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

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：

P＝θλ/πCh；

其中：θ为检偏镜的转动角度，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。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过采用受应力可产生双折射现象的透明光弹性材料制成薄片，并将其固定在两块透明方块之间，且置于供气状态的止推轴承气膜之下，使得光弹性薄片稳定并持续仅受垂直于薄层上缘的气体压强作用，保持光弹性薄层处于单向应力状态，并保持对气膜尽可能小的干扰；通过采用单色光通过起偏镜和1/4波片后垂直入射到光弹性薄片，并经过第二1/4波片和检偏镜后产生明暗相间的干涉条纹，以光弹性条纹的方式反映气膜面上的气体压力分布，具有连续测量，测量精度高等优点。

2.本发明通过设置两个快慢轴垂直的1/4波片，使得光路中光波的波程差得以抵消，进一步提高检测的准确性；本发明克服了双折射过程中光程差小造成难以获得一条完整的干涉条纹的难点，通过转动检偏镜使得测量点光强为零，而很小的检偏镜转角都可以精确测量到，从而根据转角就可以确定该点光强。

附图说明

图1是本发明的测量装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的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1、起偏镜2、第一1/4波片3、前透明方块4、光弹性薄片5、后透明方块6、第二1/4波片7、检偏镜8和成像记录仪9，其中：

准直光源1用于发射单色平行光，起偏镜2用于将自然光变成平面偏振光,其偏振方向为P1；第一1/4波片3用于产生π/2的位相差，其设置在起偏镜2之后，其快轴F1和慢轴S1相互垂直，且快轴F1和慢轴S1均与检偏镜2的偏振方向P2成45°；前透明方块4、后透明方块6采用透明材料制成，使得偏正光能够正常通过；光弹性薄片5采用受应力能产生双折射现象的透明光弹性材料制成，其由前透明方块4和后透明方块6包夹，其位于供气状态下的静压气体止推轴承10之下，且与静压气体止推轴承10共同形成气膜面，光弹性薄片5的平面中心法向通过光路的轴心；第二1/4波片7用于产生π/2的位相差，其设置在后透明方块6之后，其快轴F2和慢轴S2相互垂直，且快轴F2与第一1/4波片3的快轴F1垂直，慢轴S2与第一1/4波片3的慢轴S1垂直；检偏镜8用于成像，位于第二1/4波片7之后,其偏振方向为P2，与起偏镜2偏振方向P1垂直；成像记录仪9用于记录检偏镜上的干涉条纹，其与用于根据光弹性条纹计算气体压强分布的计算机相连。

在一个实施例中，前透明方块4和后透明方块6优选采用有机玻璃制成，光弹性薄片5优选采用环氧树脂制成；前透明方块4、光弹性薄片5和后透明方块6沿光路方向具有相同的截面积，以保持光弹性薄层稳定并持续受到垂直于薄层上缘的单向应力。

下面将详细说明本发明的一种静压气体止推轴承气膜面的气体压强分布测量方法的具体步骤，其利用本发明的气体压强分布测量装置进行气体压强分布的测量，其是采用单色光通过起偏镜和第一1/4波片后垂直入射到光弹性材料，透射光随后经过第二1/4波片和检偏镜后产生明暗相间的干涉条纹，在检偏镜后用成像记录仪记录光弹性条纹，经过计算和标定，可反映出光弹性薄片上气膜的气体压力分布。

其具体包括如下步骤：

1)通过准直光源1发射单色平行光，使单色平行光经过起偏镜2获得所需的平面偏正光，根据光学原理，通过起偏镜2后只通过如图1中所示的沿A方向振动的平面偏振光；沿A方向振动的平面偏正光经第一1/4波片3变成圆偏振光，在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)圆偏振光通过光弹性薄片5发生双折射，形成一定光程差，再通过第二1/4波片7后，圆偏振光通过第二1/4波片7后，原先领先1/4波长的光波要落后1/4波长，而原先落后1/4波长的光波则领先1/4波长，即第二1/4波片7可用于抵消第一1/4波片3造成的光程差；

3)抵消光程差的光波再通过偏振方向与起偏镜2偏振方向成90°的检偏镜8，由于起偏镜与检偏镜的偏振方向相互垂直，因此无光通过，于是在检偏镜8上形成明暗相间的干涉条纹；采用成像记录仪9记录干涉条纹，经过计算与标定得出光弹性薄片5上连续的气体压强分布。

由于光弹性薄片的上表面为自由边界，处于单向应力(即气膜压强)状态，气体压强大小可以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。

一般情况下，光弹性薄片5厚度极小，光波通过光弹性薄片5发生双折射产生的光程差可能不足以形成1条干涉条纹，即在检偏镜8上不能获得完整的干涉条纹，则通过转动检偏镜8使得成像记录仪9测量的干涉图像上测量点的光强为0，根据转动检偏镜角度，通过下述公式确定该测量点的气体压强：

P＝θλ/πCh；

其中：θ为检偏镜的转动角度，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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。