（精密仪器及机械专业论文）基于气动测量的球径球度测量系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于气动测量的球径球度测量系统研究 摘要 本论文所研究的课题来源于国防军工计量。十五”计划重点项目：球径球 度高准确度测量技术研究。主要进行球面气动测量系统的原理研究、气路及系 统机构的设计。作者参阅了国内外相关文献，进行了大量地试验研究工作，完 成了系统硬件的设计与研究。通过理论与实际相结合，深入研究了微喷嘴高压 差压式球径球度气动测量系统。使该系统工作在工作气压为0 4 m p a ，主喷嘴 孔径1 6 0 4 r a m ，测量喷嘴孔径0 4 m m 的情况下，达到测量的线性范围为8 2 删， 灵敏度为4 2 9 翮，删，测量的分辨率为0 1 堋，球径铡量不确定 度：( o 5 + d l o o 跏，球度测量不确定度：( o 4 + d 2 0 0 ) h , ，其中d 为被测工件的直 径( 肼m ) ，可以准确、稳定、快速的实现对制造公差小于3 0 “坍的庐6 加o o m m 的球形构件的球径及球度参数评定。该系统通过计算机进行自动数据采集、自 动数据处理和线形量程的辨认、误差分析来完成球面测量。 此外。本论文重点分析了空气压缩机压力波动对气动测量气源质量影响的 主要因素。建立了气动测量气源气路的数学模型，介绍了在气源稳定性设计中 利用气阻和气容组成的节流通室，共同构成低通滤波气路，通过误差分析，提 出了气压波动对气源质量影响的消除方法，设计并建立了稳定的气动测量气源， 从而达到了高精度气动测量对气源质量的要求。并对矽6 妒1 0 0 m r a 公差为3 0 u r n 的球面测量方式方法进行了深入研究，对高精度微喷嘴形式气动测量系统应用 范围的扩展进行了有益的尝试，为工业现场高精度在线检测的研究和应用提供 了理论与实践的基础。 关键词：气动测量球径球度压力波动微喷嘴气针式传感器 ar e s e a r c ho nt h es y s t e mf o rm e a s u r i n gt h ed i a m e t e ra n d s p h e r i c i t y o ft h eb a l lb a s e do np n e u m a t i cm e a s u r e m e n t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es u b j e c tw es t u d i e di sf r o mt h ef i f t e e nk e y m e t r o l o g yp r o j e c t o fm i l i t a r yi n d u s t r yi nn a t i o n a ld e f e n s e ：t h eh i g ha c c u r a t em e a s u r e m e n ts y s t e mf o r m e a s u r i n gt h ed i a m e t e ra n ds p h e r i c i t yo ft h eb a l l w em a i n l yr e s e a r c ht h ep r i n c i p l e o ft h es p h e r i c a ls u r f a c em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s eo np n e u m a t i cm e a s u r e m e n ta n d d e s i g nt h ea i rc i r c u i ta n df r a m e w o r ko ft h es y s t e m a f t e rr e f e r r i n gt ot h er e l a t e d d a t a ，t h ea u t h o r sd i dal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a t i o ns t u d i e st oc o m p l e t et h e d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h es y s t e mh a r d w a r e t h r o u g ht h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a le x p e r i m e n t s ，w ed e e p l ys t u d y p n e u m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rm e a s u r i n gt h ed i a m e t e ra n ds p h e r i c i t yo ft h e b a l l ，u s i n gt h em i c r o d i a m e t e rn o z z l ea n dh i g hd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e i nt h e c o n d i t i o n st h a tt h ew o r k i n gp r e s s u r ei s0 4 m p a t h em a i nn o z z l ed i a m e t e ri s0 4 r a m a n dt h ed i a m e t e ro fm e a s u r e m e n to fn o z z l ei s0 4 r a m ，w eg o tt h a tt h el i n e a rr a n g e o fm e a s u r e m e n tr e a c h e d8 2 u r n ，t h es e n s i t i v i t yw a s4 2 9 m v u m ，t h er e s o l u t i o no ft h e m e a s u r e m e n tw a so 1u m ，a n dm e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yo ft h ed i a m e t e ri s ( o 5 + d 1 0 0 ) u m a n dt h em e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yo fs p h e r i c i t yi s ( 0 4 + o 2 0 0 ) u m ， t h e r e i n t o ，d i st h ed i a m e t e ro ft h ew o r k p i e c et ob et e s t e d s ot h es y s t e mc a n r a p i d l y , a c c u r a t e l ya n ds t a b l ya c c e s st h ep a r a m e t e r so ft h eb a l lw h i c h i sl e s st h a n 3 0 u r ni nm a n u f a c t u r i n gt o l e r a n c ea n dh a sad i a m e t e rr a n g i n gb e t w e e n6 m ma n d 10 0 m m b yc o m p u t e r ，t h es y s t e mc o m p l e t e st h em e a s u r e m e n to fs p h e r i c a ls u r f a c e t h r o u g hd a t ac o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga u t o m a t i c a l l y , l i n e a rr a n g ei d e n t i f i c a t i o n a n de r r o ra n a l y s i s i na d d i t i o n ，i nt h i sp a p e r ，t h em a i nf a c t o r sc a u s e db yp r e s s u r ef l u c t u a t i o n s w h i c hi n f l u e n c ea i rs o u r c e q u a l i t y o ft h ea i r c o m p r e s s o r f o r p n e u m a t i c m e a s u r e m e n tw a sa n a l y z e dw i t he m p h a s i s ，am a t h e m a t i cm o d e lo f 也ea i rr o u t eo f p n e u m a t i cm e a s u r e m e n t i se s t a b l i s h e d ，t h et h r o t t l ec h a m b e r c o m p o s e d o f p n e u m a t i cr e s i s t a n c ea n dp n e u m a t i cc a p a c i t yi ns t a b i l i t yd e s i g no fa i rs o u r c ei s i n t r o d u c e d ，w h i c hh a sal o wp a s sa i rr o u t ec h a r a c t e r i s t i c t h r o u g ht h ee r r o ra n a l y s i s ， e l i m i n a t i o nm e t h o d so fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n sa f f e c t i n gt h ea i rs o u r c eq u a l i t ya r e p r e s e n t e da n das t a b l ea i rs o u r c es y s t e mf o rp n e u m a t i cm e a s u r e m e n ti sd e s i g n e d a n de s t a b l i s h e d ，f i n a l l yt h ed e m a n do fp n e u m a t i cm e a s u r e m e n to fh i g ha c c u r a c yt o a i rs o u r c eq u a l i t yi sr e a c h e d t h em e t h o df o rm e a s u r i n gt h es p h e r i c a ls u r f a c ew i t ha d i a m e t e rr a n g i n gb e t w e e n6 r a mt o1 0 0 m ma n d3 0 u mi nt o l e r a n c ei ss h o w nw i t ha n i n - d e p t hs t u d y ，a n dau s e f u lt e s t t oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fh i g ha c c u r a c y m i c r o n o z z l ep n e u m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mi sa t t e m p t e d ，w h i c hw i l lp r o v i d et h e f o u n d a t i o n so ft h e o r ya n dp r a c t i c ea b o u tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fo n l i n eh i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n t0 ni n d u s t r i a lf i e l d s k e y w o r d s ：p n e u m a t i cm e a s u r e m e n t p r e s s u r ea i r - p i no r i f i c e s p h e r ed i a m e t e rs p h e r i c i t y f l u c t u a t i o no f a i r - p i ns e n s o r 插图清单 图2 _ l 气动量仪的基本气路方框图5 图2 - 2 背压式气动量仪气路原理图6 图2 3 背压式气动变换环节7 图2 - 4 背压间隙曲线( 特性曲线) 。7 图2 - 5 理论曲线与实验曲线 图2 6 差压式气动测量原理图9 图2 7 差压间隙特征曲线9 图3 1 节流通室示意图j 2 3 图3 - 2 气阻蜀、岛和气容c 构成的等效电路2 4 图3 3 气动测量气源的组成框图2 5 图3 - 4 气源等效电路2 5 图3 5 仿真效果图2 5 图3 - 6 流量特性压力特性和溢流特性图2 8 图3 7 电压跟随器电路图。2 9 图3 - 8 滤波电路结构图3 0 图3 - 9 滤波电路仿真效果图 图3 - 1 0 系统接地分析图3 l 图4 1 喷嘴挡板机构示意图3 3 图4 2 喷嘴挡板机构计算图。3 3 图4 - 3 喷嘴挡板几何特性图3 4 图4 4 喷嘴出口端面压力示意图3 7 图4 5 喷嘴结构图3 8 图4 _ 6 可变量程气动量规示意图3 9 图5 1 减压阀稳压精度实验图4 0 图5 2 空压机工作对稳压效果影响图。4 l 图5 - 3 单喷嘴气动测量装置示意图4 4 图5 4 主喷嘴o 。4 r a m ，测量喷嘴o 4 m m ，输入压力0 5 m p a 采样图4 5 图5 5 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴0 4 m m ，输入压力o 5 m p a 拟合直线图4 5 图5 - 6 主喷嘴o 4 , a m ，测量喷嘴o 4 m m ，输入压力o 4 m p a 采样图4 5 图5 - 7 主喷嘴o 4 m m ，测量喷嘴0 4 , m ，输入压力0 ，4 脚，a 拟合直线图。4 6 图5 8 主喷嘴0 4 胂m ，测量喷嘴0 4f f m ，输入压力0 3m p a 采样图4 7 图5 - 9 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴o 4 r a m ，输入压力o 3 m p a 拟合直线图。4 7 图5 1 0 气路压力分布图4 8 图5 1 1 主喷嘴o 4 r a m ，测量喷嘴0 2 m m ，输入压力0 4 m p a 电压采样图4 8 图5 1 2 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴0 2 m m ，输入压力0 4 m p a 拟合直线图4 9 图5 - 1 3 主喷嘴o 4 m m ，测量喷嘴o 3 5 m m ，输入压力0 4 m p a 电压采样图4 9 图5 - 1 4 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴o 3 5 m m 。输入压力o 4 m p a 拟合直线图4 9 图5 1 5 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴0 4 5 t r i m ，输入压力o 4 m p a 电压采样图5 0 图5 1 6 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴0 4 5 m m ，输入压力0 4 m p a 拟合直线图5 l 图5 1 7 主喷嘴o 2 m m ，测量喷嘴o 3 5 h i m ，输入压力o 4 m p a 电压采样图5 1 图5 - 1 8 主喷嘴0 2 m m ，测量喷嘴o 3 5 m m ，输入压力o 4 m p a 拟合直线图5 2 图5 一1 9 主喷嘴o 3 5 m m ，测量喷嘴0 3 5 搠历，输入压力0 4 m p a 电压采样图。5 2 图5 2 0 主喷嘴o 3 5m m ，测量喷嘴0 3 5m m ，输入压力0 4 护口拟合直线图5 3 图5 - 2 1 主喷嘴0 4 r a m ，测量嚷嘴0 4 m m ，输入压力0 4 m p a 差压采样图5 4 图5 - 2 2 主喷嘴0 4 m m ，测量喷嘴0 4 m m ，输入压力0 4 m p a 差压拟合直线图5 5 图5 - 2 3 阶跃试验采样图5 6 图5 - 2 4 阶跃i 放大采样图：5 6 图5 2 5 阶跃2 放大采样图5 6 图5 - 2 6 阶跃3 放大采样图5 7 图5 - 2 7 差压式阶跃试验采样图5 7 图5 2 8 差压式阶跃l 放大采样图5 8 图5 - 2 9 差压式阶跃2 放大采样图。 图5 - 3 0 差压式阶跃3 放大采样图5 8 图6 - l 单点重复性误差实验曲线6 l 图6 2 同心气动测头安装位置和测头喷嘴形状误差6 1 图6 - 3z 方向有偏差气动测头安装位置和测头喷嘴形状误差6 2 图6 - 4 电气误差实验6 4 图6 - 5 数据采集前面板6 7 图6 - 6 数据采集背面板6 7 图6 7 数据处理后面板示意图，6 7 国6 8 数据处理后面板示意图6 8 图6 9 球面拟合前面板示意图6 8 图6 1 0 球面拟合背面板示意图。 表格清单 表2 1 气动变换环节试验数据8 表3 - 1 空压机参数设置表1 6 表3 - 2 修正系数表。2 l 表4 1 单路气动测头参数。3 7 表4 2 气动测头喷嘴位置。3 7 表5 1 各主喷嘴与测量喷嘴匹配特征曲线参数表5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名蓠曲直签字瞧。7 年加产日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g l 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目g 王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇压 沟园 签字日期：d 7 年厂月，y 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址l 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师张辉教授的悉心指导下完成的。几年来，张老师一丝不苟的 科研精神、对科学的执着追求、严谨的治学态度、诲人不倦的学者风范给我留 下了深刻的印象所有这些都将成为学生今后修身立业的必备品质。在此谨向 我尊敬的恩师张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在课题进行当中，本人得到了邓善熙教授的指导和帮助，在此表示诚挚的 谢意! 感谢张阳老师、张士峰师兄和王风伟在我三年的学习中给予的热情帮助和 亲切关怀。在平时的学习中，还得到了很多老师的帮助和指导以及冯艳、蔡震、 王玲玲、田定宝、钱鑫、李家猛、奚琳等同学及好友的鼓励和帮助，刘小平、 牛学虎、李武建师弟的帮助，在这里一并表示感谢。同时感谢学院提供的良好 的学习气氛和友善的生活环境，怀念在这里度过的三年愉快而有收获的时光。 感谢我的父母，是他们给予的爱使我在人生的路上披荆斩棘，勇往直前。 谨以此文献给所有关心、帮助我的父母、家人、老师和朋友们! 作者：唐海勇 2 0 0 7 年4 月1 5 日 第一章绪论 1 1 课题来源及国内外研究现状 1 1 1 课题来源 本课题来源于国防军工计量“十五”计划重点科研项目：球径球度高准确度 测量技术研究。高精度的球形零件在精密机械和航天工业中的运用越来越来广 泛，因此国内外都在积极地研究和探索高精度球面参数的测量问题。 1 1 2 技术指标 根据合同规定，其主要技术指标如下： 1 ) 测量参数：球形构件的球径和球度； 2 ) 测量范围：制造公差小于3 0 u m 的6 一妒l o o m m 的球形构件； 3 ) 球径测量不确定度：( o 5 + d l o o ) m ，其中d 为被测工件的直径，单位 为m 珊； 4 ) 球度测量不确定度：( o 4 + d 2 0 0 ) m ，其中d 为被测工件的直径，单位 为删； 5 ) 采用计算机补偿技术，最大限度提高测量精度。 1 ，1 3 国内外测量球形构件研究现状 气动测量方法是以压缩空气作为介质，利用空气在管道中的流量或压力随 喷嘴的几何尺寸或形状的不同而改变的特性，将尺寸量或位移量转换成流量或 压力的变化量，从而实现测量。由于它可以实现非接触测量，高压气流喷向工件 表面具有自洁作用，对环境要求不高以及结构简单、操作维护方便、造价低等优 点，因而广泛应用于机械、冶金、航天等领域。然而，几十年来，现有的气动测量 一般采用0 4 0 2 r a m 的喷嘴其测量精度最高仅可达0 5 u r n 左右对于小尺寸 公差高精度测量场合，要求测量点面积尽可能小，分辨力尽可能高，现有的气动 测量方法显然无法满足要求。为此。国内外都积极探讨如何将气动测量技术拓展 到用于小尺寸公差的高精度气动测量例如，英国f l u i df i l md e v i c e s 公司研 制出声o 0 5 痧o 2 r a m 的喷嘴在5 个大气压工作压力下，可获0 0 2 5 t m 的高精度尺 寸分辨率” 美国从八十年代初期，就开始立项研究惯性陀螺球支承的加工和检测。美 国宇航局( n a s a - - n a t i o n a l a e r o n a v t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 专门委托斯坦 福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 对陀螺转予的球度进行高精度的测量和评定“”由 斯坦福大学航空航天系教授d e b r a 领导，与l a w r e n c e 实验室合作，研制加工球支 承的宝石车床，并用激光三坐标测量机测量零件尺寸，从1 9 9 1 年斯坦福大学的 技术报告来看，他们的球径测量精度要求是5 微英寸( 1 微英寸= o 0 2 5 4 朋) ，而 实际工作仍在b r a w na n ds h a r p = - - 坐标测量机上进行，酒量耩度仅达到9 6 。6 徼英 寸( 约2 4 5 a n ) 的水平。报告提出进一步改进在三坐标测量机上的测量误差分 离技术，以及用三点支承配上电感差动测微传感器的可能方案该报告证实， 在三坐标铡量机上测量球心对工作端平面的位置度。以及测量球碗与支承外表 面的同轴度是可行的。据了解，上述研究项目现已完成，己用于美国的航天器。 因此，国内外部积极研究高精度球面的检测问题。现有的离线检测设备多采 用激光干涉法例如香港理工大学超精密加工中心的光学球径仪，通过球面波及 其干涉条纹图像来评定球度，其测量精度达0 1 1 4 m ，测量球径最大值达十几个 毫米。该测量装置应用两柬平行光聚焦光斑重合的原理来实现零位对准。光斑 重合的情况由操作者目测判断，定位精度很粗糙。该装置只能实现球面球度的 评定。而无法测量球径的具体数值。且所测球径最大仅达到十几个毫米。只适 用于离线检测。对于超精球面现场如工的在线检测尚未报导。据有关人员t 9 9 6 年在俄罗斯考察得知：俄罗斯现采用气动方法进行球面现场检测，由于是采用一 个气动量规上六个测点的综合尺寸。故无法测量球度误差。从日本近年来发表的 论文看，日本对球度测量的研究大多数限于理论研究和实验阶段国内对球 度的研究偏重于理论方面，试图从评定算法方面进一步优化，减少球度测量的 难度：大多数测量都是利用圆度仪，加上辅助装置进行，也有少数利用三坐标 测量机进行。在生产现场进行在线球度检测的装置及仪器未见具体报道 1 。2 气动量仪的发展及特点 零件几何量( 尺寸、形状和相对位置、粗糙度等) 测量，常用的测量方法 有机械、电磁、光学、激光和气动等等利用压缩空气在流动过程中状态参量 规律性交化的原理来进行的测量称为气动测量。气动测量是一种适应性较广的 精密测量。采用气动测量系统，可以减小测量误差，提高测量的精度和效率， 得到较好的技术经济效果气动测量不仅用于被动测量，还可应用于加工过程 中的主动_ 及量，为实现机械加工自动化刨造条件。 气动量仪在2 0 世纪2 0 年代末出现。1 9 2 8 年法国人梅纳逊( m e n n e s o n ) 在 比利时王国申请了气动量仪专利。从此气动量仪作为测量的一种手段逐渐被人 们接受并获得了广泛的使用目前市场中已出现了不同工作压力、不同工作原 理、不同组合方式的多品种、多系列的量仪产品。世界气动量仪使用大国如日 本，美国、俄罗斯、德国等那在进行新型气动量仪的研究开发工作。气动量仪 的发展方向主要表现在由低压式( 测量压力为0 0 3 1 0 5 0 3 1 0 5 p a ) 测量发展 到高压式( 测量压力为0 4 x l o o 7 x 1 0 5 p a ) 测量；由单气路测量发展到多气 路测量j 由静态铡量发展到动态测量；气动量仪由单一的发展到具有二级放大 作用的组合式。如带气动放大器的气动量仪；气动一光学式量仪；气动一机械式 量仪：气动一电气式量仪等目前，组合式气动量仪广泛地应用在生产自动线上， 2 承担着各种自动测量、自动分检、自动记录和自动控制等功能 气动测量与机械测量相比较，有以下特点“1 ： 1 气动量仪的放大倍率高，测量的重复性好，指使稳定性好，所以精度高。 如放大倍率为5 0 0 0 倍的浮标式气动量仪的刻度值为l 蜊。气动测量头上的喷 嘴挡板机构，灵敏度很高，他能分辨0 1 删这样微量位移。 2 。根据测量的需要和可能，可以实现接触式测量，也可以实现非接触式测 量。非接触式测量，对于易变形的薄壁零件和光洁的软质表面特别适用，因为 它无损于加工表面，如被测工件是非金属塑性材料、微型薄壁零件、软金属、 巴氏合金轴承、电镀层、涂料层等，采用非接触测量则无测头的磨损和无测量 力引起的接触变形的测量误差。而用机械式测量工具进行测量时，光洁的表面 上可能会因测量力的作用而产生接触压痕。 3 可作特殊部位的测量。常用的精密长度计量仪器，对于一般尺寸的测 量是比较方便的。但是对于一些特殊零件( 如过小过细的零件) 和特殊部位尺 寸( 如深孔、小缝隙等) 的测量采用气动测量尤为方便如1 删以下的孔， 0 5 0 0 5 聊州的轴和问隙的宽度。常采用气动测量。 4 铡量的结果不受测量者技术熟练程度的影响。 5 。高压气流可以吹掉被测表面的油污和赃物，起到“自洁”作用，使测量 数据正确可靠。因此，气动测量适于在较恶劣的环境下工作。 6 气动量仪结构简单。制造容易，维护方便。 与电动量仪相比较，气动量仪的抗干扰( 如抗磁场或杂散电波等) 能力强， 对环境的适应性强。 但是，气动测量也有它的不足之处，如： 1 必须具备气源需要连续供给经过处理的洁净，稳压的压缩空气。 2 铡量头的专用性强。对于不同的测量对象和不同的量值范围都要设计、 制造出不同的测量头和校对规。 3 仪器反应速度慢，动态特性较差，仪器长时间工作示值的稳定性差，对 空气的清洁、工作压力和温度要求较高。 1 3 本课题研究内容及科学意义 本课题采用多测头气动测量方法，在高精度气动量规上精确布置多个相互 独立的气动测头( 多个测量唼嘴端蘑安装后组成球匾) ，通过与标准球球径的比 较测量，获得与球径球度相关的测量信息，再经过数据处理，可实现球径和球 度误差的高准确测量。采用高精度气动测量方案，可以做到一次安装定位、多 点同时测量而且本测量方案可用于大批量、在线、高速的测量。因此，本项 目具有先进性和实用性 本课题的研究具有重要的科学意义和实用价值，主要表现在以下方面：气 动测量方法广泛应用于汽车、轴承、内燃机、塑料、造纸、机械加工等行业， 随着技术的不断发展，高精度的加工必然要求相应的高精度测量措施，常规的 气动量仪由于精度、测量条件、输出结果方式的限制，将难以完成日益复杂的 测量任务。利用现代电子技术、计算机技术结合气动测量方法研制高精度、智 能化、自动亿的气动量仪适应了现代科技发展的潮流，必将为我国工业现代化 作出重大的贡献。通过对气动测量系统的全面改进使气动传感器有较大的实 用性，能更好的应用于机械制造和其他行业，并在理论上对气动测量系统的设 计给出指导。 4 第二章气动测量理论 2 1 气动测量原理 气动量仪是利用压缩空气的流量特性，把被测的尺寸变化量转换位空气物 理参数的变化来实现测量的。工件被测参数变化量经气动量仪的测量喷嘴变换 为气体参数变化量，通过量仪放大后，送指示装置显示。大部分气动量仪的结 构组成额可以表示为图2 - 1 所示的三部分。i 、i i 两部分构成气动量仪整体， 过滤部分i 是量仪的附件。一般气动量仪i i 、i i i 两部分在结构上是独立的。 常常称部分为气动量仪本体，而部分则称为气动测量头。 ii i1 1 1 il 指重i i i i l 吨 图2 1 气动量仪的基本气路方框图 工件被测参数变化量经气动量仪的测量喷嘴变换为气体参数变化量，通过 量仪放大后，送指示装置显示。 根据引起变化的不同物理参数，可以分别设计出流量式、流速式、压力式 气动量仪，其对应的流量q 、流速矿、压力p 与被测尺寸s 的变化呈单值函数， 气动测量的数学模型可以表示为 流量式；q = 岱，a ，p o ，r ，d ，f ) ( 2 - 1 ) 流速式： v = 国 ，a ，p o t ，a ，t ) ( 2 - 2 ) 式中彳喷嘴流通面积； 丁气体的温度； p o 仪器的工作压力； a 流量系数： f 时间 2 2 压力式气动量仪工作原理 利用空气压力作为气动量仪的输出参数。可以很方便地实现测量信号的转 换、传输、采样，在生产实践中得到了广泛的应用。压力式气动测量系统从工 作原理上分，可分为单气路背压式气动测量系统和双气路差压式气动测量系统 5 2 2 1 背压式气动测量系统工作原理 常用单气路背压式气动测量系统，其原理图如下所示： 2 图2 2 背压式气动量仪气路原理图 卜气源2 一过滤器3 一进气阀4 一减压器5 一节流孔6 一压力指示7 一测头 压缩空气从气源1 经过滤器2 滤清后由迸气阔3 进入稳压器4 ，减压器 后续气路的压力稳定在办。压力为既的压缩空气经过节流孔5 流向测头( 通常 为喷嘴挡板祝构) ，并由测头流入大气。节流孔5 与气动测头之间管段中气流的 压力以被称为背压。当测头为喷嘴挡板时，背压p 。与喷嘴挡板的间隙s 呈一 一对应的函数关系。只要从压力指示部分6 读出背压p ，值就可以获得被测参数 s 的大小。 背压p ，可以通过传感器转换成电压或电流表示，应用电子技术和计算机技 术的最新成果，就可以设计出集自动采集、自动误差补偿、计算机显示、打印 结果的智能化气动量仪。 。 2 2 2 背压式气动变换环节的特性 背压式气动变换环节如图2 - 3 所示。稳压后压力为p ，的压缩空气进入稳压 气室1 ，经孔径为d 1 的主喷嘴2 进入背压气室3 后，由测量喷嘴4 和挡板( 被 测工件表面) 之间的间隙( 表示为s ) 流入大气。背压气室中的压力以与测量 喷嘴挡板之闽的闻隙s 的函数关系为；儿= ，$ ) 气动变换环节的特性见图2 - 4 ，无论是低压，中高压或超高压工作压力， 背压气路的背压一间隙曲线( 特性曲线) ，一般均由粘性部、直线部、过度部和 水平部四段组成。 ( 1 ) 粘性部 当测量间隙很小时，由于空气粘性的影响。p ，一s 曲线呈明显的上凸形非 线性段。如图中o 一瓯段。这一部分一般是不用的 ( 2 ) 直线部 p ；一s 曲线的中间部分( s o 一墨段) ，基本呈直线，表示背压以随测量间 隙s 线性变化。瓯一s 段长度称为线性区范围，直线斜率为气动量仪的灵敏 度。这一段是气动量仪中可供使用的部分 6 ( 3 ) 过渡部 在直线部之后有一下凹形非线性段( s 一岛) ，这一段曲线上各点的斜率 比直线部的斜率小，而且是个变数，+ 一般情况下不用。如果需要测量比较大的 间隙对，也可以使用，但需要修正，以保证测量的准确。 ( 4 ) 水平部 以后的部分，已经超出了测头的灵敏范围，p 。表示的是气室中的剩余压 力，它是与测量间隙无关的常数，因此不能使用 一：h ： i j + b 口 门1 。， i 图2 - 3 背压式气动变换环节 卜稳压气室2 一主喷嘴3 一背压气室4 一测量喷嘴 在气动量仪的研制过程中，可以通过实验的方法来得到具体的变换环节的 特性。表2 - 1 为一次试验所测得的p 。、s 值，图2 5 中的曲线为试验曲线， i 、是相同条件下的理论计算所得的曲线“1 。 由图2 - 5 可以看到： ( 1 ) 理论曲线与试验曲线具有大致相同的形状，均可以分为四个部分。 ( 2 ) 理论曲线的直线部的斜率比试验曲线大，这是由于理论计算时把空气 作为理想气体，并使计算公式作了简化，导致了实际与理论的偏差。 o s os ls t s 图2 - 4 背压一问隙曲线( 特性曲线) o 一瓯粘性部s o s ：直线部s i 一是： 过渡部 是以后：水平部 与理论曲线相比，试验曲线在间隙很小时，压力下降很慢。这是因为理论 计算时忽略了空气粘性的影响，而在间隙很小的情况下实际气体粘性较大的关 系。 7 表2 - 1 气动变换环节试验数据 单位：s ( h i m ) ，历( 0 1 m p a ) s p l s p t s p s p 。 00 5 0 1 0 00 3 3 7 80 2 5 00 1 2 5 00 4 0 00 0 5 5 l 0 0 0 20 4 9 9 00 1 l o0 3 1 6 30 2 6 00 1 1 7 80 4 1 00 0 5 2 8 0 0 0 6 0 4 9 9 5 0 1 2 0 0 2 9 5 6 0 2 7 0 0 1 1 1 40 4 2 00 0 5 0 6 0 0 1 00 4 9 7 60 1 3 00 2 7 6 10 2 8 00 1 0 5 00 4 3 00 0 4 8 6 0 0 1 40 4 9 5 30 1 4 00 2 5 7 60 2 9 00 0 9 9 30 4 4 0 0 0 4 6 6 o 0 1 8 0 4 9 2 3 0 1 5 0 0 2 4 0 40 3 0 00 0 9 4 00 4 5 00 0 4 4 8 0 0 2 2 0 4 8 8 6 0 1 6 0 0 2 2 4 3 o 3 1 0 0 0 8 9 10 4 6 00 0 4 3 1 0 0 2 6 0 4 8 4 3 0 1 7 0 0 2 0 9 5 0 3 2 0 0 0 8 4 5 0 4 7 0 0 0 4 1 5 0 0 3 00 4 7 9 30 1 8 00 1 9 5 60 3 3 00 0 8 0 30 4 8 00 0 3 9 9 0 0 4 00 4 6 4 30 1 9 00 1 8 3 00 3 4 00 0 7 6 40 4 9 00 0 3 8 5 0 0 5 00 4 4 6 40 2 0 00 1 7 1 20 3 5 00 0 2 70 5 0 00 0 3 7 1 0 0 6 00 4 2 6 3o 2 1 00 1 6 0 40 3 6 00 0 6 9 2o 5 l o0 0 3 5 8 0 0 7 00 4 0 4 80 2 2 00 1 5 0 50 3 7 00 0 6 6 00 5 2 00 0 3 4 5 0 0 8 00 3 8 2 50 2 3 0o 1 4 1 30 3 8 00 0 6 3 00 5 3 00 0 3 3 3 0 0 9 00 3 6 0 00 2 4 00 1 3 2 80 3 9 00 0 5 7 60 5 4 00 0 3 2 2 liliitiilf i ifiii 姒 lili f ll ll ，l fl il l 、 rf iij 、i k - l i li il 、l 、j i iillli 、i k i llll f il ；l l 、lkli ffii ivi iilli i 鼍i、liii ； 酞liil ! ：l f 矿l ! ! fi 玳n ! ill ；li l 、 ! i ；lu ；卜|i ； in i i | j iinj：1| il i i 1l l | lfii ii1 鞑lili k- - liiji ii、jji i iliii iiii l jiil -_ r 广十- l i iiillliiii i 置脚 图2 5 理论曲线与实验曲线 8 2 3 差压式气路系统工作原理 差压式气动测量气路原理如图2 6 所示由气源1 来的压缩空气经过滤器 2 、进气阀3 和减压阀4 后。具有恒定的压力m ，分成两路流动。一路经主喷 嘴5 和测量喷嘴6 流入大气，另一路直接连入差压式传感器的高端气压输入端。 显然气路是输入的恒定压力以与测量腔压力以的差值： a p = 风- p ， ( 2 - 3 ) 式中以输入端的恒定压力； p ，测量腔压力； 图2 - 6 差压式气动测量原理图 卜气源2 一过滤器3 一进气阀4 减压阀5 一主喷嘴6 一喷嘴挡板机构7 一差压式压力传感器 与背压式气路相比，差压式气路的优点是可以减少由于减压阀输出压力p 。 的变动而引起的测量误差，另外，差压式气路可以实现差动测量。 一般测量前调好减压阀4 后，以是常数，而测量腔压力成与s 呈一一对应 的函数关系，因此压力差印与s 也有一一对应的函数关系。当测头固定不动时， 卸的变化就反映了间隙s 的变化，亦即反映了工件尺寸的变化。其函数关系式： p 差= p 。一， ) 其中厂$ ) 为相同主喷嘴和测量喷嘴下的背压式气路以和s 函数： p 。= 厂$ ) ，p c 为输入端恒定压力。所以差压一间隙特征曲线如图2 7 ： 图2 - 7 差压一问隙特征曲线 9 2 4 实际气体的特点和实验相似理论- 2 4 1 实际气体的特点 我们研究气体的静态特性和流动性质的时候，是把被研究的气体当作理想 气体来处理的，而实际情况要复杂得多以空气为例。空气中除了含有水粒和 水蒸汽外，还含有大量的机械微牲和油雾。另一方面，空气是实际气体，其各 种成分的分子具有体积，分子之间存在吸引力，这些因素给研究气体的性质带 来了很大的困难。 例如最常见的理想气体状态方程，对实际气体来说则变为 r打、 lp + ：i + r 矿- b ) = r t ( 2 4 ) v 式中去一一考虑分子之间作用力的影响而弓f 起的压力增量： v b 考虑分子具有体积的情况而引入的容积减少量。 其实上面的方程还未考虑气体的机械微粒、水分和油粒，因此在使用中仍 是近似的。实际气体和理想气体的这一差别，为求解实际气体的状态和过程变 化的规律增加了很大的困难。在实际应用中常常需要考虑的情况是；气体的粘 滞性( 即宏观气体之间相对运动时产生的摩擦阻力) 和气体的可