高分辨力智能型气动测微仪

2013正第9期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2013NO．9高分辨力智能型气动测微仪崔 廷，沈小燕，林杰俊，李东升(中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018)摘要：根据差压式气动测量原理，设计了一种微纳米级气动传感器，并通过硬件 电路设计、软件 系统开发研常】了智能型非接触式气动测微仪。通过软件调零及误差补偿技术，达到了气动传感器非接触线性测量的目的。结果表明：气动传感器分辨力0．2 m，线性度 2％，回程误差0．7％，灵敏度0．65 kPa／l~m；仪器在 0—80 m的测量范围内最大示值误差为0．3 m，回程误差为0．25 m．该智能型测微仪在一定程度上能应用在高精度微纳米检测场合中。

关键词：气动测量；差压式气动传感器；微纳米级；气动测微仪中图分类号：TH71l 文献标识码：A 文章编号：1002—1841(2013)09—0028—04Inteligent Pneumatic Micro-displacement Measuring Instrument with IIigl ResolutionCui Ting，Shen Xiao-yan，Lin Jie-jun，Li Dong—sheng(CoHege of Metrology&Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)Abstract：A pneumatic sensor with micro—nano level was designed，which is based on the working principle of pneumatic pathof differential pressure type．Further more，the inteligent pneumatic micro—displacement measuring instrument Was developed by de-signing hardware electric circuit and programming software system．With the technology of software setting zero and error compensa-tion，this pneumatic sensor can realize the purpose of non—contact linear gauging．The results indicate that the sensor resolution is 0.

2 m，the linearity is 2％ ，hysteresis ell'or is 0．7％ ，the sensitivity is 0．65 kPa／l~m．The measuring ran ge of instrument is from 0 to80 m with 0．3 p,m maximum indication error and 0．25 pLm hysteresis error．This intelligent micro—displacement measuring instru-ment Can be印plied in high-accuracy micro·nano inspecting occasions on some leve1.

Key words：pneumatic gauging；pneumatic sensor with differential pressure type；micro—nano level；pneumatic micro—displacementmeasuring instrument0 弓I言气动测量是利用气体在气室中的流量或压力随喷嘴几何尺寸与形状的不同而改变的特性，将位移、尺寸等几何量的变化转换为流量或压力的变化，以实现几何量的测量 I3 J。气动测量作为一种非接触相对测量方式，具有精度高、灵敏度大、测量力小、不会划伤被测工件表面的优点，且能靠气体的流动达到对被测表面的自洁作用。因此，气动测量广泛地应用在机械 、电子、冶金、航天等领域中 。

气动量仪按工作原理可分为流量式和压力式。流量式气动量仪性能稳定，易于操作和维护，但不易实现数字信号的采集，人工读数误差大 ，常应用于离线测量场合 。压力式气动量仪将被测几何量转化为压力的变化，再通过压力传感器将其转化为电量的变化，可实现数字信号的采集，为设计智能型气动测微仪提供了可能。文中基于差压式气路测量原理，设计了一 种微纳米级气动传感器，经信号调理和模数转换后，由单片机系统进行数据采集与处理，以达到高分辨力智能测量的目的 I9]。该测微仪有超量程报警功能，并通过软件调零及误差补偿，可直接应用在工业检测过程中。

1 差压式气动传感器的设计气动传感器的设计是整个测微仪功能实现的关键。根据收稿日期：2012—11-01 收修改稿日期：2013—07—02原理研究及参数分析，设计一种差压式气动传感器，通过升高工作压力与缩小喷嘴孔径，达到了提高分辨力和测量精度的目的，但测量范围也相对变小 “ 。

1．1 差压式气动测量原理差压式气动测量是通过两压力相减消除气源波动对测量的影响 ¨，使测量结果准确可靠。差压式气动测量原理图如图1所示。由旋转式空气压缩机 1提供的气源进入大型气罐2，经阀门 3、过滤器 4、冷冻式干燥机 5和过滤减压阀6得到纯净的高压空气。较稳定的高压空气进入压力为P 气动传感器7的气室 1，后分两路进行流动。一路直接进入差压式压力变送器的高压输入端H；另一路通过直径为d 的进气喷嘴进入压力为P 的气室2，然后从直径为 d2的测量喷嘴与挡板8的间隙中流入压力为 的大气。

8圈1 差压式气动测量原理圈由流体力学知识知，差压式压力变送器测得的差压 △P与喷嘴挡板间位移的函数关系为△P=P。一 =，( )。根据进气喷嘴与测量喷嘴是否超音速，气动传感器有不同的工作状第9期 崔廷等：高分辨力智能型气动测微仪态 ” 。由于进气喷嘴处于亚临界状态，测量喷嘴处于临界状态，则流经进气喷嘴的流量 G 和测量喷嘴处的流量 G：分别是：T G2 s( )口 g (2)式中：G为流过截面的流量；c为流量系数；d。、 分别为进气喷嘴与测量喷嘴直径；p 、P 分别为截面前和截面后的压力；g为重力加速度； 为一定压强下的气体重度；s为测量喷嘴距挡板的位移； 为定熵指数，对空气，k=1．4。

因G。=G：，可推导得到P 与s的函数关系如下：p。0．5+0．5(? ) r ㈤式中：A=C2dJc 手 ( )两。

差压△p与测量喷嘴挡板间位移s的函数关系为：卸 {I-【0．5+0．5(? ) 】 )㈩1．2 差压式气动传感器机械结构设计为设计差压式气动传感器的机械结构，首先需确定进气喷嘴、测量喷嘴的尺寸及形状。进气喷嘴的小孔起着节流作用，其直径d。主要与传感器的灵敏度有关；测量喷嘴的直径 对气体流量及其参数有着重要影响，主要与传感器的分辨力和测量范围有关。测量喷嘴的形状可设计成圆筒式 ，空气流量可直接根据圆柱的直径与高度来确定，当测量喷嘴与挡板间的流出面积与测量喷嘴的截面积相等时可得到其最大测量距离Sm“ ：订d2s =} (5)s =子 (6)为获得较高的灵敏度与较大的测量范围，使进气喷嘴的直径 d 与测量喷嘴的直径 d2相等，均设计为0．5 mm．差压式气动传感器机械结构如图2所示。压力为的空气通过高压管接头l和进气喷嘴2进入测量气室5，一路通过测量喷嘴3流人大气中，另一路通过低压管接头4送入差压变送器低压信号输入端。螺纹6用于该差压式气动传感器的夹紧与定位。

圈2 麓压式气动传感器1．3 气动传感器静特性标定差压式气动传感器静特性标定试验在自行设计组装的手动微位移标定台上进行，其静特性标定示意图如图 3所示。来自空压机的空气经过滤、稳压后得到气源 1，进入气动传感器2，从测量喷嘴流出的气体射向挡板3。微位移标定台4可精密调节挡板3距气动传感器的位移，微动分辨力可达0．2 m．传感器高压管接头与低压管接头分别接入型号为MDM4951DP5E的压力变送器 H端与 L端，实现差压信号向电信号的转变，该压力变送器量程为O一100 kPa，精度为0．5级，供电电源为24V，可显示差压值，也可输出4—20 mA的电流。

图3 传感器静特性标定示意图标定时，用 M12的螺母将气动传感器固定在支架上，调节过滤减压阀使供气压力为0．35 MPa．调整传感器测头距移动挡板的位移为零，以2 m为间隔逐渐调节微位移平台，记录当前喷嘴挡板位移与压力变送器的输出差压。已知进气喷嘴直径d，与测量喷嘴直径d2均为0．5 mm，由测量原理可得气动传感器的理论最大测量距离为 0．125 mm，差压 △p与位移 s的理论函数关系为：卸 =p {1一[0．5+0．5(1+17．1468s 0．5]一 } (7)测量差压式气动传感器去程与回程曲线，与其理论曲线对比，结果如图4所示。由图4可以得出：传感器的分辨力为0．2I．Lm，量程 0—125 I,Lm，回程误差为 0．7％，灵敏度为 0．65 kPa／I,Lm；实验曲线与理论曲线结果较为相近；随着测量位移的不断变大，传感器实验标定曲线可以分为粘性段、直线段、过渡段、水平段 ，可用于实际测量的为其直线段 ，约为 80 m.

9080重∞703020l0O 16距爵S／mm图4 传感器静特性标定结果2 智能型气动测微仪的研制目前，工业上广泛使用浮标式气动量仪，用于内径、外径、直线度、平面度及配合公差的测量。传统量仪自动化程度低、精度小、且易由眼睛疲劳造成读数误差，因此需研制一种基于差压式气动传感器的高分辨力智能型气动测微仪。

第9期 崔廷等：高分辨力智能型气动测微仪 31标定后，需对气动测微仪进行校准实验。校准时，调节过滤减压阀旋钮使供气压力为0．35 MPa，逐渐旋转手轮使挡板移动，测量并记录TI20电感测微仪基准值与气动测微仪标定值的大小，校准范围为40—120 m.

校准后，33"20电感测微仪的基准值与气动测微仪的标定值的对应曲线关系如图9所示。可以得到仪器在0～80 m的测量范围内，最大示值误差为0．3 Ixm，回程误差为0．25 m，一定程度上能满足工业场合的精密测量要求。

皇i删蜷基准值／ m图 9 气 动测徽 仪校准曲线气动测微仪是通过气动传感器测头与测量装置配套使用，用相对比较测量法进行尺寸或形位参数的精密检测。例如，在工业生产流水线上，气动传感器测头依次扫描汽车零部件，当工件不合格时，测微仪会自动报警并记录当前工件为不合格。

3 结束语(1)根据差压式气动测量原理，自行设计 了一种量程为125 m的气动传感器，该传感器分辨力 0．2 m，线性度 2％，回程误差 0．7％，灵敏度 0．65 kPa／ixm.

(2)基于自行设计的差压式气动传感器，通过硬件电路设计及软件系统开发，并经过线性化处理和误差补偿后，研制了一 种适用于工业精密测量的智能型气动测微仪，可用测量范围为 0～80 Ixm，最大示值误差 为 0．3 Ixm，回程误差为 0．25m ·(3)由于气源压力难以避免波动，因此该智能型气动测微仪i字在一定的随机误差。为提高气动测微仪的精度，需在后续研究中提供高稳定性的供气压力。

参考文献 ：[1] 王世龙，王丽娜，王宏博，等．多功能气动误差测量仪．仪表技术传感器，2010(9)：27—29.

[2] 刘志敏，叶怀储．气动量仪测量不确定度分析．计量与测试技术，2009，36(6)：69—70.

[3] 赵前程，邓善熙，张辉，等．用于尺寸测量的气针式传感器初探．仪表技术与传感器 ，1999(5)：4—6.

[4] 刘子香．精密气动测量系统的研究及其应用：[学位论文]．武汉：武汉理工大学，2001：3—19.

[5] RUCKI M，BARISIC B，VARGA G．Air gauges as a part of the dimen—sional inspection systems．Measurent，2010，43：83—90.

[6] 董晶晶，仲原．平面度检测气动测头的设计．黑龙江科技学院学报，2010，20(1)：68—71.

[7] 胡小平，于保华．MATLAB的背压气路特性曲线分析．中国机械工程，2006，17(17)：1790—1791.

[8] 朱庆保．一种新型智能气动测微仪的研究．仪器仪表学报，2000，21(2)：191—192.

[9] 修庆国，王军，孙军．智能气动测量系统．制造业信息化，2005(3)：76—78.

[10] 王凤伟，张辉，邓善熙，等．微纳米级差压式气针传感器的研制.

仪器仪表学报，2009，30(2)：416—419.

[11] 邓善熙，赵前程．高精度球 面的气动测量．工具技术，1998，32(7)：37—39.

[12] 王凤伟，张辉，邓善熙，等．高精度气动传感器的研究．工具技术，2009，43(7)：102—104.

[13] 刘玉初．气动量仪．北京：机械工业出版社，1991：44—75.

[14] JERMAK C J，BARISIC B，RUCKIM M．Corection of the metro]ogi—cal properties of the pneumatic length measuring gauges throughchanges of the measuring nozzle head surface shape．Measurement，2010，43：1217—1223.

[15] BOKOV V．Pneumatic gauge empirical—mechanistic modeling．Mea—surment，2011，44：1168—1172.

[16] 许景波，袁怡宝，王桂芝．基于线性化电路扩展气动量仪量程的方法．仪表技术与传感器，2009(8)：100—101.

作者简介：崔廷(1987～)，硕士研究生，研究方向为气动超精密检测等。

E—mail：cuitingl010### 126．com(上接第23页)[2] Lord Corp ration Product Brochure＆Technical Report，2004.

[3] 刘泽西．用于磁流变液体阻尼器的可控电流放大器．电子工程师，2007，33(7)：28—32.

[4] 郭迎庆，费树岷，徐赵东．磁流变阻尼结构模糊控制器的设计与分析．东南大学学报 ，2007，37(6)：1027—1031.

[5] GUO YQ。FEISM，XJ Z D．Simulation analysis on inteligent structureswith magnetorheological damper．Journal of Inteligent Material andSystems，2007，18(11)：967—978.

[6] 袁梅，田宏达 ，董韶鹏．基于 PWM的电流输出数模转化电路．仪表技术与传感器，2011(7)：91—93.

[7] 许丽群．基于AT89S52的数控直流电流源的设计．电子测量技术，2009，32(11)：85—88.

[8] 钟乃元，高飞．大电流高精度恒流源．电子测量技术 ，2007，30(9)：l76—178.

作者简介：刘涛(1984一)，硕士，主要研究方向：检测技术与自动化装置 E—mail：h8603###163．com∞ ∞ 衙 ∞ ∞ ∞ ∞ 加