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1、传感器结构原理与设计,机械工程学院仪器系 李云雷 Tel:2786982 办公室：新实验楼427,原理：气动测量+气电转换 结构组成： 气动量仪（关键部件：气动测头）气电转换部件,第九章 气电式传感器,被测量（尺寸大小）,气压变化,气流量变化,电信号,气电转换方式：电触式、光电式、电感式、电容式、压阻式 优点：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。 缺点：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0.21s），限制了检测速度。,第一节 气动测量的原理,气动测量原理：把被测尺寸量的变化转换为气室中压力的变化或管路中流量的变化。 气动测量
2、分类：压力式气动测量、流量式气动测量。,一、压力式气动测量原理 工作过程： 净化和稳压气体以工作压力Pg送入管路1，通过进气喷嘴2和气室4后，由测量喷嘴5喷入大气。 测量喷嘴与它前面的挡板或工件6之间的间隙变化时，代表了工件尺寸的变化，z越小，气室内压力Pc越大。 气室测量压力计算：,a流量系数； d测量喷嘴直径； d1进气嘴直径。,结论： Pc与z2成反比，为非线性系统，测量时应该利用特性曲线中间近似线性的部分； Pc=0.75 Pg的左右范围内变动，线性度较好； d1越大，灵敏度越小，但测量范围大。,第二节 气动测头,测头包括测量喷嘴，就是测量时感受被测几何量变化的机构。 种类：按测量方式
3、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。 一、喷嘴挡板结构 五种结构形式：平行式、不平行式、反射式、负压式和喷射式。,平行式：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面积不是喷嘴孔的截面积，而是以喷嘴孔截平面为底，间隙Z为高的圆柱体侧面，流出面积F=dz，流出流量为Q=vdz。,不平行式：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Q。它常用在气动塞规和卡规中测量轴和孔的尺寸。,反射式：输出压力比较低，但测量间隙较大，一般可达34mm。,负压式：靠高速气流的抽吸作用，把喷嘴d2内的空气带出，测量气室形成负压区
4、。线性范围不大于0.12mm。,气动测头应用： 气动赛规 应用：测量孔径； 结构：塞规体1、喷嘴孔、排气槽、管嘴2、管路、测量气室、导向头； 参数：喷嘴直径d（影响灵敏度和测量范围）；排气槽和下沉量（影响仪器稳定性）。,气动卡规 应用：测量外径尺寸； 结构：卡规体、喷嘴孔、管路、排气槽、V字形定位面等。,第三节 压力式气电传感器,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。 类型：液柱式、膜片式、膜盒式和波纹管式等。 一、膜片式气电传感器 1、工作原理 过滤稳压器1过滤的恒压气体进入两路系统： 下喷嘴11、下气室和测量喷嘴9，工件10组成的气动测
5、量系统； 上喷嘴2、上气室、锥杆3与出气环7之间的的环形出气间隙组成平衡气路系统。,膜片式气电传感器工作原理 1、过滤稳压器 2（11）、进气喷嘴 3、锥杆 4、弹簧 5、指示表 6、电触点副 7、出气环 8、金属膜片 9、测量喷嘴 10、工件,测量间隙z改变时，引起下气室压力的变化，于是金属膜片8失去原来的平衡状态，使膜片位移带动锥杆3移动，使环形气隙7变化，直到上下气室的压力重新平衡为止。 测量间隙z的微小变化可以引起锥杆3较大位移，并传到指示表5，由指示表指示出工件尺寸的变化值，同时电触点副6可以发生相应的电信号。 弹簧4产生指示表的测力，使表头和锥杆3可靠地接触。,2、传感器结构,膜片
6、式气电传感器结构 1、金属膜片 2、进气喷嘴 3、锥杆 4、出气环 5、电触点副（四对） 6、指示表 7、信号灯 8、测量喷嘴,特点： （1）工作压力pg=4105N/m2，高压薄膜气动量仪； （2）四对电触点副，信号灯显示状态，触点副间隙可由螺钉调节； （3）指示表放大倍数，机械部分（100）气动部分（10），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。,3、测量电路,（1）四路晶体管继电器电路； （2）S2测量开关； （3） Sg动触点； （4）Sa、 Sb、 Sc、 Sd四个可调整的定触点。,二、波纹管式气电传感器的工作原理 背压式 经过净化和稳压后的工作压
7、力为Pg的压缩空气由管路1送来，进气喷嘴2和测量喷嘴6组成背压式测量系统。 被测工件尺寸改变引起测量间隙z变化，测量压力Pc随之变化，因而使波纹管伸缩变形并带动磁芯5在电感线圈4中移动。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。 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。,1管路 2进气喷嘴 3波纹管 4电感线圈 5磁心 6测量喷嘴,差压式 工作压力为pg的压缩空气进来后分为两路，一路经进气喷嘴1进入波纹管3的内腔，并由可调排气喷嘴5排向大气； 另一路经进气喷嘴2进到波纹管3的外腔，经测量喷嘴4喷出。 工件尺寸的变化经测量间隙z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。,波纹管气电传感器结构（差压式）,1、左管嘴 2、左喷嘴 3、右喷嘴 4、右管嘴 5、波纹管 6、排气喷嘴,带电触点副的波纹管气动量仪 1（5）、波纹管 2、电触点 3、框架 4、指针 6、测量喷嘴 7（8）、进气喷嘴 9、可调喷嘴,
