气动传感技术的应用
发布时间：2017-09-01
根据流体静力学和流体动力学的原理，把压缩空气作为煤介，将物理量转换成气动参量(压力P、流量Q)的元件，称为气动传感器。利用气动传感器对各种物理量进行检测的技术可称为气动传感技术。
由气动传感技术所引出的气动检测量仪，从大类分，有压力式气动量仪和流量式气动量仪。压力式气动量仪中又有背压式和差压式之分;具体结构上又有水柱式、薄膜式、膜盒式和波纹管式等。流量式量仪主要有浮标式气动量仪。这些量仪的放大倍率达数千倍至数万倍。测量也从单参数测量发展到多参数测量;由静态测量发展到动态测量;由单一的气动测量发展到与机械、电子、光学等相组合的组合式量仪。
采用气动检测系统，可以减刁恻量误差，提高测量精度和效率，且有利于实现检测的自动化。
气动传感器的工作原理
气动传感器的基本结构为喷嘴挡板机构。普通喷嘴挡板机构如图l所示。图1一a为平行喷嘴档板机构，图1-b为不平行喷嘴挡板机构。经过洁净干燥和稳压处理的气流，以恒定的压力Pg从进气喷嘴1进入测量系统，从测量喷嘴3逸入大气。如果没有挡板，气流将通畅地流人大气中。当挡板靠近测量喷嘴时，气流受菌，在气室:内雏成测量压力(背压)Pc，其值可按下式计算。
该式为喷嘴挡板机构的压力特性方程。在确定的测量系统中，测量压力Pc仅随测量间隙z的变化而变化。其特性曲线如图2一b所示。在Z0一Z1段，测t压力与测量间隙成线性关系。
这一公式表明，当改变喷嘴挡板机构的进气喷嘴和测量喷嘴的直径时，可以得到不同斜率的Pc一Z线性段。因此，当用相应的压力计测量出背压Pc的值后，便能得到测量间隙z的大小，这就形成了压力式气动测量。
由实验测定，当流过喷嘴挡板机构的气流速度小于音速，且Pg=(1~1.89)Pc时。
这一公式表明，改变喷嘴挡板机构的测量喷嘴d的大小，可以改变Q一Z线性段的斜率.因此，当用相应的流量计测量出流量Q的值后，便能得知测量间隙z的大小，这就形成了流量式气动mll量。所以气动测量便有压力式测量和流量式测量两个分支。
对于不平行喷嘴挡板机构，上.述压力特性方程和流量特性方程仍然适用。但当挡板盖住测量喷嘴时，由于仍然存在着缝隙，所以仍有气流流过。该流量相当于平行喷嘴挡板机构中测量间隙为某值zR时的流量，这个ZR就称为当量间隙。因此也就有当量流量QR和当量气室背压PR(见图2中的虚线)。在应用特性方程进行计算时，应考虑ZR的影响。因此，计算的测量间隙Z计=Z’+ZR(式中Z’为测量喷嘴端面到圆柱体挡板最高素线之间的距离)。
气动传感器的应用
利用气动传感器的工作原理，设计相应的气动测量装置，便可用于各种物理量的测量。在配置了多台量仪(如多管浮标式气动量仪)时，还可进行多参数同时测量。气动测量的可靠性和测量精度，主要取决于气动传感器设计的正确、合理，以及制造精度和使用方法。
气动量仪的使用场所很广，可因不同物理量的测量和检测控制的需要，而设计成不同的气动测量、检测控制装置。最早使用气动量仪是在长度测量上，图3所示的气动塞规，可检测零件孔加工尺寸是否合格;不全形塞规则可检测加工零件两内表面之间的长度尺寸是否合格。
气动环规则可以检测零件轴径加工尺寸是否合格;气动卡规则可检测加工零件两外表面之间长度尺寸是否合格。
利用图5所示的轮廓度测量装置还可以对复杂型面的轮廓度进行检测。测量装置上测量喷嘴所处的型面为理轮正确型面。测量喷嘴布置在型面的特征部位，几垂直于理轮正确型面。.每个测量喷嘴接有一台气动量仪。当实际型面与理轮正确型面贴合时，各测量喷嘴与实际型面便形成测量间隙z。从量仪卜反映出来的z值大小便可确知实际型面的制造误差。
根据气动传感器的工作原理，还可以设计出相应的测量装置，以实现对加工零件的圆度、圆柱度、平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度和位置度等形位误差的检测测。
利用喷嘴挡板机构可对流体压力进行测量(见图6)。当被检测的具有一定压力P的流体通入装有膜片的密闭容器(图6一a)、膜盒、(图6一b)或波纹管(图6一c)内部时，其上的平台将产生位移，改变着测量间隙z的大小，通过气动量仪的示值大小，经计算便可确知压力P的量值。如果将图6一b所示的膜盒机构组成图7所示的机构，便组成了气动放大器.保持恒压Pg的工作气流一路从恒节流孔2进人膜盒外部，并经调节阀6逸入大气;另一路则从恒节流孔l进人膜盒内部，并经测量喷嘴8和挡板(工件)7之间的测量间隙2.逸人大气。得到的膜盒内部压力P1，也就是喷嘴档板机构的背压。改变测量间隙Z1，则改变了膜盒内部的压力P1，也就改变了膜盒上平台的位移量，同时改变了标准喷嘴4与顶杆3之间的间隙Z2。通常，问隙z:的变化量大于z1的变化量，从而起到放大作用。如果调整调节阀6的开度，改变膜盒外部的压力PZ，可以调节膜盒上的平台的位移量。从而起到调节放大器放大倍率的作用。
便组成了波纹管气动转换器。保持恒压P8的工作气流进人气室4，从喷嘴3与顶杆2组成的喷嘴挡板机构流人大气中。测量压力Pc进人波纹管1后，波纹管伸长，推动顶杆产生相应的位移。当测量压力Pc大到一定值后，使得顶杆与标谁喷嘴之间的间隙z等于零。这时，气室内的气流变成触发信号P，c，从输出口输出。即完成了测量信号变触发信号的转换。拧动螺钉5，可以调节喷嘴3的位置，这就可以决定在测量压力P。多大值时才有触发信号(P，c)的输出，也就调整了Pc的输出触发点。
可对容器液面位置进行检测控制。液面显示管3内放置一个带有磁钢5的浮子4，显示管外侧装了一个带有磁钢6的杠杆7。杠杆的另一个端面与测量喷嘴2组成喷嘴挡板机构。当液面位置发生变化时，浮子上的磁钢将上下移动，由于其位置的变化，就引起了两个磁钢之间吸引力的变化，从而引起挡板与喷嘴之间的间隙发生变化。
当液面最高时，两个磁钢的位置距离最近，杠杆摆动的幅度最大。设此时挡板完全盖住喷嘴，则输出压力Pc(即图l中的测量压力)等于工作气流压力Pg’且经气电转换器输出电信号，促使输液机构仃止工作。当液面位置「降时，吸引磁力下降，挡板渐渐离开喷嘴，输出压力Pc下降。当Pc下降到预先调定的某一值时，气电转换器即有电信号输出，接通输液机构向容器输液。
旋转轴6旋转时，在离心力作用下摆锤军向外扩张，使得滑环3向下移动。滑环的上端面是个平面，与测量喷嘴l组成喷嘴挡板机构。保持恒压Pg的工作气流从进气喷嘴2进入测量装置。当旋转轴转速不同而引起离心力变化时，滑环位置也就变化，滑环与喷嘴之间的间隙大小也就发生变化，从而引起输出压力Pc发生变化。若将Pc与气电转换器相连，通过相应的机构就可控制轴的转速范围。
在温度显示仪表的表盘上设置喷嘴挡板机构，便形成了温度控制装置，如图11所示。在动针上设置挡板，在定针上设置喷嘴，将气室内的测量压力Pc与气电转换器相连，随着温度升高，动针向定针转动并接近定针，当档板与喷嘴之间的距离进人设定的某个距离(如0.03毫米)时，其输出压力Pc为特定的输出信号，这时的气电转换器输出信号，控制加热设备仃止加热，实现对温度的控制。
利用电学中电桥原理可组成气桥系统，如图12所示。保持恒压Pg的工作气流进入测量系统后分成两路:一路经固定型节流孔(气阻为Rl〕和可调节流阀(气阻为R2)通入大气;另一路经可调节流阀(气阻为R3)进入测量装置，经过喷嘴挡板机构通人大气。若把喷嘴挡板机构的气阻定为R4，这就组成了气桥测量系统。
如果挡板(工件)的尺寸h为基本尺寸，则测量间隙z为理论标准量。调节气阻R2、R3可使C点和D点处的压力值相等，压力差为零。如果在C、D间接上U形管差压计，则两管的液面差为零，这就是测量的零位状态。但在实际零件加工中存在有加工误差，使得实际的测量间隙偏离理论标准量，造成气阻R4的变化，引起D处压力值的变化，在C、D两处产生压力差，并以U形管的液面差显示出来.
气桥系统常用于在线检测和控制某些加工产品的厚度，如纸张、塑料薄膜、玻璃板、冷轧钢板、铜铝等有色金属板材;还可检测各种冷拔丝的线径。在印刷机械工作时，还用来检测是否出现双张，以防止印刷时出现白页。
摘自：中国计量测控网
