靜壓氣體止推軸承氣膜面的氣體壓強分布測量裝置及方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于微小間隙內氣體壓強分布測量技術領域，更具體地，涉及一種靜壓氣體止推軸承氣膜面的氣體壓強分布測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]靜壓氣體止推軸承由于其零摩擦、低產熱的特點，廣泛應用于IC制造裝備、超精密機床等超精密制造裝備，已經成為其中運動支承的主要結構形式。在工作狀態中，外部供壓氣體經軸承節流孔流出，與支承平面共同形成氣膜面，達到支承潤滑的作用。氣膜面氣體壓強分布，影響著靜壓氣體止推軸承的流場特性，也是氣體靜壓支承流場計算的重要驗證指標，但其實驗測量手段，目前尚存難點。
[0003]貼片傳感器是常用的氣體壓強分布測量原件，然而，在測量靜壓氣體止推軸承氣膜面氣體壓強分布的實驗中，由于形成的氣膜間隙很小，通常在10-20um左右，難以通過在氣膜間隙中安裝貼片傳感器來測量潤滑氣體的壓強。現有技術中通過在氣膜支承平面開一個小孔，使用壓力傳感器測量該點的氣體壓強大小，以達到測量靜壓氣體止推軸承氣膜面氣體壓強分布的目的。但在這種氣膜氣體壓強測量方法中，由于氣膜面下開孔的影響，氣膜間隙內的局部氣體流速以及壓強會受到影響，特別當開孔在平面靜壓止推軸承的節流孔出口附近，會造成氣體流速突然增大，甚至產生激波、止推軸承微振動等現象。并且，這種方法的壓強分布空間解析度受到開孔直徑和支撐平面移動和定位精度的影響，一定程度上限制了這種傳統測量方法的準確度。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于光彈性的氣體壓強分布測量裝置和方法，其中結合靜壓氣體止推軸承氣膜面的特點，相應設計了適用于靜壓氣體止推軸承氣膜面的氣體壓強分布測量裝置和方法，可解決現有技術中微小間隙內氣體壓強測量的問題，具有測量無干擾、可連續測量的優點。
[0005]為實現上述目的，作為本發明的一個方面，提出了一種靜壓氣體止推軸承氣膜面的氣體壓強分布測量裝置，該測量裝置沿光路方向依次包括準直光源、起偏鏡、第一 1/4波片、前透明方塊、光彈性薄片、后透明方塊、第二 1/4波片、檢偏鏡和成像記錄儀，其中:
[0006]所述準直光源用于發射單色平行光;所述第一1/4波片設置在起偏鏡之后，其快軸和慢軸相互垂直，且所述快軸和慢軸均與檢偏鏡的偏振方向成45°;所述光彈性薄片采用受應力后產生雙折射現象的透明光彈性材料制成，其由所述前透明方塊和后透明方塊包夾，其位于供氣狀態下的靜壓氣體止推軸承之下，并與所述靜壓氣體止推軸承共同形成氣膜面，所述光彈性薄片的平面中心法向通過所述光路的軸心;所述第二 1/4波片設置在后透明方塊之后，其快軸和慢軸相互垂直，且快軸與第一 1/4波片的快軸垂直，慢軸與第一 1/4波片的慢軸垂直;所述檢偏鏡用于成像，位于所述第二 1/4波片之后，其偏振方向與起偏鏡的偏振方向垂直;所述成像記錄儀與計算機相連。
[0007]進一步優選的，所述前透明方塊和后透明方塊采用有機玻璃制成，所述光彈性薄片采用環氧樹脂制成，所述前透明方塊、光彈性薄片和后透明方塊沿光路方向具有相同的截面積。
[0008]作為本發明的另一個方面，提出了一種靜壓氣體止推軸承氣膜面的氣體壓強分布測量方法，其包括如下步驟:
[0009]I)通過準直光源發射單色平行光，使單色平行光經過起偏鏡獲得所需的平面偏正光;所述平面偏正光經第一 I/ 4波片變成圓偏振光，在所述圓偏振光的兩個正交光波分量中，一列光波分量以等于1/4光波長的光程差領先另一列光波分量；
[0010]2)所述圓偏振光通過光彈性薄片發生雙折射后再通過第二 1/4波片，該第二塊1/4波片用以抵消所述第一塊1/4波片造成的光程差;所述光彈性薄片由前透明方塊和后透明方塊包夾，其位于供氣狀態下的靜壓氣體止推軸承之下，且與靜壓氣體止推軸承共同形成氣膜面；
[0011]3)抵消光程差的光波再通過檢偏鏡，以在檢偏鏡上形成明暗相間的干涉條紋;采用成像記錄儀記錄所述干涉條紋，經過計算獲取光彈性薄片上氣膜面的氣體壓強分布。
[0012]進一步優選的，所述氣體壓強由下述公式計算獲得:
[0013]P = nA/Ch；
[0014]其中:η為等差線條紋級數，λ為光源波長，C為光彈性薄片相對應力光學系數，h為光彈性薄片的厚度。
[0015]進一步優選的，當檢偏鏡上不能獲得完整的干涉條紋時，轉動檢偏鏡使成像記錄儀測量的干涉圖像上測量點的光強為0，然后由下述公式計算獲得彈性薄片上的氣體壓強:
[0016]P = 0A/jiCh；
[0017]其中:Θ為檢偏鏡的轉動角度，λ為光源波長，C為光彈性薄片相對應力光學系數，h為光彈性薄片的厚度。
[0018]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點:
[0019]1.本發明通過采用受應力可產生雙折射現象的透明光彈性材料制成薄片，并將其固定在兩塊透明方塊之間，且置于供氣狀態的止推軸承氣膜之下，使得光彈性薄片穩定并持續僅受垂直于薄層上緣的氣體壓強作用，保持光彈性薄層處于單向應力狀態，并保持對氣膜盡可能小的干擾;通過采用單色光通過起偏鏡和1/4波片后垂直入射到光彈性薄片，并經過第二 1/4波片和檢偏鏡后產生明暗相間的干涉條紋，以光彈性條紋的方式反映氣膜面上的氣體壓力分布，具有連續測量，測量精度高等優點。
[0020]2.本發明通過設置兩個快慢軸垂直的1/4波片，使得光路中光波的波程差得以抵消，進一步提高檢測的準確性;本發明克服了雙折射過程中光程差小造成難以獲得一條完整的干涉條紋的難點，通過轉動檢偏鏡使得測量點光強為零，而很小的檢偏鏡轉角都可以精確測量到，從而根據轉角就可以確定該點光強。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的測量裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0023]如圖1所示，本發明的一種靜壓氣體止推軸承氣膜面的氣體壓強分布測量裝置，該測量裝置沿光路方向依次包括準直光源1、起偏鏡2、第一 1/4波片3、前透明方塊4、光彈性薄片5、后透明方塊6、第二 1/4波片7、檢偏鏡8和成像記錄儀9，其中:
[0024]準直光源I用于發射單色平行光，起偏鏡2用于將自然光變成平面偏振光，其偏振方向為Pl;第一 1/4波片3用于產生V2的位相差，其設置在起偏鏡2之后，其快軸Fl和慢軸SI相互垂直，且快軸Fl和慢軸SI均與檢偏鏡2的偏振方向P2成45° ;前透明方塊4、后透明方塊6采用透明材料制成，使得偏正光能夠正常通過;光彈性薄片5采用受應力能產生雙折射現象的透明光彈性材料制成，其由前透明方塊4和后透明方塊6包夾，其位于供氣狀態下的靜壓氣體止推軸承10之下，且與靜壓氣體止推軸承10共同形成氣膜面，光彈性薄片5的平面中心法向通過光路的軸心;第二 1/4波片7用于產生V2的位相差，其設置在后透明方塊6之后，其快軸F2和慢軸S2相互垂直，且快軸F2與第一 1/4波片3的快軸Fl垂直，慢軸S2與第一 1/4波片3的慢軸SI垂直;檢偏鏡8用于成像，位于第二 1