[发明专利]静压气体止推轴承气膜面的气体压强分布测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于微小间隙内气体压强分布测量技术领域，更具体地，涉及 一种静压气体止推轴承气膜面的气体压强分布测量装置及方法。

背景技术

静压气体止推轴承由于其零摩擦、低产热的特点，广泛应用于IC制造 装备、超精密机床等超精密制造装备，已经成为其中运动支承的主要结构 形式。在工作状态中，外部供压气体经轴承节流孔流出，与支承平面共同 形成气膜面，达到支承润滑的作用。气膜面气体压强分布，影响着静压气 体止推轴承的流场特性，也是气体静压支承流场计算的重要验证指标，但 其实验测量手段，目前尚存难点。

贴片传感器是常用的气体压强分布测量原件，然而，在测量静压气体 止推轴承气膜面气体压强分布的实验中，由于形成的气膜间隙很小，通常 在10-20um左右，难以通过在气膜间隙中安装贴片传感器来测量润滑气体 的压强。现有技术中通过在气膜支承平面开一个小孔，使用压力传感器测 量该点的气体压强大小，以达到测量静压气体止推轴承气膜面气体压强分 布的目的。但在这种气膜气体压强测量方法中，由于气膜面下开孔的影响， 气膜间隙内的局部气体流速以及压强会受到影响，特别当开孔在平面静压 止推轴承的节流孔出口附近，会造成气体流速突然增大，甚至产生激波、 止推轴承微振动等现象。并且，这种方法的压强分布空间解析度受到开孔 直径和支撑平面移动和定位精度的影响，一定程度上限制了这种传统测量 方法的准确度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光弹性 的气体压强分布测量装置和方法，其中结合静压气体止推轴承气膜面的特 点，相应设计了适用于静压气体止推轴承气膜面的气体压强分布测量装置 和方法，可解决现有技术中微小间隙内气体压强测量的问题，具有测量无 干扰、可连续测量的优点。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出了一种静压气体止推 轴承气膜面的气体压强分布测量装置，该测量装置沿光路方向依次包括准 直光源、起偏镜、第一1/4波片、前透明方块、光弹性薄片、后透明方块、 第二1/4波片、检偏镜和成像记录仪，其中：

所述准直光源用于发射单色平行光；所述第一1/4波片设置在起偏镜 之后，其快轴和慢轴相互垂直，且所述快轴和慢轴均与检偏镜的偏振方向 成45°；所述光弹性薄片采用受应力后产生双折射现象的透明光弹性材料 制成，其由所述前透明方块和后透明方块包夹，其位于供气状态下的静压 气体止推轴承之下，并与所述静压气体止推轴承共同形成气膜面，所述光 弹性薄片的平面中心法向通过所述光路的轴心；所述第二1/4波片设置在 后透明方块之后，其快轴和慢轴相互垂直，且快轴与第一1/4波片的快轴 垂直，慢轴与第一1/4波片的慢轴垂直；所述检偏镜用于成像，位于所述 第二1/4波片之后，其偏振方向与起偏镜的偏振方向垂直；所述成像记录 仪与计算机相连。

进一步优选的，所述前透明方块和后透明方块采用有机玻璃制成，所 述光弹性薄片采用环氧树脂制成，所述前透明方块、光弹性薄片和后透明 方块沿光路方向具有相同的截面积。

作为本发明的另一个方面，提出了一种静压气体止推轴承气膜面的气 体压强分布测量方法，其包括如下步骤：

1)通过准直光源发射单色平行光，使单色平行光经过起偏镜获得所需 的平面偏正光；所述平面偏正光经第一1/4波片变成圆偏振光，在所述圆 偏振光的两个正交光波分量中，一列光波分量以等于1/4光波长的光程差 领先另一列光波分量；

2)所述圆偏振光通过光弹性薄片发生双折射后再通过第二1/4波片， 该第二块1/4波片用以抵消所述第一块1/4波片造成的光程差；所述光弹 性薄片由前透明方块和后透明方块包夹，其位于供气状态下的静压气体止 推轴承之下，且与静压气体止推轴承共同形成气膜面；

3)抵消光程差的光波再通过检偏镜，以在检偏镜上形成明暗相间的干 涉条纹；采用成像记录仪记录所述干涉条纹，经过计算获取光弹性薄片上 气膜面的气体压强分布。

进一步优选的，所述气体压强由下述公式计算获得：

P＝nλ/Ch；

其中：n为等差线条纹级数，λ为光源波长，C为光弹性薄片相对应力 光学系数，h为光弹性薄片的厚度。

进一步优选的，当检偏镜上不能获得完整的干涉条纹时，转动检偏镜 使成像记录仪测量的干涉图像上测量点的光强为0，然后由下述公式计算获 得弹性薄片上的气体压强：