專利名稱：微納米級差壓式氣針傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣動測量儀器，具體地說是一種測量微小尺寸的儀器，尤其適于圓度、球度、平面度、粗糙度等高精度測量的氣動測量儀器。

背景技術(shù)：
氣動測量是一種非接觸測量，是以壓縮空氣為介質(zhì)，利用空氣在管道中的流量或壓力隨噴嘴與被測工件之間的氣隙不同而改變的特性，將尺寸量或位移量轉(zhuǎn)化為流量變化或氣壓變化信號，從而實(shí)現(xiàn)微小尺寸的測量。傳統(tǒng)的氣動測量儀多為反射式和背壓式。
反射式氣動傳感器的測量原理如圖1所示。壓縮空氣從氣源1經(jīng)過濾器2后由進(jìn)氣閥3進(jìn)入穩(wěn)壓器4，穩(wěn)壓器的輸出壓力為pc。氣流經(jīng)過直徑為d1主噴嘴5進(jìn)入主氣室16，經(jīng)過外徑為D0、內(nèi)徑為Di的環(huán)形氣隙向外噴射。當(dāng)氣動傳感器前方有物體的被測面8進(jìn)入測量范圍時(shí)，反射進(jìn)入測量氣室17的氣體壓力p(亦稱為反壓p)隨著測量間隙s的減小而增大。反壓p與測量間隙s在一定范圍內(nèi)呈一一對應(yīng)的關(guān)系。反射式氣動傳感器量程比較大，一般為1～5mm，測量精度為±0.25mm。
背壓式氣動傳感器的測量原理如圖2所示。壓縮空氣從氣源1經(jīng)過濾器2后由進(jìn)氣閥3進(jìn)入穩(wěn)壓器4，穩(wěn)壓器的輸出壓力為pc。壓力為pc的壓縮空氣經(jīng)主噴嘴5流向測量噴嘴6，并由測量噴嘴6流入大氣。主噴嘴5與測量噴嘴6之間的壓力px稱為“背壓”。背壓px與測量噴嘴6擋板8的間隙s呈一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，由壓力計(jì)15讀出背壓px值來獲得被測參數(shù)s的大小。背壓式氣動傳感器要求由穩(wěn)壓器4輸出的pc要恒定，pc的波動會帶來很大的誤差。背壓式氣動傳感器量程小，量程一般為0.1～0.2mm；測量精度為±2um。
以上傳統(tǒng)氣動量儀的測量精度都比較低，不能用于微納米級的圓度、球度、平面度、粗糙度等高精度測量。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種尤其適于作圓度、球度、平面度、粗糙度等高精度非接觸測量的微納米級差壓式氣針傳感器。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明微納米級差壓式氣針傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置差壓式氣路系統(tǒng)，包括來自氣源的壓縮空氣依次經(jīng)過濾器、進(jìn)氣閥和穩(wěn)壓器之后分成兩支氣路；一路是由主噴嘴和串聯(lián)在其后并以被測面為擋板的測量噴嘴構(gòu)成；另一路是以穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出pc直接進(jìn)入差壓式壓力傳感器的高端氣壓信號輸入端H；差壓式壓力傳感器的低端氣壓信號輸入端L是以位于主噴嘴和測量噴嘴之間的壓力信號px為輸入信號；以兩支氣路的差壓輸出信號Δp＝pc-px為差壓式壓力傳感器的輸出信號。
本發(fā)明微納米級關(guān)壓式氣針傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于主噴嘴的孔徑為0.2～0.5mm，測量噴嘴的孔徑為0.2～0.5mm，所述穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出pc為0.25～0.45MPa。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在 1、本發(fā)明是基于差壓式氣路的微納米級傳感器，其測量范圍為80um，分辨力為0.01um，測量精度為±0.1um，適合于高精度微納米級非接觸尺寸測量場合，可用于圓度、球度、平面度和粗糙度等高精度的測量。因從傳感器噴射出的氣流形如細(xì)針，故可稱之為氣針傳感器。
2、與背壓式測量方式相比，本發(fā)明采用差壓式氣路可以有效減少由于穩(wěn)壓器輸出壓力pc的波動而引起的誤差，并提高靈敏度。
3、與現(xiàn)有的氣動傳感器相比，測量精度和分辨力都有很大的提高，具體對比見表1，為高精度非接觸測量提供了理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。



圖1為反射式氣動傳感器測量原理圖。
圖2為背壓式氣動傳感器測量原理圖。
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的主噴嘴與測量噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為d1＝0.32mm，d2＝0.3mm，pc＝(0.3，0.35，0.4)MPa時(shí)的理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線。
圖7為pc＝0.4MPa時(shí)，主噴嘴和測量噴嘴不同尺寸時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線。
圖8為經(jīng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定參數(shù)為d1＝d2＝0.4mm的氣針傳感器的靜態(tài)特性曲線。
圖中標(biāo)號1氣源、2過濾器、3進(jìn)氣閥、4穩(wěn)壓器、5主噴嘴、6測量噴嘴、7差壓式壓力傳感器、8被測面、9量塊、10測量腔、11測量噴嘴接頭、12測量管接頭、13主噴嘴管接頭、14微動臺架、15壓力表、16主氣室、17測量氣室。
以下通過具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
具體實(shí)施例方式 參見圖3，設(shè)置差壓式氣路系統(tǒng)，包括來自氣源1的壓縮空氣依次經(jīng)過濾器2、進(jìn)氣閥3和穩(wěn)壓器4之后分成兩條支路；一路是由主噴嘴5和串聯(lián)在其后并以被測面8為擋板的測量噴嘴6構(gòu)成；另一路是以穩(wěn)壓器4的穩(wěn)壓輸出pc直接進(jìn)入差壓式壓力傳感器7的高端氣壓信號輸入端H；差壓式壓力傳感器7的低端氣壓信號輸入端L是以位于主噴嘴5和測量噴嘴6之間的壓力信號px為輸入信號；以差壓式壓力傳感器7的差壓輸出信號Δp＝pc-px為傳感器輸出信號。
測量原理 由流體力學(xué)原理可知，主噴嘴5和測量噴嘴6的氣體流動狀態(tài)有四種工況，見表2。
根據(jù)流體力學(xué)原理，通過某截面的亞臨界狀態(tài)的流量為 通過某截面的臨界狀態(tài)的流量為 式中G——流過截面的重量流量； c——流量系數(shù)； F——截面積； k——定熵指數(shù)，對空氣，k＝1.4； p1——截面前的壓力(絕對壓力)；p2——截面后的壓力(絕對壓力)； γ1——p1下的氣體重度； g——重力加速度。
利用上式(1)和(2)推導(dǎo)出四個(gè)工況下的差壓Δp與測量間隙s的函數(shù)關(guān)系分別為 工況I 工況II 工況III 工況IV 式中 c1——主噴嘴處的流量系數(shù)； c2——測量噴嘴處的流量系數(shù)； d1——主噴嘴直徑(mm)； d2——測量噴嘴直徑(mm)； pc——工作壓力(絕對壓力，MPa)；px——測量腔壓力(絕對壓力，MPa)； po——大氣壓(絕對壓力，MPa)； s——噴嘴擋板處的間隙(mm)。
由噴管的一維等熵定常流動特性知，主噴嘴5和測量噴嘴6處于何種工況是由工作壓力pc、測量間隙s和主噴嘴5及測量噴嘴6的直徑所決定。當(dāng)測量間隙s由0逐漸增大時(shí)，測量腔壓力px將由pc逐漸下降，如果測量噴嘴6一直為亞音速，則px趨向于大氣壓po；如果測量噴嘴6達(dá)到音速，則下降到最小值min(px)，且min(px)≥1.894po，之后測量間隙s再增大對氣路沒有影響，此時(shí)測量間隙稱為極限間隙，記為s2。
因測量噴嘴達(dá)到音速時(shí)，氣體流量將不再改變，所以由噴嘴擋板的流出面積與測量噴嘴孔的截面積相等得出測量極限間隙，即 s2＝d2/4(7) 從上述不同工況下差壓Δp與測量間隙s的函數(shù)關(guān)系式可以分析出，氣路變換倍率dΔp/ds與工作壓力成正比；所以，為了獲得高靈敏度高分辨力的氣針傳感器需選用大于0.3MPa的工作壓力。當(dāng)測量間隙較小時(shí)，測量腔壓力px較大，主噴嘴和測量噴嘴流動狀態(tài)處于工況III狀態(tài)；測量間隙進(jìn)一步增大，px降低，是否進(jìn)入下一工況受主噴嘴和測噴嘴直徑大小的影響。設(shè)置本實(shí)施例中的氣針傳感器在工況III工作。
工況III下，Δp對s的一階導(dǎo)數(shù)為 從公式(8)可以看出差壓式氣路變換倍率與pc成正比；與A2成正比，即與主噴嘴的孔徑d1的四次方成反比，與測量噴嘴的孔徑d2的平方成正比。在改變變換倍率dΔp/ds變化量時(shí)，主噴嘴孔徑d1變化量的影響比測量噴嘴孔徑d2變化量的影響大。
由差壓式氣動測量特性可知當(dāng)工作壓力提高或測量噴嘴孔徑增大時(shí)，氣動變換倍率提高，即分辨力提高。為了達(dá)到高精度高分辨力測量的目的，可采用高壓微孔差壓式氣針傳感器。它是用提高工作壓力和縮小噴嘴孔徑的方法來達(dá)到提高分辨力和測量精度為目的，但測量范圍受到了限制。
具體實(shí)施中，設(shè)置噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)過多級凈化和穩(wěn)壓后的壓縮空氣經(jīng)主噴嘴管接頭13和主噴嘴5流入測量腔10，與測量腔10連通的測量管接頭12接入差壓式壓力傳感器7的低端，對應(yīng)于測量距離s的氣壓量Δp轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髁縄輸出，這種壓力傳感器精度高，壓力范圍大。根據(jù)氣針傳感器的輸出氣壓量Δp范圍，選擇量程為100KPa麥克公司的MDM4951壓力傳感器，其精度為0.25％FS。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了提高氣針傳感器的動態(tài)特性，減小響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)使測量腔10的容積盡量小。
測量噴嘴6由測量噴嘴接頭11固定設(shè)置，當(dāng)被測面8與測量噴嘴6之間的距離發(fā)生變化Δs時(shí)，壓力傳感器的輸出電流I也隨之改變，再經(jīng)過電流電壓(I/U)轉(zhuǎn)換電路、電壓跟隨電路和低通濾波器后，輸出電壓變化量為 ΔU＝KpKIKRΔs(9) 式中Kp——?dú)饴纷儞Q倍率(MPa/mm)； KI——壓力傳感器的靈敏度，KI＝0.16A/MPa； KR——電流電壓轉(zhuǎn)換倍率，KR＝250Ω； ΔU——輸出電壓變化量(V)； Δs——測量壓變化量(mm)。
從式(9)可以看出，氣針傳感器的靈敏度主要取決于氣路變換倍率；氣路變換倍率越高，靈敏度越高。
由壓力傳感器的壓力范圍和電流輸出范圍推導(dǎo)出氣針傳感器的差壓Δp與輸出電壓U函數(shù)關(guān)系式為 U＝40Δp+1(10) 式中U——輸出電壓(V)；Δp——差壓(MPa)。
氣針傳感器的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。測量噴嘴6與作為擋板的量塊9間隙量的調(diào)整是由微動臺架14來實(shí)現(xiàn)精密微調(diào)，微動分辨力達(dá)0.2um。壓力傳感器輸出電流，經(jīng)調(diào)理電路后，由16位數(shù)據(jù)采集卡采集1V～5V的模擬電壓量，通過LabView軟件進(jìn)行特性曲線擬合和數(shù)據(jù)處理。
通過改變工作壓力pc、主噴嘴d1和測量噴嘴d2值，做出不同的特性曲線，分析出輸出電壓U和測量間隙s、工作壓力pc之間的關(guān)系。
圖6為d1＝0.32mm，d2＝0.3mm，pc＝(0.3，0.35，0.4)MPa(表壓)時(shí)的理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線。其中曲線I、II、III分別為pc＝(0.4，0.35，0.3)MPa的理論曲線；曲線IV、V、VI分別為pc＝(0.4，0.35，0.3)MPa的實(shí)驗(yàn)曲線。
由公式(5)知，取c1＝c2，k＝1.4時(shí)，工況III下差壓式氣動測量理論特性方程為 對上述pc＝0.3MPa，測量間隙為s＝s2＝d2/4＝0.075mm時(shí)，由公式(11)、(12)計(jì)算得 min(px)＝0.338MPa(絕壓)；U＝3.482V 當(dāng)pc＝0.35MPa，測量間隙為s＝s2＝d2/4＝0.075mm時(shí)，計(jì)算得min(px)＝0.380MPa(絕壓)；U＝3.792V 當(dāng)pc＝0.4MPa，測量間隙為s＝s2＝d2/4＝0.075mm時(shí)，計(jì)算得min(px)＝0.422MPa(絕壓)；U＝4.103V 通過上述計(jì)算和圖6可以得出以下結(jié)論 1、當(dāng)測量間隙達(dá)到極限間隙時(shí)，測量噴嘴都為音速，工作狀態(tài)均在工況III。
2、理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線都是工作壓力pc越大，氣針傳感器的靈敏度也越大。
3、實(shí)驗(yàn)特性曲線初始輸出電壓不為1，是因?yàn)閲娮鞊醢宥嗣婧蛽醢宥嗣嬗幸粌A角，導(dǎo)致初始?xì)怏w流量不為零。
4、在測量極限間隙范圍內(nèi)，理論曲線特性和實(shí)驗(yàn)曲線特性趨勢是相符合的，即差壓Δp與測量間隙s的函數(shù)式是合理的。
圖7為pc＝0.4MPa時(shí)，主噴嘴和測量噴嘴不同尺寸時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，不同情況下的主噴嘴d1和測量噴嘴d2數(shù)值見表3。
由公式(10)、(11)知，工況III下差壓式氣動測量輸出電壓U與測量間隙s的函數(shù)關(guān)系式為 通過上式可以計(jì)算出不同輸入壓力pc、不同主噴嘴和測量噴嘴孔徑時(shí)的理論線性范圍和理論靈敏度，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3。
通過表3和圖7可以得出以下結(jié)論 1、由曲線I、II、III和IV可以分析出主噴嘴d1減小，測量噴嘴d2增大，氣針傳感器靈敏度實(shí)驗(yàn)值和理論值均增大。
2、氣針傳感器靈敏度主要由主噴嘴d1大小決定，即主噴嘴d1與測量噴嘴改變相同量時(shí)，主噴嘴d1對靈敏度的改變影響大。
3、因測量極限間隙s2＝d2/4，所以線性范圍主要受測量噴嘴d2影響，d2越大，線性范圍越大。
4、由曲線I、IV和V可以分析出為了使氣針傳感器同時(shí)獲得高靈敏度和大線性范圍，可以使得d1＝d2。
5、氣針傳感器靈敏度和線性范圍的實(shí)驗(yàn)值與相對應(yīng)的理論值相符合，即氣動測量理論特性方程是實(shí)用的。
在工作壓力pc＝0.4MPa時(shí)，用瑞士TAISA公司的高精度高分辨力電感測微儀TT80對參數(shù)為d1＝d2＝0.4mm的氣針傳感器的靜特性進(jìn)行標(biāo)定。該電感測微儀在量程為±2mm時(shí)，分辨力為0.01um。
圖8所示為經(jīng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定參數(shù)為d1＝d2＝0.4mm的氣針傳感器的靜態(tài)特性曲線，其分辨力達(dá)到0.01um。通過標(biāo)定采集的數(shù)據(jù)可以分析出，在線性段[s0，s1]＝
范圍內(nèi)，靈敏度為45mv/um，線性度小于0.8％，重復(fù)性小于0.4％，測量精度為±0.1um。
上述分析表明，氣針傳感器的實(shí)驗(yàn)特性和理論特性趨勢是相符合的。
本發(fā)明內(nèi)容可以為獲得高靈敏度和大范圍的氣動傳感器的設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。附表 表1
表2
表3

權(quán)利要求
1、微納米級差壓式氣針傳感器，其特征是設(shè)置差壓式氣路系統(tǒng)，包括來自氣源(1)的壓縮空氣依次經(jīng)過濾器(2)、進(jìn)氣閥(3)和穩(wěn)壓器(4)之后分成兩支氣路；一路是由主噴嘴(5)和串聯(lián)在其后并以被測面(8)為擋板的測量噴嘴(6)構(gòu)成；另一路是以穩(wěn)壓器(4)的穩(wěn)壓輸出pc直接進(jìn)入差壓式壓力傳感器(7)的高端氣壓信號輸入端H；所述差壓式壓力傳感器(7)的低端氣壓信號輸入端L是以位于主噴嘴(5)和測量噴嘴(6)之間的壓力信號px為輸入信號；以所述兩支氣路的差壓輸出信號Δp＝pc-px為差壓式壓力傳感器(7)的輸出信號。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米級關(guān)壓式氣針傳感器，其特征是所述主噴嘴(5)的孔徑為0.2～0.5mm，測量噴嘴(6)的孔徑為0.2～0.5mm，所述穩(wěn)壓器(4)的穩(wěn)壓輸出pc為0.25～0.45MPa。
全文摘要
微納米級差壓式氣針傳感器，其特征是設(shè)置差壓式氣路系統(tǒng)，包括來自氣源的壓縮空氣依次經(jīng)過濾器、進(jìn)氣閥和穩(wěn)壓器之后分成兩支氣路；一路是由主噴嘴和串聯(lián)在其后并以被測面為擋板的測量噴嘴構(gòu)成；另一路是以穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出pc直接進(jìn)入差壓式壓力傳感器的高端氣壓信號輸入端H；差壓式壓力傳感器的低端氣壓信號輸入端L是以位于主噴嘴和測量噴嘴之間的壓力信號px為輸入信號；以兩支氣路的差壓輸出信號Δp＝pc-px為差壓式壓力傳感器的輸出信號。本發(fā)明尤其適于作圓度、球度、平面度、粗糙度等高精度非接觸測量。
文檔編號G01B13/22GK101251375SQ20081002338
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者輝 張, 王鳳偉, 鄧善熙, 唐海勇, 曾漢平 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)