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1、山东理工大学机械学院传感器结构原理与设计传感器结构原理与设计机械工程学院仪器系机械工程学院仪器系李云雷李云雷Tel:2786982 Tel:2786982 办公室：新实验楼办公室：新实验楼427427山东理工大学机械学院l原理：原理：气动测量气动测量+气电转换气电转换 l结构组成：结构组成：气动量仪（关键部件：气动测头）气电转换部件气动量仪（关键部件：气动测头）气电转换部件 第九章第九章 气电式传感器气电式传感器被测量（尺寸大小）被测量（尺寸大小）气压变化气压变化气流量变化气流量变化电信号电信号山东理工大学机械学院l气电转换方式气电转换方式：电触式、光电式、电感式、电容式、压：电触式、光电式、
2、电感式、电容式、压阻式阻式 l优点：优点：非接触测量，测量精度高，可以进行两个尺寸差非接触测量，测量精度高，可以进行两个尺寸差值、平均值以及复杂形状综合参数测量。值、平均值以及复杂形状综合参数测量。l缺点：缺点：需要净化的恒压气源，对稳压气源较难获得；动需要净化的恒压气源，对稳压气源较难获得；动态响应时间比较长（约态响应时间比较长（约0.20.21s1s），限制了检测速度。），限制了检测速度。山东理工大学机械学院第一节第一节 气动测量的原理气动测量的原理n气动测量原理：气动测量原理：把被测尺寸量的变化转换为气室中压力的把被测尺寸量的变化转换为气室中压力的变化或管路中流量的变化。变化或管路中流量
3、的变化。n气动测量分类：气动测量分类：压力式气动测量压力式气动测量、流量式气动测量。、流量式气动测量。山东理工大学机械学院一、压力式气动测量原理一、压力式气动测量原理n工作过程：工作过程：净化和稳压气体以工作压力净化和稳压气体以工作压力P Pg g送入管路送入管路1 1，通过进气，通过进气喷嘴喷嘴2 2和气室和气室4 4后，由测量喷嘴后，由测量喷嘴5 5喷入大气。喷入大气。测量喷嘴与它前面的挡板或工件测量喷嘴与它前面的挡板或工件6 6之间的间隙变化时，之间的间隙变化时，代表了工件尺寸的变化，代表了工件尺寸的变化，z z越小，气室内压力越小，气室内压力P Pc c越大。越大。n气室测量压力计算：
4、气室测量压力计算：aa流量系数；流量系数；dd测量喷嘴直径；测量喷嘴直径；d d1 1进气嘴直径。进气嘴直径。山东理工大学机械学院n结论：结论：P Pc c与与z z2 2成反比，为成反比，为非线非线性系统性系统，测量时应该利，测量时应该利用特性曲线中间近似线用特性曲线中间近似线性的部分；性的部分；P Pc c=0.75 P=0.75 Pg g的左右范围的左右范围内变动，线性度较好；内变动，线性度较好；d d1 1越大，灵敏度越小，越大，灵敏度越小，但测量范围大。但测量范围大。山东理工大学机械学院第二节第二节 气动测头气动测头l测头包括测量喷嘴，就是测量时感受被测几何量变化的测头包括测量喷嘴，
5、就是测量时感受被测几何量变化的机构。机构。l种类：按测量方式不同，分为非接触式和接触式两类；种类：按测量方式不同，分为非接触式和接触式两类；按其结构原理来分，有喷嘴挡板和阀式。按其结构原理来分，有喷嘴挡板和阀式。一、喷嘴挡板结构一、喷嘴挡板结构 五种结构形式：平行式、不平行式、反射式、负压式和五种结构形式：平行式、不平行式、反射式、负压式和喷射式。喷射式。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院1.1.平行式：平行式：喷嘴为平端面，挡板是被测构件的平面。当喷喷嘴为平端面，挡板是被测构件的平面。当喷嘴固定，被测构件尺寸变化时，喷气口气体流入大气的嘴固定，被测构件尺寸变化时，喷气口气体流入大气的面
6、积不是喷嘴孔的截面积，而是以喷嘴孔截平面为底，面积不是喷嘴孔的截面积，而是以喷嘴孔截平面为底，间隙间隙Z Z为高的圆柱体侧面，流出面积为高的圆柱体侧面，流出面积F=F=dzdz，流出流量，流出流量为为Q=Q=vdzvdz。山东理工大学机械学院2.2.不平行式：不平行式：喷嘴孔的截面积可根据几何关系，等效为平喷嘴孔的截面积可根据几何关系，等效为平行挡板的流出流量行挡板的流出流量Q Q。它常用在气动塞规和卡规中测量。它常用在气动塞规和卡规中测量轴和孔的尺寸。轴和孔的尺寸。山东理工大学机械学院3.3.反射式：反射式：输出压力比较低，但测量间隙较大，一般可达输出压力比较低，但测量间隙较大，一般可达34
7、mm。山东理工大学机械学院4.4.负压式：负压式：靠高速气流的抽吸作用，把喷嘴靠高速气流的抽吸作用，把喷嘴d2内的空气带内的空气带出，测量气室形成负压区。线性范围不大于出，测量气室形成负压区。线性范围不大于0.12mm。山东理工大学机械学院气动测头应用：气动测头应用：气动赛规气动赛规 应用：应用：测量孔径；测量孔径；结构：结构：塞规体塞规体1 1、喷嘴孔、排气槽、管嘴、喷嘴孔、排气槽、管嘴2 2、管路、测量、管路、测量气室、导向头；气室、导向头；参数：参数：喷嘴直径喷嘴直径d d（影响灵敏度和测量范围）；排气槽（影响灵敏度和测量范围）；排气槽和下沉量和下沉量（影响仪器稳定性）。（影响仪器稳定性
8、）。山东理工大学机械学院气动卡规气动卡规 应用：应用：测量外径尺寸；测量外径尺寸；结构：结构：卡规体、喷嘴孔、管路、排气槽、卡规体、喷嘴孔、管路、排气槽、V V字形定位面等。字形定位面等。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院第三节第三节 压力式气电传感器压力式气电传感器l压力式气电传感器是在压力式气动测量的基础上，再加压力式气电传感器是在压力式气动测量的基础上，再加上气电转换元件，将气室压力转换为电信号输出。上气电转换元件，将气室压力转换为电信号输出。l类型：类型：液柱式、液柱式、膜片式膜片式、膜盒式和、膜盒式和波纹管式波纹管式等
9、。等。一、膜片式气电传感器一、膜片式气电传感器1 1、工作原理、工作原理过滤稳压器过滤稳压器1 1过滤的恒压气体进入两路系统：过滤的恒压气体进入两路系统：下喷嘴下喷嘴1111、下气室和测量喷嘴、下气室和测量喷嘴9 9，工件，工件1010组成的组成的气动测量系统气动测量系统；上喷嘴上喷嘴2 2、上气室、锥杆、上气室、锥杆3 3与出气环与出气环7 7之间的的环形出气间隙组成之间的的环形出气间隙组成平衡气路系统平衡气路系统。山东理工大学机械学院膜片式气电传感器工作原理膜片式气电传感器工作原理1 1、过滤稳压器、过滤稳压器 2 2（1111）、进气喷嘴）、进气喷嘴 3 3、锥杆、锥杆 4 4、弹簧、弹
10、簧 5 5、指示表、指示表6 6、电触点副、电触点副 7 7、出气环、出气环 8 8、金属膜片、金属膜片 9 9、测量喷嘴、测量喷嘴 10 10、工件、工件山东理工大学机械学院测量间隙测量间隙z z改变时，引起下气室压力的变化，于是改变时，引起下气室压力的变化，于是金属膜金属膜片片8 8失去原来的平衡状态，使膜片位移带动锥杆失去原来的平衡状态，使膜片位移带动锥杆3 3移动，使移动，使环形气隙环形气隙7 7变化，变化，直到上下气室的压力重新平衡为止直到上下气室的压力重新平衡为止。测量间隙测量间隙z z的微小变化可以引起锥杆的微小变化可以引起锥杆3 3较大位移，并传到指较大位移，并传到指示表示表5
11、 5，由指示表指示出工件尺寸的变化值，同时电触点，由指示表指示出工件尺寸的变化值，同时电触点副副6 6可以发生相应的电信号。可以发生相应的电信号。弹簧弹簧4 4产生指示表的测力，使表头和锥杆产生指示表的测力，使表头和锥杆3 3可靠地接触。可靠地接触。山东理工大学机械学院2 2、传感器结构、传感器结构膜片式气电传感器结构膜片式气电传感器结构1 1、金属膜片、金属膜片 2 2、进气喷嘴、进气喷嘴 3 3、锥杆、锥杆 4 4、出气环、出气环 5 5、电触点副（四对）、电触点副（四对）6 6、指示表、指示表7 7、信号灯、信号灯8 8、测量喷嘴、测量喷嘴山东理工大学机械学院特点：特点：（1）工作压力）
12、工作压力pg=4105N/m2，高压薄膜气动量仪；，高压薄膜气动量仪；（2）四对电触点副，信号灯显示状态，触点副间隙可由螺）四对电触点副，信号灯显示状态，触点副间隙可由螺钉调节；钉调节；（3）指示表放大倍数，机械部分（）指示表放大倍数，机械部分（100）气动部分（气动部分（10），），分度值分度值0.001mm。（4）高压可吹净工件表面，适于加工过程的自动测量。）高压可吹净工件表面，适于加工过程的自动测量。山东理工大学机械学院3 3、测量电路、测量电路（1）四路晶体管继电器电路；）四路晶体管继电器电路；（2）S2测量开关；测量开关；（3）Sg动触点；动触点；（4）Sa、Sb、Sc、Sd四个可调
13、整的定触点。四个可调整的定触点。山东理工大学机械学院二、波纹管式气电传感器的工作原理二、波纹管式气电传感器的工作原理n背压式背压式l经过净化和稳压后的工作压力为经过净化和稳压后的工作压力为P Pg g的压缩空气由管路的压缩空气由管路1 1送来，进气喷嘴送来，进气喷嘴2 2和测量喷嘴和测量喷嘴6 6组成背压式测量系统。组成背压式测量系统。l被测工件尺寸改变引起测量间隙被测工件尺寸改变引起测量间隙z z变化，测量压力变化，测量压力P Pc c随随之变化，因而使波纹管伸缩变形并带动磁芯之变化，因而使波纹管伸缩变形并带动磁芯5 5在电感线在电感线圈圈4 4中移动。这样就把被测尺寸的微小变化转换成电感中
14、移动。这样就把被测尺寸的微小变化转换成电感线圈中的电感量的变化。线圈中的电感量的变化。l最后经电路处理并指示出被测尺寸的变化值和发出控最后经电路处理并指示出被测尺寸的变化值和发出控制信号。制信号。山东理工大学机械学院p pc c11管路管路22进气喷嘴进气喷嘴33波纹管波纹管44电感线圈电感线圈55磁心磁心66测量喷嘴测量喷嘴山东理工大学机械学院n差压式差压式l工作压力为工作压力为p pg g的压缩空气进来后分为两路，一路经进气的压缩空气进来后分为两路，一路经进气喷嘴喷嘴1 1进入波纹管进入波纹管3 3的内腔，并由可调排气喷嘴的内腔，并由可调排气喷嘴5 5排向大排向大气；气；l另一路经进气喷嘴
15、另一路经进气喷嘴2 2进到波纹管进到波纹管3 3的外腔，经测量喷嘴的外腔，经测量喷嘴4 4喷出。喷出。l工件尺寸的变化经测量间隙工件尺寸的变化经测量间隙z z改变了波纹管内外腔原来改变了波纹管内外腔原来的压力差，使波纹管伸缩变形而带动磁芯位移。的压力差，使波纹管伸缩变形而带动磁芯位移。山东理工大学机械学院n波纹管气电传感器结构（差压式）波纹管气电传感器结构（差压式）1 1、左管嘴、左管嘴 2 2、左喷嘴、左喷嘴 3 3、右喷嘴、右喷嘴 4 4、右管嘴、右管嘴5 5、波纹管、波纹管 6 6、排气喷嘴、排气喷嘴山东理工大学机械学院带电触点副的波纹管气动量仪带电触点副的波纹管气动量仪1 1（5 5）、波纹管）、波纹管 2 2、电触点、电触点 3 3、框架、框架 4 4、指针、指针 6 6、测量喷嘴、测量喷嘴 7 7（8 8）、进气喷嘴）、进气喷嘴 9 9、可调喷嘴、可调喷嘴