大尺寸测量中温度测量与控制关键技术研究

摘要

随着科学技术的飞速发展，对大尺寸构件的几何量测量精度提出了越来越高的要求。在大尺寸测量中，温度因素对测量精度具有不容忽视的影响。测量环境的温度场因测量器具和被测件的温度敏感性对尺寸测量的精度产生影响，对于大尺寸这一影响尤其突出。目前，对于温度测控领域，在理论和应用方面国内外的学者都作了大量工作，取得了很大进展。但是，由于大尺寸空间温度场分布因素的复杂性，系统中各测量部件的热特性对精密长度测量的影响分析尚不够完善，国内对于这样大尺寸空间的精密温度测量与控制也还没有成熟的技术可以应用。因此，本课题的研究对于提高大尺寸空间的温度测控能力，进而提高大尺寸构件几何量测量精度有重要意义。
　　基于热变形误差补偿的原理，本文研究了大尺寸长度测量的热变形修正及测长激光的波长修正。研究表明采用热变形误差补偿结合精密温度控制的方法，可以有效地抑制温度变化对大尺寸长度测量的影响。
　　考虑到铂电阻自热效应产生的焦耳热平衡时间远大于电路稳定时间的特性，提出了一种基于脉冲电流源激励的铂电阻温度测量新方法。该方法通过周期性的间歇电流源激励使铂电阻在正常工作的情况下，可以大幅地较少焦耳热量，从而有效地减小传感器自身的自热误差。在此基础上设计的JMCW-1精密温度测控仪，具有结构简单、体积小、可实现测量过程的全自动化等特点。针对传感器的自热效应及非线性误差，利用软件非线性校准和修正，完善了铂电阻传感器在测量和校准过程中的描述模型。为了实现多温度点的数据采集，研制了集散式的温度测控系统，完成了温度值的多点采样、集中分析。
　　建立了用于大尺寸测量的精密温度控制空间，提出了一种新型的离散分区分级温度控制的方法并建立了相应的温度测控系统。采用模糊聚类分析，对被控空间和被测件的观测点优化布局进行了分析讨论，选取出利于控制的最优温度控制点及温度观测点。同时，在分析了被控对象的动态、静态模型的基础上，研究了分区、分级和分段控制结合的控制方法，提出仿人采样及PID控制结合的控制策略，并采用神经元解耦的措施来消除各分区间的耦合作用的影响。
　　为了校验温度测量及控制的性能，对研制的精密测控装置进行了数据评估。比对实验采用与标准铂电阻在冰水混合物及恒温槽内进行多点温度测量。测试结果表明：在0～40℃的温度范围内，测控仪JMCW-1的测量精度达到了0.05℃以上。为了观测测控仪JMCW-1的控温效果，对建立的大尺寸温度测控空间及被测构件进行了温度控制实验，利用温度测量数据分析了系统的实际控制过程及控制效果，该控制方法使测长系统获得了较好的温度稳定性和抗干扰能力。
　　大尺寸构件尺寸测量中，被测件的热膨胀系数测量精度是影响其尺寸测量精度的关键因素。本课题根据测量链补偿原理，采用的一种基于真空光路作为光学支架的激光干涉测长方法，采用同步控温的方式，实现了大尺寸构件整体热膨胀系数的高精度测量。深入分析了测量系统的各项误差因素，并对双频激光干涉测量中受温度影响较为敏感的光学元件热特性进行了研究。对不同情况下的镜组温度系数进行了分析计算，为高精度热膨胀系数的测量提供了可靠保障。

目录

大尺寸测量中温度测量与

STUDY OF THE KEY TECHNOLOGIES FOR TEMPERATURE

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪论

1.1 课题的背景及选题意义

1.2 国内外温度测控现状与分析

1.3 大尺寸测量中温度补偿的几个关键问题

1.4 论文研究的具体内容

第2 章 大尺寸测量温度补偿方法的研究

2.1 温度对大尺寸测量的影响及克服温度误差的途径

2.2 温度误差修正方法的技术要点

2.3 被测件测量中温度误差的修正

2.4 本章小结

第3 章 铂电阻精密测温技术的研究

3.1 铂电阻测温原理

3.2 温度测控电路方案

3.3 自热效应

3.4 铂电阻非线性补偿

3.5 铂电阻温度测量中的其它误差因

3.6 温度测量数据处理

3.7 本章小结

第4 章 大尺寸空间高精度温度控制的研究

4.1 引言

4.2 控制对象的建立

4.3 观测点与控制点的选择

4.4 温度控制关键性问题

4.5 温度控制策略

4.6 温度控制实验分析

4.7 本章小结

第5 章 大尺寸构件热变形测量技术

5.1 大尺寸构件热膨胀系数的测量

5.2 测量原理及测量系统

5.3 温度变化对真空屏蔽光路系统的影响及补偿方法

5.4 温度变化对干涉仪的影响及补偿方法

5.5 本章小结

结 论

参 考 文 献

附 录

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

个 人 简 历