CN101251375A - 微纳米级差压式气针传感器 - Google Patents

Abstract

微纳米级差压式气针传感器，其特征是设置差压式气路系统，包括来自气源的压缩空气依次经过滤器、进气阀和稳压器之后分成两支气路；一路是由主喷嘴和串联在其后并以被测面为挡板的测量喷嘴构成；另一路是以稳压器的稳压输出p_c直接进入差压式压力传感器的高端气压信号输入端H；差压式压力传感器的低端气压信号输入端L是以位于主喷嘴和测量喷嘴之间的压力信号p_x为输入信号；以两支气路的差压输出信号Δp＝p_c－p_x为差压式压力传感器的输出信号。本发明尤其适于作圆度、球度、平面度、粗糙度等高精度非接触测量。

Description

微纳米级差压式气针传感器

技术领域

本发明涉及气动测量仪器，具体地说是一种测量微小尺寸的仪器，尤其适于圆度、球度、平面度、粗糙度等高精度测量的气动测量仪器。

背景技术

气动测量是一种非接触测量，是以压缩空气为介质，利用空气在管道中的流量或压力随喷嘴与被测工件之间的气隙不同而改变的特性，将尺寸量或位移量转化为流量变化或气压变化信号，从而实现微小尺寸的测量。传统的气动测量仪多为反射式和背压式。

反射式气动传感器的测量原理如图1所示。压缩空气从气源1经过滤器2后由进气阀3进入稳压器4，稳压器的输出压力为p_c。气流经过直径为d1主喷嘴5进入主气室16，经过外径为D0、内径为Di的环形气隙向外喷射。当气动传感器前方有物体的被测面8进入测量范围时，反射进入测量气室17的气体压力p(亦称为反压p)随着测量间隙s的减小而增大。反压p与测量间隙s在一定范围内呈一一对应的关系。反射式气动传感器量程比较大，一般为1～5mm，测量精度为±0.25mm。

背压式气动传感器的测量原理如图2所示。压缩空气从气源1经过滤器2后由进气阀3进入稳压器4，稳压器的输出压力为p_c。压力为p_c的压缩空气经主喷嘴5流向测量喷嘴6，并由测量喷嘴6流入大气。主喷嘴5与测量喷嘴6之间的压力p_x称为“背压”。背压p_x与测量喷嘴6挡板8的间隙s呈一一对应的关系。因此，由压力计15读出背压p_x值来获得被测参数s的大小。背压式气动传感器要求由稳压器4输出的p_c要恒定，p_c的波动会带来很大的误差。背压式气动传感器量程小，量程一般为0.1～0.2mm；测量精度为±2um。

以上传统气动量仪的测量精度都比较低，不能用于微纳米级的圆度、球度、平面度、粗糙度等高精度测量。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种尤其适于作圆度、球度、平面度、粗糙度等高精度非接触测量的微纳米级差压式气针传感器。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明微纳米级差压式气针传感器的结构特点是设置差压式气路系统，包括来自气源的压缩空气依次经过滤器、进气阀和稳压器之后分成两支气路；一路是由主喷嘴和串联在其后并以被测面为挡板的测量喷嘴构成；另一路是以稳压器的稳压输出p_c直接进入差压式压力传感器的高端气压信号输入端H；差压式压力传感器的低端气压信号输入端L是以位于主喷嘴和测量喷嘴之间的压力信号p_x为输入信号；以两支气路的差压输出信号Δp＝p_c-p_x为差压式压力传感器的输出信号。

本发明微纳米级关压式气针传感器的结构特点也在于主喷嘴的孔径为0.2～0.5mm，测量喷嘴的孔径为0.2～0.5mm，所述稳压器的稳压输出p_c为0.25～0.45MPa。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是基于差压式气路的微纳米级传感器，其测量范围为80um，分辨力为0.01um，测量精度为±0.1um，适合于高精度微纳米级非接触尺寸测量场合，可用于圆度、球度、平面度和粗糙度等高精度的测量。因从传感器喷射出的气流形如细针，故可称之为气针传感器。

2、与背压式测量方式相比，本发明采用差压式气路可以有效减少由于稳压器输出压力p_c的波动而引起的误差，并提高灵敏度。

3、与现有的气动传感器相比，测量精度和分辨力都有很大的提高，具体对比见表1，为高精度非接触测量提供了理论和实际经验。

附图说明

图1为反射式气动传感器测量原理图。

图2为背压式气动传感器测量原理图。

图3为本发明的系统设置结构示意图。

图4为本发明的主喷嘴与测量喷嘴结构示意图。

图5为本发明的实验装置结构示意图。

图6为d₁＝0.32mm，d₂＝0.3mm，p_c＝(0.3，0.35，0.4)MPa时的理论曲线和实验曲线。

图7为p_c＝0.4MPa时，主喷嘴和测量喷嘴不同尺寸时的实验曲线。

图8为经实验标定参数为d₁＝d₂＝0.4mm的气针传感器的静态特性曲线。

图中标号：1气源、2过滤器、3进气阀、4稳压器、5主喷嘴、6测量喷嘴、7差压式压力传感器、8被测面、9量块、10测量腔、11测量喷嘴接头、12测量管接头、13主喷嘴管接头、14微动台架、15压力表、16主气室、17测量气室。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明：

具体实施方式

参见图3，设置差压式气路系统，包括来自气源1的压缩空气依次经过滤器2、进气阀3和稳压器4之后分成两条支路；一路是由主喷嘴5和串联在其后并以被测面8为挡板的测量喷嘴6构成；另一路是以稳压器4的稳压输出p_c直接进入差压式压力传感器7的高端气压信号输入端H；差压式压力传感器7的低端气压信号输入端L是以位于主喷嘴5和测量喷嘴6之间的压力信号p_x为输入信号；以差压式压力传感器7的差压输出信号Δp＝p_c-p_x为传感器输出信号。

测量原理：

由流体力学原理可知，主喷嘴5和测量喷嘴6的气体流动状态有四种工况，见表2。

根据流体力学原理，通过某截面的亚临界状态的流量为：

$G=\mathrm{cF}\sqrt{2g{p}_1{\mathrm{\γ}}_1[{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]\frac{k}{k-1}}---\left(1\right)$

通过某截面的临界状态的流量为：

$G=\mathrm{cF}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{1}{k-1}}\sqrt{2g\frac{k}{k+1}{p}_1{\mathrm{\γ}}_1}---\left(2\right)$

式中G——流过截面的重量流量；     c——流量系数；

    F——截面积；                 k——定熵指数，对空气，k＝1.4；

    p₁——截面前的压力(绝对压力)；p₂——截面后的压力(绝对压力)；

    γ₁——p₁下的气体重度；       g——重力加速度。

利用上式(1)和(2)推导出四个工况下的差压Δp与测量间隙s的函数关系分别为：

工况I： $\mathrm{\Δp}=\frac{p_c[{\left(\frac{p_0}{p_c}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{p_0}{p_c}\right)}^{\frac{k+1}{k}}{]A}^2{s}^2}{\frac{k-1}{k}\{1+[2{\left(\frac{p_0}{p_c}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{p_0}{p_c}\right)}^{\frac{k+1}{k}}\left]A^2{s}^2\right\}}---\left(3\right)$

工况II： $\mathrm{\Δp}=p_c-{[0.5+0.5{(1+4B^2{p}_c^2/\left(A^2{s}^2\right))}^{0.5}]}^{\frac{k}{k-1}}---\left(4\right)$

工况III： $\mathrm{\Δp}=p_c-p_c{[0.5+0.5{(1+4(A^2/B^2)s^2)}^{1/2}]}^{\frac{k}{1-k}}---\left(5\right)$

工况IV： $\mathrm{\Δp}=p_c-\frac{p_c}{\mathrm{As}}---\left(6\right)$

式中 $A=c_2{d}_2/\left(c_1\frac{d_1^2}{4}\right);$ $B=\sqrt{\frac{k+1}{k-1}}/{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{1}{k-1}};$

c₁——主喷嘴处的流量系数；     c₂——测量喷嘴处的流量系数；

d₁——主喷嘴直径(mm)；         d₂——测量喷嘴直径(mm)；

p_c——工作压力(绝对压力，MPa)；p_x——测量腔压力(绝对压力，MPa)；

p_o——大气压(绝对压力，MPa)；  s——喷嘴挡板处的间隙(mm)。

由喷管的一维等熵定常流动特性知，主喷嘴5和测量喷嘴6处于何种工况是由工作压力p_c、测量间隙s和主喷嘴5及测量喷嘴6的直径所决定。当测量间隙s由0逐渐增大时，测量腔压力p_x将由p_c逐渐下降，如果测量喷嘴6一直为亚音速，则p_x趋向于大气压p_o；如果测量喷嘴6达到音速，则下降到最小值min(p_x)，且min(p_x)≥1.894p_o，之后测量间隙s再增大对气路没有影响，此时测量间隙称为极限间隙，记为s₂。

因测量喷嘴达到音速时，气体流量将不再改变，所以由喷嘴挡板的流出面积与测量喷嘴孔的截面积相等得出测量极限间隙，即： $\mathrm{\π}{d}_2{s}_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_2^2$

        s₂＝d₂/4                        (7)

从上述不同工况下差压Δp与测量间隙s的函数关系式可以分析出，气路变换倍率dΔp/ds与工作压力成正比；所以，为了获得高灵敏度高分辨力的气针传感器需选用大于0.3MPa的工作压力。当测量间隙较小时，测量腔压力p_x较大，主喷嘴和测量喷嘴流动状态处于工况III状态；测量间隙进一步增大，p_x降低，是否进入下一工况受主喷嘴和测喷嘴直径大小的影响。设置本实施例中的气针传感器在工况III工作。

工况III下，Δp对s的一阶导数为：

$\frac{\mathrm{d\Δp}}{\mathrm{ds}}=\frac{\frac{2k}{k-1}\frac{A^2}{B^2}{p}_{c}s}{{(1+4\frac{A^2{s}^2}{B^2})}^{1/2}{[0.5+0.5{(1+4\frac{A^2{s}^2}{B^2})}^{1/2}]}^{\frac{2k-1}{k-1}}}---\left(8\right)$

从公式(8)可以看出：差压式气路变换倍率与p_c成正比；与A²成正比，即与主喷嘴的孔径d₁的四次方成反比，与测量喷嘴的孔径d₂的平方成正比。在改变变换倍率dΔp/ds变化量时，主喷嘴孔径d₁变化量的影响比测量喷嘴孔径d₂变化量的影响大。

由差压式气动测量特性可知：当工作压力提高或测量喷嘴孔径增大时，气动变换倍率提高，即分辨力提高。为了达到高精度高分辨力测量的目的，可采用高压微孔差压式气针传感器。它是用提高工作压力和缩小喷嘴孔径的方法来达到提高分辨力和测量精度为目的，但测量范围受到了限制。

具体实施中，设置喷嘴结构如图4所示，经过多级净化和稳压后的压缩空气经主喷嘴管接头13和主喷嘴5流入测量腔10，与测量腔10连通的测量管接头12接入差压式压力传感器7的低端，对应于测量距离s的气压量Δp转变为电流量I输出，这种压力传感器精度高，压力范围大。根据气针传感器的输出气压量Δp范围，选择量程为100KPa麦克公司的MDM4951压力传感器，其精度为0.25％FS。在结构设计中，为了提高气针传感器的动态特性，减小响应时间，应使测量腔10的容积尽量小。

测量喷嘴6由测量喷嘴接头11固定设置，当被测面8与测量喷嘴6之间的距离发生变化Δs时，压力传感器的输出电流I也随之改变，再经过电流电压(I/U)转换电路、电压跟随电路和低通滤波器后，输出电压变化量为：

ΔU＝K_pK_IK_RΔs                (9)

式中K_p——气路变换倍率(MPa/mm)；

K_I——压力传感器的灵敏度，K_I＝0.16A/MPa；

K_R——电流电压转换倍率，K_R＝250Ω；

ΔU——输出电压变化量(V)；

Δs——测量压变化量(mm)。

从式(9)可以看出，气针传感器的灵敏度主要取决于气路变换倍率；气路变换倍率越高，灵敏度越高。

由压力传感器的压力范围和电流输出范围推导出气针传感器的差压Δp与输出电压U函数关系式为

U＝40Δp+1                    (10)

式中U——输出电压(V)；    Δp——差压(MPa)。

气针传感器的静态特性实验装置如图5所示。测量喷嘴6与作为挡板的量块9间隙量的调整是由微动台架14来实现精密微调，微动分辨力达0.2um。压力传感器输出电流，经调理电路后，由16位数据采集卡采集1V～5V的模拟电压量，通过LabView软件进行特性曲线拟合和数据处理。

通过改变工作压力p_c、主喷嘴d₁和测量喷嘴d₂值，做出不同的特性曲线，分析出输出电压U和测量间隙s、工作压力p_c之间的关系。

图6为d₁＝0.32mm，d₂＝0.3mm，p_c＝(0.3，0.35，0.4)MPa(表压)时的理论曲线和实验曲线。其中：曲线I、II、III分别为p_c＝(0.4，0.35，0.3)MPa的理论曲线；曲线IV、V、VI分别为p_c＝(0.4，0.35，0.3)MPa的实验曲线。

由公式(5)知，取c₁＝c₂，k＝1.4时，工况III下差压式气动测量理论特性方程为：

$\mathrm{\Δp}=p_c-p_c{[0.5+0.5{(1+4.27s^2{d}_2^2/d_1^4)}^{1/2}]}^{-3.5}---\left(11\right)$

对上述p_c＝0.3MPa，测量间隙为s＝s₂＝d₂/4＝0.075mm时，由公式(11)、(12)计算得：

min(p_x)＝0.338MPa(绝压)；U＝3.482V

当p_c＝0.35MPa，测量间隙为s＝s₂＝d₂/4＝0.075mm时，计算得：min(p_x)＝0.380MPa(绝压)；U＝3.792V

当p_c＝0.4MPa，测量间隙为s＝s₂＝d₂/4＝0.075mm时，计算得：min(p_x)＝0.422MPa(绝压)；U＝4.103V

通过上述计算和图6可以得出以下结论：

1、当测量间隙达到极限间隙时，测量喷嘴都为音速，工作状态均在工况III。

2、理论曲线和实验曲线都是工作压力p_c越大，气针传感器的灵敏度也越大。

3、实验特性曲线初始输出电压不为1，是因为喷嘴挡板端面和挡板端面有一倾角，导致初始气体流量不为零。

4、在测量极限间隙范围内，理论曲线特性和实验曲线特性趋势是相符合的，即差压Δp与测量间隙s的函数式是合理的。

图7为p_c＝0.4MPa时，主喷嘴和测量喷嘴不同尺寸时的实验曲线，不同情况下的主喷嘴d₁和测量喷嘴d₂数值见表3。

由公式(10)、(11)知，工况III下差压式气动测量输出电压U与测量间隙s的函数关系式为

$U=40\{p_c-p_c{[0.5+0.5{(1+4.27s^2{d}_2^2/d_1^4)}^{1/2}]}^{-3.5}\}+1---\left(12\right)$

通过上式可以计算出不同输入压力p_c、不同主喷嘴和测量喷嘴孔径时的理论线性范围和理论灵敏度，数据结果如表3。

通过表3和图7可以得出以下结论：

1、由曲线I、II、III和IV可以分析出：主喷嘴d₁减小，测量喷嘴d₂增大，气针传感器灵敏度实验值和理论值均增大。

2、气针传感器灵敏度主要由主喷嘴d₁大小决定，即主喷嘴d₁与测量喷嘴改变相同量时，主喷嘴d₁对灵敏度的改变影响大。

3、因测量极限间隙s₂＝d₂/4，所以线性范围主要受测量喷嘴d₂影响，d₂越大，线性范围越大。

4、由曲线I、IV和V可以分析出：为了使气针传感器同时获得高灵敏度和大线性范围，可以使得d₁＝d₂。

5、气针传感器灵敏度和线性范围的实验值与相对应的理论值相符合，即气动测量理论特性方程是实用的。

在工作压力p_c＝0.4MPa时，用瑞士TAISA公司的高精度高分辨力电感测微仪TT80对参数为d₁＝d₂＝0.4mm的气针传感器的静特性进行标定。该电感测微仪在量程为±2mm时，分辨力为0.01um。

图8所示为经实验标定参数为d₁＝d₂＝0.4mm的气针传感器的静态特性曲线，其分辨力达到0.01um。通过标定采集的数据可以分析出，在线性段[s₀，s₁]＝[0.015，0.095]范围内，灵敏度为45mv/um，线性度小于0.8％，重复性小于0.4％，测量精度为±0.1um。

上述分析表明，气针传感器的实验特性和理论特性趋势是相符合的。

本发明内容可以为获得高灵敏度和大范围的气动传感器的设计提供理论和实验依据。附表：

                        表1

                        表2

                        表3

Claims (2)

1、微纳米级差压式气针传感器，其特征是设置差压式气路系统，包括来自气源(1)的压缩空气依次经过滤器(2)、进气阀(3)和稳压器(4)之后分成两支气路；一路是由主喷嘴(5)和串联在其后并以被测面(8)为挡板的测量喷嘴(6)构成；另一路是以稳压器(4)的稳压输出p_c直接进入差压式压力传感器(7)的高端气压信号输入端H；所述差压式压力传感器(7)的低端气压信号输入端L是以位于主喷嘴(5)和测量喷嘴(6)之间的压力信号p_x为输入信号；以所述两支气路的差压输出信号Δp＝p_c-p_x为差压式压力传感器(7)的输出信号。

2、根据权利要求1所述的微纳米级关压式气针传感器，其特征是所述主喷嘴(5)的孔径为0.2～0.5mm，测量喷嘴(6)的孔径为0.2～0.5mm，所述稳压器(4)的稳压输出p_c为0.25～0.45MPa。

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