，21（2）：113-118.

［3］ 赵英剑，王建利，马新辉，等.三坐标测量机智能技术［J］.计量学报，2001，22（3）：164-167.

［4］ InternationalOrganizationforStandardization.ISO 14644，Cleanrooms and associate controlled environments［S］.

［5］ Xu T F.Best Practice for Energy Efficient Cleanrooms： Minienvironments［R］.LBNL-58638，2005.

［6］ Fan K C，Wang H M，Liu Y C.Development of a Constant Temperature Environment Chamber with High Stability［J］.Materials Science Forum，2008，594（11）：78-83.

［7］ Kramar J A.Nanometre resolution metrology with the molecular measuring machine［J］.Measurement Science and Technology，2005，16（11）：2121-2128.

［8］ Furutani R，Shimojima K，Takamasu K，et al.Parameter calibration for non-cartesian CMM［J］.VDI Berichte，2004，（1860）：317-326.

［9］ 王宪平，李圣怡.超精密环境温度控制及温度测量技术研究［J］.中国机械工程，2000，11（8）：869-871.

［10］ 李洪波，赵维谦，高思田，等.高性能恒温环境的设计及MAX1978性能测试［J］.计量学报，2010，31（z2）：216-221.

［11］ 张辉.微纳米测量环境控制机理及系统研究［D］.合肥：合肥工业大学，2009.

［12］ 李云彬.高精密宽温测量与控制系统研制［D］.合肥：合肥工业大学，2012.

［13］ Fan K C，Cheng F，Wang H Y，et al.The system and the mechatronics of a pagoda type micro-CMM［J］. International Journal of Nanomanufacturing.2012，8（1）：67-86.

［14］ Fan K C，Fei Y T，Yu X Y，et al.Development of a low-cost micro-CMM for 3D micro/nano measurements［J］.Measurement Science and Technology，2006，17（3）：524-532.

［15］ Simmler H，Brunner S，Heinemann U，et al.Vacuum Insulation Panels-Study on VIP components and panels for service life prediction of VIP in building applications［R］.Subtask A.2005，3-34.

［16］ Bouquerel M，Duforestel T，Baillis D，et al.Heat transfer modeling in vacuum insulation panels containing nanoporous silicas-A review［J］.Energy and Buildings，2012，54：320-336.

［17］ 程方.纳米三坐标测量机测控系统关键技术研究［D］.合肥：合肥工业大学，2010.

［18］ 张涛，钟莹，冷长林，等.基于Labview和Matlab的多普勒信号的处理［J］.计量学报，2008，29（2）：138 -141.

［19］ 沈才忠，周连琴，蔡伟勇.WJ-1型高精度温度校验箱［J］.计量学报，2007，28（z1）：118-120.

［20］ 柯维娜，朱定强，蔡国飙.温度控制技术的发展与应用［J］.计量学报，2007，28（z1）：178-184.

［21］ SIOS.Miniature Retroreflector Interferometer［DB］. http：//www.sios.de/ENGLISCH/PRODUKTE/MI_engl _2014.pdf.2014-3.

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

国家自然科学基金（51275148，51175141）；安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目（KJ2014A021）

冯建（1990-），男，江西萍乡人，合肥工业大学硕士生，主要从事微纳米精密仪器测量与控制的研究。fengjian817@126.com