CN108375445B - 一种用于气电传感器的心形管式结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气电传感器的心形管式结构，属于传感器技术领域，包括管路、连杆和变极距式差动电容器，管路的一端设置有进气喷嘴，另一端设置有测量喷嘴，进气喷嘴、测量喷嘴和管路组成气电传感器的背压式测量系统，管路的上端设置有心形管，心形管通过连杆和变极距式差动电容器连接，变极距式差动电容器分别连接有变压器式交流电桥测量电路和比例运算放大器电路。本发明通过心形管进行气压检测，利用变极距式差动电容为基础的输出电路，将被测工件尺寸转换成气压变化进一步转换成电信号，提高了气电传感器的灵敏度和线性度，减小了气电传感器的非线性测量误差，增大了传感器的工作范围。

Description

一种用于气电传感器的心形管式结构

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于气电传感器的心形管式结构。

背景技术

在现有的波登管式压力表大多数是机械指针式，为人工读数，误差比较大，测量精度不高，少部分的波登管已设计为带数字显示的波登管式压力表，能够减少人为读数带来的误差，但是所选用的波登管形状多为不对称形，密封端处于自由状态，长期使用会使波登管发生形变，进而导致测量不准确，测量精度下降。随着科技的发展，人们对测量精度的要求也越来越高，目前，许多国家把精密测量技术作为用来衡量各国科技发展水平和国家工业化程度的重要标志。人们也越来越重视精密测量技术的研究和发展，大多数发达国家把精密测量技术作为提高工业发展水平的关键技术，为了研究出更高精度的仪器与相关产品都纷纷投入了大量的资金和人力，并且精密测量技术得到了巨大的发展。

根据相关文献研究可知，1969年至2000年，国内外相关学者对气动式传感器进行了一系列的理论研究和实验。为了弄清楚气动式传感器的传感特性，外国学者Akagawa、Maki、Wiedmann、Kokoshima等人对反射式气动传感器的环形射流喷射到挡板时的状况进行了相关研究，并得到了传感器的传感特性。国内在气动测量方面的研究并不多，可供参考的文献也比较少，而且主要涉及背压式和浮标式气动传感器，多用于测量范围小、精度高的领域，但应用的领域却很广。随着我国机械工业的发展，气动测量在精密测量和自动测量方面得到了很大的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于气电传感器的心形管式结构，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于气电传感器的心形管式结构，包括管路、连杆和变极距式差动电容器，管路的一端设置有进气喷嘴，另一端设置有测量喷嘴，进气喷嘴、测量喷嘴和管路组成气电传感器的背压式测量系统，管路的上端设置有心形管，心形管通过连杆和变极距式差动电容器连接，变极距式差动电容器分别连接有变压器式交流电桥测量电路和比例运算放大器电路；

变压器式交流电桥测量电路，被配置为用于将变极距式差动电容器产生的电容变化量转化为电压变化量，并将电压信号进行放大、相敏检波和滤波处理，输出电压；

比例运算放大器电路，被配置为用于将微弱的电压信号放大，并且使变极距式差动电容器的输出电压与其输入位移呈线性关系。

优选地，变压器式交流电桥测量电路，包括变压器式交流电桥、放大器、相敏检波器和滤波器；变压器式交流电桥分别与放大器、相敏检波器和滤波器通过线路连接，放大器、相敏检波器和滤波器通过线路依次连接，变极距式差动电容器通过变压器式交流电桥将产生的电容变化量转化为电压变化量，微弱的电压信号经放大器的放大、相敏检波器的相敏检波和滤波器的滤波处理，最后输出经处理后的电压。

优选地，变极距式差动电容器，被配置为用于将位移量转换为电容量，采用差动连接的方式与心形管相连，包括动极板、第一定极板和第二定极板，第一定极板和第二定极板分布在动极板的两侧，中间的动极板为动片，两边的第一定极板和第二定极板为定片。

优选地，心形管是由左右完全对称的结构构成的，心形管的下端设置有底座，心形管在水平方向不受力，只受竖直方向上的力。

工作原理：

本发明一种用于气电传感器的心形管式结构，经过净化和稳压后的工作压力P_g的压缩空气由管路送来，进气喷嘴、测量喷嘴和管路组成背压式测量系统；被测工件尺寸改变引起工件与传感器之间的测量间隙d变化，工作压力经背压式测量系统后的测量压力P_c随之变化，因而使心形管伸缩变形，心形管受向上的力，进而带动变极距式差动电容器动极板在定极板之间上下移动；这样就把被测工件尺寸的变化转化成差动式电容器中电容量的变化，变极距式差动电容器内部通过交流电桥将产生的电容变化量转化为电压的变换量，微弱的电压信号经放大器的放大、相敏检波、滤波处理，最后输出经处理后的电压。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明采用心形管的目的是为了解决传感器密封端处于自由状态，长期使用会使波登管发生形变，进而导致测量不准确，测量精度下降的问题，心形管是由左右完全对称的结构构成的，下面有底座固定，选择心形管可以改善波登管因压力变形导致的测量精度误差，延长了使用寿命，心形管的材料可依据测量范围选择弹性不同的合金；为了进一步提高气电传感器的灵敏度，增大线性工作范围和减少外界条件的变化对测量精度的影响，气电传感器的内部采用变极距式差动电容器，变极距式差动电容器是目前测量控制领域中最常用的电容，其灵敏度比单极式提高了一倍，非线性也大大减小，同时在测量中静电引力带来的影响也大大减小，有效地减少了由于温度等环境影响所造成的误差，在小位移、荷重及振动测量方面有广泛的应用，并且具有容易实现非接触测量且结构简单、体积小、动态响应和温度稳定性好的优点；其中传感器中所用的变压器式交流电桥测量电路克服了变极距式差动电容器输出电容的变化量与极间距关系的非线性，放大电路将微弱的电压信号放大，减小了测量误差，提高测量精度。

附图说明

图1为气电传感器结构示意图。

图2为心形管受力分析示意图。

图3为变极距式差动电容器的结构示意图。

图4为变压器式交流电桥测量电路原理图。

图5为比例运算放大器电路原理图。

其中，1-变极距式差动电容器；2-连杆；3-心形管；4-进气喷嘴；5-管路；6-测量喷嘴；7-第一定极板；8-动极板；9-第二定极板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

1、气电传感器结构

如图1所示，气电传感器包括变极距式差动电容、连杆、心形管、进气喷嘴、管路和测量喷嘴；针对现有的气电传感器，对传感器内部结构进行了改进，引入了心形管结构，经过净化和稳压后的工作压力P_g的压缩空气由管路送来，进气喷嘴、测量喷嘴和管路组成背压式测量系统；被测工件尺寸改变引起测量间隙d变化，测量压力P_c随之变化，因而使心形管伸缩变形，心形管受向上的力，进而带动变极距式差动电容器动极板在定极板之间上下移动；这样就把被测尺寸的变化转化成差动式电容器中电容量的变化，变极距式差动电容器内部通过交流电桥将产生的电容变化量转化为电压变换量，微弱的电压信号经放大器的放大、相敏检波、滤波处理，最后输出经处理后的电压。

2、心形管受力分析

如图2示，在心形管的两侧同度高度位置选取三个不同的点进行受力分析，受力分别为F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆，因心形管是左右完全对称的结构，所以|F₁|＝|F₆|，|F₂|＝|F₅|，|F₃|＝|F₄|，三点处所受力方向不同但大小相等，每一个点处的力都可以分为一个水平方向的力和一个竖直方向的力，且F₁″＝-F₆″、F₂″＝-F₅″、F₃″＝-F₄″，F₁′＝F₆′、F₂′＝F₅′、F₃′＝F₄′，所以心形管两侧所受的力在水平方向的力相互抵消，因此整体在水平方向不受力，只受竖直方向上的力，所以气流可以向上运动，其中F₁′、F₂′、F₃′、F₄′、F₅′、F₆′和F₁″、F₂″、F₃″、F₄″、F₅″、F₆″分别是F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆六个点上的竖直方向和水平方向上的分力。

3、变极距式差动电容器

如图3所示，本发明采用了以变极距式差动电容器为基础的信号输出电路，变极距式差动电容器由第一定极板7、动极板8和第二定极板9组成；中间的动极板8为动片，两边的第一定极板7和第二定极板9为定片。

第一定极板7与动极板8之间的电容C₁

第二定极板9与动极板8之间的电容C₂

式中，a₁为第一定极板7与动极板8之间的距离，a₂为第二定极板9与动极板8之间的距离，且a₁＝a₂＝a，a为定极板与动极板之间的距离，a一般控制在0.1～1mm，所以C₁＝C₂＝C₀,C₀为定极板与动极板之间的电容量。

式中，ε为第一定极板7与动极板8或第二定极板9与动极板8极板间介质的介电常数(F/m)，S为第一定极板7与动极板8或第二定极板9与动极板8极板间所覆盖的面积(m²)，a为第一定极板7与动极板8或第二定极板9与动极板8极板间的距离(m)，ε_r为第一定极板7与动极板8或第二定极板9与动极板8极板间介质的相对介电常数，在空气中ε_r＝1，ε₀为真空的介电常数，ε₀＝8.85×10^-12F/m。

当动极板8移动距离x后，一边间隙为a₁-x，另一边间隙为a₂+x，此时第一定极板7与动极板8之间的电容C₁′

第二定极板9与动极板8之间的电容C₂′

当动极板8向上(或向下)移动后，C₁和C₂成差动变化，并且其中一个电容量增加，另一个电容量减小。

其中，|Δa₁|＝|Δa₂|＝Δa，Δa为动极板8移动的位移，一般Δa＝(0.01～0.1)a

当Δa＜＜a，即Δa/a＜＜1时，上式可以按级数展开，展开如下：

变极距式差动电容器的输出电容为

忽略高次项，电容量的相对变化为

单极板式电容器的灵敏度k为

而变极距式差动电容器的灵敏度k′为

变极距式差动电容器的非线性误差r′为

而单极板式电容器的非线性误差r为

比较最后四个式子可以看出，变极距式差动电容器不仅使非线性误差大大的减小，而且使变极距式差动电容器的灵敏度提高了一倍，即气电传感器的灵敏度提高了一倍。

4、变压器式交流电桥测量电路

如图4所示，变压器式交流电桥测量电路中变压器式电桥的输出为一调幅波，经过放大、相敏检波以及滤波后输出电压，变极距式差动电容器内含变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容，变压器式电桥输出的电压与输入位移呈线性关系。变压器式电桥，是电容式传感器构成的交流电桥中使用元件最少，且桥内内阻最小的一种电桥。设桥内感应电动势相等且各为E，另外C₁、C₂是差动电容器两端的电容，容抗分别为和当动极板8移动x时，变压器式电桥的输出电压信号为

采用变极距式差动电容器，初始距离为a，移动Δa后有和则

当变极距式差动电容器的动极板处于中间位置时，变压器式电桥处于平衡状态，输出电压U₀＝0。

有上式可知，变极距式差动电容器中含有变压器式电桥，使变压器式电桥的输出电压与输入位移呈线性关系。

5、放大电路

如图5示，将变极距式差动电容器接入比例运算放大电路中，作为电路的反馈元件，变极距式差动电容器极距变化与电容变化量成非线性关系，这一缺点使变极距式差动电容器在使用时受到一定的限制，比例运算放大器电路可将微弱的电压信号放大，并且对克服变极距式差动电容器的非线性具有极大的作用，使放大得到的放大电路的输出电压u₁与位移量呈线性关系。根据比例放大器的运算关系，有

即

式中，C₀为固定电阻，C_i为变极距式差动电容器的电容(i＝1,2)，u为激励电压，u₁为输出电压，A为放大倍数。

当被测物体与传感器之间距离d发生变化时，变极距式差动电容器的输出电压u₀也随之改变，输出电压变化量为

Δu₁＝k′k_rΔd

式中，k′为变极距式差动电容器的灵敏度，k_r为气电式传感器灵敏度。

根据相关设计规定，心形管气电式传感器测量系统的技术指标如下：

1.测量范围：0.04mm

2.分辨率：0.1μm

3.测量精度：0.5μm

4.响应时间:＜1s

5.工作环境：温度：20±2℃

相对湿度：60％～70％

6.大气压力：86Kp～106Kp

7.气源压力：0.6±10％MPa

8.交流电源电压：220±10％V。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于气电传感器的心形管式结构，其特征在于：包括管路、连杆和变极距式差动电容器，管路的一端设置有进气喷嘴，另一端设置有测量喷嘴，进气喷嘴、测量喷嘴和管路组成气电传感器的背压式测量系统，管路的上端设置有心形管，心形管通过连杆和变极距式差动电容器连接，变极距式差动电容器分别连接有变压器式交流电桥测量电路和比例运算放大器电路；

变压器式交流电桥测量电路，被配置为用于将变极距式差动电容器产生的电容变化量转化为电压变化量，并将电压信号进行放大、相敏检波和滤波处理，输出电压；

比例运算放大器电路，被配置为用于将微弱的电压信号放大，并且使变极距式差动电容器的输出电压与其输入位移呈线性关系；

变压器式交流电桥测量电路，包括变压器式交流电桥、放大器、相敏检波器和滤波器；变压器式交流电桥分别与放大器、相敏检波器和滤波器通过线路连接，放大器、相敏检波器和滤波器通过线路依次连接，变极距式差动电容器通过变压器式交流电桥将产生的电容变化量转化为电压变化量，微弱的电压信号经放大器的放大、相敏检波器的相敏检波和滤波器的滤波处理，最后输出经处理后的电压；

变极距式差动电容器，被配置为用于将位移量转换为电容量，采用差动连接的方式与心形管相连，包括动极板、第一定极板和第二定极板，第一定极板和第二定极板分布在动极板的两侧，中间的动极板为动片，两边的第一定极板和第二定极板为定片；

心形管是由左右完全对称的结构构成的，心形管的下端设置有底座，心形管在水平方向不受力，只受竖直方向上的力；

被测工件尺寸改变引起工件与传感器之间的测量间隙d变化，工作压力经背压式测量系统后的测量压力P_c随之变化，因而使心形管伸缩变形，心形管受向上的力，进而带动变极距式差动电容器动极板在定极板之间上下移动；这样就把被测工件尺寸的变化转化成差动式电容器中电容量的变化，变极距式差动电容器通过变压器式交流电桥将产生的电容变化量转化为电压变化量，微弱的电压信号经放大器的放大、相敏检波器的相敏检波和滤波器的滤波处理，最后输出经处理后的电压。