第九章 氣電式傳感器

1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院傳感器結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)機(jī)械工程學(xué)院儀器系機(jī)械工程學(xué)院儀器系李云雷李云雷Tel:2786982 Tel:2786982 辦公室：新實(shí)驗(yàn)樓辦公室：新實(shí)驗(yàn)樓427427山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l原理：原理：氣動(dòng)測量氣動(dòng)測量 + + 氣電轉(zhuǎn)換氣電轉(zhuǎn)換 l結(jié)構(gòu)組成：結(jié)構(gòu)組成： 氣動(dòng)量儀（關(guān)鍵部件：氣動(dòng)測頭）氣電轉(zhuǎn)換部件氣動(dòng)量儀（關(guān)鍵部件：氣動(dòng)測頭）氣電轉(zhuǎn)換部件 第九章第九章 氣電式傳感器氣電式傳感器被測量（尺寸大?。┍粶y量（尺寸大小）氣壓變化氣壓變化氣流量變化氣流量變化電信號(hào)電信號(hào)山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l氣電轉(zhuǎn)換方式氣電轉(zhuǎn)換方式：電觸式、光電式、電感式、電容式、壓：電觸式

2、、光電式、電感式、電容式、壓阻式阻式 l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：非接觸測量，測量精度高，可以進(jìn)行兩個(gè)尺寸差非接觸測量，測量精度高，可以進(jìn)行兩個(gè)尺寸差值、平均值以及復(fù)雜形狀綜合參數(shù)測量。值、平均值以及復(fù)雜形狀綜合參數(shù)測量。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要凈化的恒壓氣源，對(duì)穩(wěn)壓氣源較難獲得；動(dòng)需要凈化的恒壓氣源，對(duì)穩(wěn)壓氣源較難獲得；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間比較長（約態(tài)響應(yīng)時(shí)間比較長（約0.20.21s1s），限制了檢測速度。），限制了檢測速度。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 氣動(dòng)測量的原理氣動(dòng)測量的原理n 氣動(dòng)測量原理：氣動(dòng)測量原理：把被測尺寸量的變化轉(zhuǎn)換為氣室中壓力的把被測尺寸量的變化轉(zhuǎn)換為氣室中壓力的變化或管路中流量的變化。變

3、化或管路中流量的變化。n 氣動(dòng)測量分類：氣動(dòng)測量分類：壓力式氣動(dòng)測量壓力式氣動(dòng)測量、流量式氣動(dòng)測量。、流量式氣動(dòng)測量。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、壓力式氣動(dòng)測量原理一、壓力式氣動(dòng)測量原理n工作過程：工作過程：n凈化和穩(wěn)壓氣體以工作壓力凈化和穩(wěn)壓氣體以工作壓力P Pg g送入管路送入管路1 1，通過進(jìn)氣，通過進(jìn)氣噴嘴噴嘴2 2和氣室和氣室4 4后，由測量噴嘴后，由測量噴嘴5 5噴入大氣。噴入大氣。n測量噴嘴與它前面的擋板或工件測量噴嘴與它前面的擋板或工件6 6之間的間隙變化時(shí)，之間的間隙變化時(shí)，代表了工件尺寸的變化，代表了工件尺寸的變化，z z越小，氣室內(nèi)壓力越小，氣室內(nèi)壓力P Pc c越大。越大。

4、n氣室測量壓力計(jì)算：氣室測量壓力計(jì)算：aa流量系數(shù)；流量系數(shù)；dd測量噴嘴直徑；測量噴嘴直徑；d d1 1進(jìn)氣嘴直徑。進(jìn)氣嘴直徑。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院n結(jié)論：結(jié)論：nP Pc c與與z z2 2成反比，為成反比，為非線非線性系統(tǒng)性系統(tǒng)，測量時(shí)應(yīng)該利，測量時(shí)應(yīng)該利用特性曲線中間近似線用特性曲線中間近似線性的部分；性的部分；nP Pc c=0.75 P=0.75 Pg g的左右范圍的左右范圍內(nèi)變動(dòng)，線性度較好；內(nèi)變動(dòng)，線性度較好；nd d1 1越大，靈敏度越小，越大，靈敏度越小，但測量范圍大。但測量范圍大。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第二節(jié)第二節(jié) 氣動(dòng)測頭氣動(dòng)測頭l測頭包括測量噴嘴，就是測量時(shí)感受被測幾何

5、量變化的測頭包括測量噴嘴，就是測量時(shí)感受被測幾何量變化的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)。l種類：按測量方式不同，分為非接觸式和接觸式兩類；種類：按測量方式不同，分為非接觸式和接觸式兩類；按其結(jié)構(gòu)原理來分，有噴嘴擋板和閥式。按其結(jié)構(gòu)原理來分，有噴嘴擋板和閥式。一、噴嘴擋板結(jié)構(gòu)一、噴嘴擋板結(jié)構(gòu) 五種結(jié)構(gòu)形式：平行式、不平行式、反射式、負(fù)壓式和五種結(jié)構(gòu)形式：平行式、不平行式、反射式、負(fù)壓式和噴射式。噴射式。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l平行式：平行式：噴嘴為平端面，擋板是被測構(gòu)件的平面。當(dāng)噴噴嘴為平端面，擋板是被測構(gòu)件的平面。當(dāng)噴嘴固定，被測構(gòu)件尺寸變化時(shí)，噴氣口氣體流入大氣的嘴固定，被測構(gòu)件尺寸變化時(shí)，噴

6、氣口氣體流入大氣的面積不是噴嘴孔的截面積，而是以噴嘴孔截平面為底，面積不是噴嘴孔的截面積，而是以噴嘴孔截平面為底，間隙間隙Z Z為高的圓柱體側(cè)面，流出面積為高的圓柱體側(cè)面，流出面積F=dzF=dz，流出流量，流出流量為為Q=vdzQ=vdz。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院不平行式：不平行式：噴嘴孔的截面積可根據(jù)幾何關(guān)系，等效為平噴嘴孔的截面積可根據(jù)幾何關(guān)系，等效為平行擋板的流出流量行擋板的流出流量Q Q。它常用在氣動(dòng)塞規(guī)和卡規(guī)中測量。它常用在氣動(dòng)塞規(guī)和卡規(guī)中測量軸和孔的尺寸。軸和孔的尺寸。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院反射式：反射式：輸出壓力比較低，但測量間隙較大，一般可達(dá)輸出壓力比較低，但測量間隙較大，一般可

7、達(dá)34mm。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院負(fù)壓式：負(fù)壓式：靠高速氣流的抽吸作用，把噴嘴靠高速氣流的抽吸作用，把噴嘴d2內(nèi)的空氣帶內(nèi)的空氣帶出，測量氣室形成負(fù)壓區(qū)。線性范圍不大于出，測量氣室形成負(fù)壓區(qū)。線性范圍不大于0.12mm。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院氣動(dòng)測頭應(yīng)用：氣動(dòng)測頭應(yīng)用：氣動(dòng)賽規(guī)氣動(dòng)賽規(guī) 應(yīng)用：應(yīng)用：測量孔徑；測量孔徑； 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：塞規(guī)體塞規(guī)體1 1、噴嘴孔、排氣槽、管嘴、噴嘴孔、排氣槽、管嘴2 2、管路、測量、管路、測量氣室、導(dǎo)向頭；氣室、導(dǎo)向頭； 參數(shù)：參數(shù)：噴嘴直徑噴嘴直徑d d（影響靈敏度和測量范圍）；排氣槽（影響靈敏度和測量范圍）；排氣槽和下沉量和下沉量（影響儀器穩(wěn)定性）。（影響儀器

8、穩(wěn)定性）。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院氣動(dòng)卡規(guī)氣動(dòng)卡規(guī) 應(yīng)用：應(yīng)用：測量外徑尺寸；測量外徑尺寸； 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：卡規(guī)體、噴嘴孔、管路、排氣槽、卡規(guī)體、噴嘴孔、管路、排氣槽、V V字形定位面等。字形定位面等。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第三節(jié)第三節(jié) 壓力式氣電傳感器壓力式氣電傳感器l壓力式氣電傳感器是在壓力式氣動(dòng)測量的基礎(chǔ)上，再加壓力式氣電傳感器是在壓力式氣動(dòng)測量的基礎(chǔ)上，再加上氣電轉(zhuǎn)換元件，將氣室壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。上氣電轉(zhuǎn)換元件，將氣室壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 l類型：類型：液柱式、液柱式、膜片式膜片式、膜盒式和、膜盒式和波紋管

9、式波紋管式等。等。 一、膜片式氣電傳感器一、膜片式氣電傳感器1 1、工作原理、工作原理過濾穩(wěn)壓器過濾穩(wěn)壓器1 1過濾的恒壓氣體進(jìn)入兩路系統(tǒng)：過濾的恒壓氣體進(jìn)入兩路系統(tǒng)：下噴嘴下噴嘴1111、下氣室和測量噴嘴、下氣室和測量噴嘴9 9，工件，工件1010組成的組成的氣動(dòng)測量系統(tǒng)氣動(dòng)測量系統(tǒng)；上噴嘴上噴嘴2 2、上氣室、錐桿、上氣室、錐桿3 3與出氣環(huán)與出氣環(huán)7 7之間的的環(huán)形出氣間隙組成之間的的環(huán)形出氣間隙組成平衡氣路系統(tǒng)平衡氣路系統(tǒng)。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院膜片式氣電傳感器工作原理膜片式氣電傳感器工作原理1 1、過濾穩(wěn)壓器、過濾穩(wěn)壓器 2 2（1111）、進(jìn)氣噴嘴）、進(jìn)氣噴嘴 3 3、錐桿、錐桿

10、4 4、彈簧、彈簧 5 5、指示表、指示表6 6、電觸點(diǎn)副、電觸點(diǎn)副 7 7、出氣環(huán)、出氣環(huán) 8 8、金屬膜片、金屬膜片 9 9、測量噴嘴、測量噴嘴 1010、工件、工件山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 測量間隙測量間隙z z改變時(shí)，引起下氣室壓力的變化，于是改變時(shí)，引起下氣室壓力的變化，于是金屬膜金屬膜片片8 8失去原來的平衡狀態(tài)，使膜片位移帶動(dòng)錐桿失去原來的平衡狀態(tài)，使膜片位移帶動(dòng)錐桿3 3移動(dòng)，使移動(dòng)，使環(huán)形氣隙環(huán)形氣隙7 7變化，變化，直到上下氣室的壓力重新平衡為止直到上下氣室的壓力重新平衡為止。 測量間隙測量間隙z z的微小變化可以引起錐桿的微小變化可以引起錐桿3 3較大位移，并傳到指較大位移，

11、并傳到指示表示表5 5，由指示表指示出工件尺寸的變化值，同時(shí)電觸點(diǎn)，由指示表指示出工件尺寸的變化值，同時(shí)電觸點(diǎn)副副6 6可以發(fā)生相應(yīng)的電信號(hào)?？梢园l(fā)生相應(yīng)的電信號(hào)。 彈簧彈簧4 4產(chǎn)生指示表的測力，使表頭和錐桿產(chǎn)生指示表的測力，使表頭和錐桿3 3可靠地接觸。可靠地接觸。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院2 2、傳感器結(jié)構(gòu)、傳感器結(jié)構(gòu)膜片式氣電傳感器結(jié)構(gòu)膜片式氣電傳感器結(jié)構(gòu)1 1、金屬膜片、金屬膜片 2 2、進(jìn)氣噴嘴、進(jìn)氣噴嘴 3 3、錐桿、錐桿 4 4、出氣環(huán)、出氣環(huán) 5 5、電觸點(diǎn)副（四對(duì)）、電觸點(diǎn)副（四對(duì)）6 6、指示表、指示表7 7、信號(hào)燈、信號(hào)燈8 8、測量噴嘴、測量噴嘴山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院特點(diǎn)：

12、特點(diǎn)：（1）工作壓力）工作壓力pg=4105N/m2，高壓薄膜氣動(dòng)量儀；，高壓薄膜氣動(dòng)量儀；（2）四對(duì)電觸點(diǎn)副，信號(hào)燈顯示狀態(tài)，觸點(diǎn)副間隙可由螺）四對(duì)電觸點(diǎn)副，信號(hào)燈顯示狀態(tài)，觸點(diǎn)副間隙可由螺釘調(diào)節(jié)；釘調(diào)節(jié)；（3）指示表放大倍數(shù)，機(jī)械部分（）指示表放大倍數(shù)，機(jī)械部分（100）氣動(dòng)部分（氣動(dòng)部分（10），），分度值分度值0.001mm。（4）高壓可吹凈工件表面，適于加工過程的自動(dòng)測量。）高壓可吹凈工件表面，適于加工過程的自動(dòng)測量。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院3 3、測量電路、測量電路（1）四路晶體管繼電器電路；）四路晶體管繼電器電路；（2）S2測量開關(guān)；測量開關(guān)；（3） Sg動(dòng)觸點(diǎn)；動(dòng)觸點(diǎn)；（4）Sa、

13、 Sb、 Sc、 Sd四個(gè)可調(diào)整的定觸點(diǎn)。四個(gè)可調(diào)整的定觸點(diǎn)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、波紋管式氣電傳感器的工作原理二、波紋管式氣電傳感器的工作原理n 背壓式背壓式l經(jīng)過凈化和穩(wěn)壓后的工作壓力為經(jīng)過凈化和穩(wěn)壓后的工作壓力為P Pg g的壓縮空氣由管路的壓縮空氣由管路1 1送來，進(jìn)氣噴嘴送來，進(jìn)氣噴嘴2 2和測量噴嘴和測量噴嘴6 6組成背壓式測量系統(tǒng)。組成背壓式測量系統(tǒng)。l被測工件尺寸改變引起測量間隙被測工件尺寸改變引起測量間隙z z變化，測量壓力變化，測量壓力P Pc c隨隨之變化，因而使波紋管伸縮變形并帶動(dòng)磁芯之變化，因而使波紋管伸縮變形并帶動(dòng)磁芯5 5在電感線在電感線圈圈4 4中移動(dòng)。這樣就

14、把被測尺寸的微小變化轉(zhuǎn)換成電感中移動(dòng)。這樣就把被測尺寸的微小變化轉(zhuǎn)換成電感線圈中的電感量的變化。線圈中的電感量的變化。l最后經(jīng)電路處理并指示出被測尺寸的變化值和發(fā)出控最后經(jīng)電路處理并指示出被測尺寸的變化值和發(fā)出控制信號(hào)。制信號(hào)。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院p pc c11管路管路22進(jìn)氣噴嘴進(jìn)氣噴嘴33波紋管波紋管44電感線圈電感線圈55磁心磁心66測量噴嘴測量噴嘴山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院n 差壓式差壓式l工作壓力為工作壓力為p pg g的壓縮空氣進(jìn)來后分為兩路，一路經(jīng)進(jìn)氣的壓縮空氣進(jìn)來后分為兩路，一路經(jīng)進(jìn)氣噴嘴噴嘴1 1進(jìn)入波紋管進(jìn)入波紋管3 3的內(nèi)腔，并由可調(diào)排氣噴嘴的內(nèi)腔，并由可調(diào)排氣噴嘴5 5排向大排向大氣；氣；l另一路經(jīng)進(jìn)氣噴嘴另一路經(jīng)進(jìn)氣噴嘴2 2進(jìn)到波紋管進(jìn)到波紋管3 3的外腔，經(jīng)測量噴嘴的外腔，經(jīng)測量噴嘴4 4噴出。噴出。l工件尺寸的變化經(jīng)測量間隙工件尺寸的變化經(jīng)測量間隙z z改變了波紋管內(nèi)外腔原來改變了波紋管內(nèi)外腔原來的壓力差，使波紋管伸縮變形而帶動(dòng)磁芯位移。的壓力差，使波紋管伸縮變形而帶動(dòng)磁芯位移。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院差壓式測量電路差壓式測量電路11進(jìn)氣噴嘴進(jìn)氣噴嘴22進(jìn)氣噴嘴進(jìn)氣噴嘴33波紋管波紋管44測量噴嘴測量噴嘴55可調(diào)排氣噴嘴可調(diào)排氣噴嘴山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院n 波