CN115824120A - 一种压差式气动位移测量头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压差式气动位移测量头，包括压力气源、箱体、测头、压力表，所述测头具有多孔材料挡板，该多孔材料挡板将测头分为进气腔和出气腔，用于进气腔内的气体均布到出气腔，以提高进气腔压力P₁与出气腔压力P₂的压力差P₁‑P₂与所测距离x存在正比关系的范围,使测量输出线性范围变宽、线性流量特性得到明显体现，灵敏度随之提高，可测微米级，能满足高精度测量要求。

Description

一种压差式气动位移测量头

技术领域

本发明属于气动测量领域，具体涉及一种压差式气动位移测量头。

背景技术

压差式气动位移测量仪是机械制造工业中使用的一种测量仪器，一般由压差式气动位移测量头和驱动架组成，压差式气动位移测量头安装在驱动架上，由驱动架带动压差式气动位移测量头移动测量工件各位置的尺寸量或位移量，常用于测量工件的形位误差。压差式气动位移测量头以气体作为测量介质，利用空气的流动性，将被测工件的几何尺寸的变化量，转换成压力的变化量，从而使用户能在压力指示器上读出被测工件的几何参数，这种测量方法具有非接触测量的特点，对保护工件表面非常有利，受到精密制造行业的欢迎。

压差式气动位移测量仪的测量精度主要取决于压差式气动位移测量头，现有的压差式气动位移测量头结构见图1，其主要由箱体、节流元件、压力计、测头喷嘴组成，其中节流元件安装在箱体的一个侧壁上，测头喷嘴安装在箱体的另一侧壁上，与节流元件相对峙。节流元件具有一个进气孔，压力为P₁的气体从该进气孔进入箱体中，随后流经测头，此时有一部分气体会从测头与被测工件的间隙流入到大气中，因此有气体流量损失，导致箱体中气压P₂减小。压力差P₁-P₂与测头喷嘴到工件的距离x在一定范围内成正比关系，利用这段关系可以通过压力差P₁-P₂来计算出间隙x，从而得到测量头与被测工件之间的距离。由于现有技术中节流元件是单进气孔即只有一个进气孔，当压力为P₁的气体从该进气孔进入箱体中，不能立即使箱体内压力均等，由此导致测量输出线性范围窄、灵敏度较低，加之测头体积较大使灵敏度进一步下降。现有测头为圆台状，上底直径为5mm，下底直径为12mm，因此现有压差式气动位移测量头不能满足高精度测量要求。从图1中还可以看出现有压差式气动位移测量头在靠近被测表面的过程中不能进行微调，增加了测头与被测表面碰撞的风险。这些都是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效提高测量精度的压差式气动位移测量头。

本发明压差式气动位移测量头，包括压力气源、箱体、测头、压力表，所述测头具有多孔材料挡板，该多孔材料挡板将测头分为进气腔和出气腔，用于进气腔内的气体均布到出气腔，以提高所述压差式气动位移测量头的检测灵敏度。

所述箱体中具有测量轴，该测量轴具有用于通气的轴向通气孔，该轴向通气孔一端连通压力气源，另一端与测头的进气腔连通。

所述测量轴由静压空气轴承支撑，测量轴和静压空气轴承共同将箱体分为上气室和下气室，所述压力气源连接有第三压力调节阀，该第三压力调节阀与所述下气室连通。

所述测量轴位于下气室的部分具有轴肩，用于下气室的压力气体推动测量轴作上下调节移动。

所述箱体上位于上气室处设有锥阀，用于气压推动测量轴的上下微调移动和泄压。

所述测头包括喷嘴，该喷嘴为圆台状，该圆台的上底直径不大于3mm，下底直径不大于10mm。

所述静压空气轴承与所述箱体过盈配合，与测量轴间隙配合。

所述测量轴伸出箱体与测头螺纹连接。

所述压力气源通过第一压力调节阀经软管与测量轴连通。

所述测头的进气腔和出气腔分别连接有一个压力表。

工作过程：压力气源向测头提供压力气体进入测头的进气腔内，通过多孔材料挡板，进气腔内的气体均布到出气腔后到达喷嘴。将测头的喷嘴对准所要测量的位置，喷嘴和被测工件之间的间隙x与测量头进气腔与出气腔的气压压差值在一定范围内成正比例关系，得到测头与所测表面的距离。

本发明由于在测头内采用了多孔材料挡板，该多孔材料挡板使进气腔内的气体能够均布到出气腔中，进气腔压力P₁与出气腔压力P₂的压力差P₁-P₂与所测距离x之间成正比的范围明显变宽，使测量输出线性范围变宽、线性流量特性得到明显体现，灵敏度随之提高，可测微米级，能满足高精度测量要求。

以下通过附图及实施方式更能清楚反映并证明本发明的有益效果。

附图说明

图1是现有技术结构示意图。

图2是现有技术气体流经节流孔示意图。

图3是本发明结构示意图。

图4是本发明气体流经多孔材料挡板的示意图。

图3中附图标记：压力气源1，箱体2、上气室21、下气室22、凸台23、端盖24、安装孔25，测量轴3、轴向通气孔31，测头4、多孔材料挡板41、进气腔42、出气腔43、喷嘴44，静压空气轴承5、卡簧51，锥阀6，软管7，连接头8，压力表9，第一压力调节阀10，第二压力调节阀11，第三压力调节阀12。

具体实施方式

图3示例性地展示了本发明的详细结构，从该图中可以看出本发明具有压力气源1、箱体2、测量轴3、测头4、静压空气轴承5、锥阀6、软管7、连接头8、压力表9，其中：

箱体2具有上气室21、下气室22、凸台23、端盖24，测量轴4位于箱体2中，由静压空气轴承5支撑，由静压空气轴承5与箱体2的内壁过盈配合，与测量轴4间隙配合，静压空气轴承5可以由其之上卡簧51和其之下的凸台24定位，端盖上开有安装孔25，使连接头8能够一端与箱体2内测量轴连接，另一端与箱体2外的软管连接。

测量轴3具有轴向通气孔31，测量轴3一端与测头4螺纹连接，另一端由其轴向通气孔31与连接头8螺纹连接，连接头8通过软管7经第一压力调节阀10与压力气源1连通，获得气源，并将压力气体送入测头4。测量轴4位于下气室22的部位具有轴肩，下气室22通入压力气源时气体推动测量轴4上移。

测头4具有多孔材料挡板41，该多孔材料挡板将测头4内腔分为进气腔42和出气腔43，测量轴3通过其轴向通气孔31将压力气体送入所述进气腔42中，多孔材料挡板31将进气腔42内的气体均布到出气腔43中，在测头对应于进气腔42和出气腔43的位置分别装有压力表9，测得进气腔42内的气压为P₁即上游压力,测得出气腔43内的气压为P₂即下游压力。测头4还包括喷嘴44，出气腔43中的压力气体从喷嘴44喷至被测工件。该喷嘴44的尺寸需要控制在较小的范围，其形状采取圆台状较佳，该圆台的上底直径不大于3mm，下底直径不大于10mm是比较好的选择，以避免划伤被测工件。

静压空气轴承5与所述箱体2过盈配合，与测量轴3间隙配合，箱体2的凸台23和卡簧51对静压空气轴承5固定。压力气源通进静压空气轴承5减少测量轴3在静压空气轴承5中移动时的摩擦阻力。

锥阀6安装在箱体2具有上气室21顶部，向箱体2的下气室22通入压力气体，通过调节锥阀6来调节上气室21的气压，上气室21与下气室22的气压差会导致作用在测量轴的轴向力发生改变，进而实现测量轴的轴向运动，防止测头与被测表面碰撞。

软管7一端与第一压力调节阀10连接，另一端与连接头8连接，压力气源1经第一压力调节阀10将压力气体送入测量轴的轴向通气孔31中，最终到达喷嘴44，气体经喷嘴44喷向被测工件时，气体对喷嘴会有竖直向上的反作用力，同时进入箱体下气室22的压力气体会对测量轴的轴肩产生竖直向上的作用力，进而抵消测量轴以及测头所受竖直向下的重力以及上气室21的气体压力对测量轴3竖直向下的作用力，从而实现测头在测量过程中的静止。

压力气源1经过第一压力调节阀10、第二压力调节阀11、第三压力调节阀12分成三路：

第一路为静压空气轴承5供气，大大降低了测量轴4在调整轴向位移时与轴承之间的摩擦力。

第二路通过箱体2下部进入下气室22，气体产生的压力对测量轴4的轴肩产生竖直向上的作用力。同时在进行测量时，流经喷嘴44的气体与被测工件相互作用会对喷嘴有竖直向上的反作用力，上气室21中的气体压力会对测量轴4的顶端产生竖直向下的作用力，测量轴4和测头3本身受竖直向下的重力，通过调节锥阀6的高低来调节上气室21的气压。通过调节第三压力调节阀12来调节下气室22中的气体压力，实现测量轴4与测头3在竖直方向上的受力平衡。

第三路经过测量轴3的轴向通气孔31最终到达测头4的进气腔41内，两个压力表分别测量进气腔42的压力P₁和出气腔43的压力P₂，得到上下游压力的压差ΔP＝P₁-P₂。根据上述P₁、P₂与x的之间的关系式，在实际测量时，当间隙x在几十微米到一百微米之间时，压差ΔP与x成近似的线性关系，利用这段线性关系可以通过P₁-P₂的值得到间隙x，从而得到测头与被测工件之间的距离。通过测量轴的轴向通气孔31对测头3进行供气，简化了测头3的结构，测头不会与被测工件接触，大大降低了测头与被测工件碰撞的风险，延长了测头的使用寿命，并且气动回路简单容易实现。

工作过程：压力气源1经管路到测量轴3的轴向通气孔31到达测头4内，再经多孔材料挡板41到达喷嘴44。将测头的喷嘴44对准所要测量的位置，通过两个压力表9分别获得进气腔42内的气压P₁和出气腔43内的气压P₂，得到压差ΔP＝P₁-P₂，进而得到喷嘴34与被测工件之间的距离x。

以下是发明人对现有技术的流量特性与本发明的流量特性进行的对比：

1.测头喷嘴的流量特性分析：当测头喷嘴与被测工件距离非常近时，喷嘴内侧的圆周πd与间隙x围成的面积为过流面积，流经测头的质量流量的经验公式为：

式中，d_nozzle为测头喷嘴的内径，P_atm为大气压力，C_d为缩流系数，ρ为测头腔内的空气密度，该空气密度会随着间隙x的增大而减小。

2.现有技术的流量特性：图2是现有技术气体流经节流孔示意图。

通过节流孔的质量流量G_orifice由公式可得：

式中，C_d为缩流系数，量纲为1，对于小孔通常取0.9；

P₁为上游气体压力，即对应节流元件左侧的气体压力；

P₂为下游气体压力，即对应箱体右侧腔室中的气体压力；

T为上游压力的温度；

其中k为空气的比热，R为空气的气体常数。

根据质量守恒定律，气体流经节流孔元件后，一部分会储存在测头的腔室和压差计的气体管道内，另一部分则会从喷嘴泄漏到大气中。用公式表达即为：

G_in-G_out＝G_storage

式中，G_in为气体通过节流孔进入到腔室中的质量流量G_orifice，G_out为气体通过喷嘴泄漏到大气中的质量流量G_nozzle。

腔内近似为等温过程，温度T视作不变。腔室内的空气状态方程如下，等式两边对时间求导：

P₂V＝mRT

因此可以得到通过下游腔室的质量流量G与压力P₁、P₂的关系为：

将G_in和G_out代入，得：

现有技术为了计算方便，默认流经节流孔前的气体压力P₁(即上游压力)是不变的，然而在实际测量过程中，P₁会发生小范围的变化，并且通过节流孔的质量流量G_orifice与下游压力P₂之间成复杂的非线性关系，对测量的线性范围和测量精度有影响。

3.本发明的流量特性：参见图4

根据Darcy定律，通过多孔材料的质量流量为：

式中，k为多孔材料挡板的渗透性，量纲为m²；

A为多孔材料挡板的横截面积；

L为多孔材料挡板的长度；

μ为气体的流体黏度，量纲为Pa·s；

ρ为空气密度。

由公式可知，通过多孔材料挡板的质量流量G_porous正比于两侧的压力差ΔP＝P₁-P₂。

在测量过程中，现有技术中气源提供的气体通过气动元件、气管、测量轴的长孔到达测头1中，并不能保证上游压力P₁是稳定不变的。而本发明中气体通过多孔材料挡板的质量流量G_porous只与两侧的压力差ΔP成正比，且可以实现流量的线性特性。

根据质量守恒定律，气体流经多孔材料挡板后，一部分会储存在测头的腔室和压差计的气体管道内，另一部分则会从喷嘴泄漏到大气中。用公式表达即为：

G_in-G_out＝G_storage

式中，G_in为气体通过通过多孔材料挡板进入到腔室中的质量流量G_porous，G_out为气体通过喷嘴泄漏到大气中的质量流量G_nozzle。

将多孔材料挡板作为节流元件应用在本发明中，图3中的本发明进气腔42的压力是图4中多孔材料挡板的上游压力P₁，图3中的本发明出气腔43的压力是图4中多孔材料挡板的下游压力P₂。

多孔材料挡板下的出气腔43其腔室体积V不会发生变化，出气腔43腔内近似为等温过程，温度T视作不变。腔室内的空气状态方程如下，等式两边对时间求导：

P₂V＝mRT

因此可以得到通过出气腔43的质量流量G与压力P₁、P₂的关系为：

将G_in和G_out代入，得：

其中，ΔP＝P₁-P₂。

4.对比分析与结论

现有技术中，默认流经节流孔前的气体压力P₁即如图2所指的上游压力是恒定不变的，然而在实际测量过程中，P₁会发生小范围的变化。并且通过节流孔的质量流量G_orifice与下游压力P₂即如图2所指的下游压力之间成复杂的非线性关系，即现有技术中的流量特性成复杂的非线性关系。

本发明中，通过多孔材料挡板的质量流量G_porous只与两侧的压力差ΔP成正比，其中ΔP＝上游压力P₁-下游压力P₂，可以实现流量的线性特性。

由于线性优于非线性，因此可以得出本发明的流量特性优于现有技术的结论。

该结论与本发明的试验结果是一致的，本发明的测量灵敏度比现有技术有显著提高，从而使检测精度得到提高，可用于检测微米级，能满足高精度测量要求。

Claims (10)

1.一种压差式气动位移测量头，包括压力气源、箱体、测头、压力表，其特征在于所述测头具有多孔材料挡板，该多孔材料挡板将测头分为进气腔和出气腔，用于进气腔内的气体均布到出气腔，以提高所述压差式气动位移测量头的检测灵敏度。

2.根据权利要求1所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述箱体中具有测量轴，该测量轴具有用于通气的轴向通气孔，该轴向通气孔一端连通压力气源，另一端与测头的进气腔连通。

3.根据权利要求2所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述测量轴由静压空气轴承支撑，测量轴和静压空气轴承共同将箱体分为上气室和下气室，所述压力气源连接有第三压力调节阀，该第三压力调节阀与所述下气室连通。

4.根据权利要求3所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述测量轴位于下气室的部分具有轴肩，用于下气室的压力气体推动测量轴作上下调节移动。

5.根据权利要求3所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述箱体上位于上气室处设有锥阀，用于气压推动测量轴的上下微调移动和泄压。

6.根据权利要求1所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述测量头包括喷嘴，该喷嘴为圆台状，该圆台的上底直径大于3mm，下底直径不大于10mm。

7.根据权利要求3所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述静压空气轴承与所述箱体过盈配合，与测量轴间隙配合。

8.根据权利要求3所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述测量轴伸出箱体与测头螺纹连接。

9.根据权利要求1所述压差式气动位移测量头，其特征在于压力气源通过第一压力调节阀经软管与测量轴连通。

10.根据权利要求2所述压差式气动位移测量头，其特征在于所述测头的进气腔和出气腔分别连接有一个压力表。

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