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        摘　要：本文主要介紹了活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，為了減少不同因素的影響、方便量值溯源與傳遞，本裝置需額外配置一套光柵尺系統(tǒng)進(jìn)行位移量修正。經(jīng)重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，影響光柵尺性能的主要因素有流量、光柵尺的安裝方式、活塞與活塞缸體的加工精度及潤(rùn)滑條件等，最后提出建議，為今后活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的進(jìn)一步完善提供參考。

      關(guān)鍵詞：活塞式；光柵尺；重復(fù)性
   
      ０　前言
   
      光柵尺，也稱(chēng)為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。本文主要將光柵尺應(yīng)用于活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，測(cè)量活塞的位移量Ｌ，能夠方便、可靠的進(jìn)行量值傳遞與溯源活動(dòng)。
 
      １　、活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理
   
      ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是利用活塞的運(yùn)動(dòng)，將裝置氣室內(nèi)（活塞缸）的氣體通過(guò)管路以恒定的壓力和流量流向被檢流量計(jì)，以活塞運(yùn)動(dòng)一定距離排出氣體的體積值作為標(biāo)準(zhǔn)體積流量，與流量計(jì)的示值相比較，從而得出流量計(jì)的示值誤差。原理和結(jié)構(gòu)示意圖如下：
 
 

      圖１　ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
     
      如圖１ 所示，裝置工作時(shí)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，氣室內(nèi)氣體壓力經(jīng)過(guò)一個(gè)上升過(guò)程后逐步達(dá)到穩(wěn)定值，以此為起點(diǎn)，隨著活塞的繼續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，氣室的容積逐漸減少，氣室內(nèi)的氣體通過(guò)管路、流量計(jì)排出，排出氣體的體積等于氣室的體積減少值。
 
      因此，標(biāo)準(zhǔn)體積流量Ｖ＝活塞缸的截面積Ｓ位移量Ｌ，活塞缸的截面積在活塞缸加工完成后用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器測(cè)得，并認(rèn)為是固定不變的；而位移在工作中是不斷變化的，本裝置采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量位移，同時(shí)它在測(cè)量過(guò)程中輸出的脈沖信號(hào)可供測(cè)控系統(tǒng)計(jì)算位移并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但影響位移量的因素很多，如絲杠的精度、編碼器的準(zhǔn)確度（存在丟步現(xiàn)象）、減速器及步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性等，為了減少不同因素的影響、方便量值溯源與傳遞，本裝置額外配置一套光柵尺系統(tǒng)進(jìn)行位移量修正。
 
      ２、　光柵尺的安裝與重復(fù)性試驗(yàn)
 
      ２.１　光柵尺的安裝

      本文采用的光柵尺ＫＡ －３００（如圖２），由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標(biāo)尺光柵直接固定在頂板和缸體面板合適的位置上，根據(jù)光柵讀數(shù)頭的不同安裝位置，涉及兩種安裝方式：（１）中心位置（軟連接）安裝，即將光柵尺的讀數(shù)頭通過(guò)連接金屬片固定在導(dǎo)向板（注：導(dǎo)向板隨活塞一起運(yùn)動(dòng)）的中心處，沿垂直標(biāo)尺光柵隨導(dǎo)向板上下移動(dòng)；（２）直接將光柵尺的讀數(shù)頭固定在導(dǎo)向板上，不需要金屬片連接，又稱(chēng)之為硬連接。
  
  

     
  
                                圖２　光柵尺ＫＡ －３００
 
 
                  表１　每一流量點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果（軟連接）

  
  
      ２.２　、重復(fù)性試驗(yàn)
 
      根據(jù)ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)

      根據(jù)編碼器采集到的脈沖信號(hào)，換算出活塞的位移量Ｌ（ｍｍ／２０４８ 個(gè)脈沖）；由光柵尺采集到的位移量Ｌ′再換算出脈沖數(shù)Ｎ；選擇Ｎ 的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為光柵尺重復(fù)性的驗(yàn)證指標(biāo)。
 
      ３　、試驗(yàn)結(jié)果與分析
 
      ３.１　、試驗(yàn)結(jié)果
 
      在不同試驗(yàn)條件下，由計(jì)算機(jī)直接采集到數(shù)據(jù)Ｌ 和Ｌ′，根據(jù)以下公式（１）、（２）、（３）得出表１、表２。

  
      
  
      表２　測(cè)量段（２０ ～４０）Ｌ、（４０ ～６０）Ｌ 的試驗(yàn)結(jié)果（軟連接）
  
     
  
      ３.２　、結(jié)果分析
 
由表１ 數(shù)據(jù)可以得出：隨著流量點(diǎn)的增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差
也隨之增大（如圖３），即光柵尺的穩(wěn)定性及重復(fù)性降低。
 
 
         表３　０５ｍ３ ／ｈ、１ｍ３ ／ｈ 下的試驗(yàn)結(jié)果（硬連接）

     
  
  
                  表４　不利條件下注運(yùn)行活塞的試驗(yàn)結(jié)果（硬連接）
  

      
  
                    圖３　標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與流量點(diǎn)的關(guān)系
 
   
      由表２ 數(shù)據(jù)可以得出：相同的流量下，在不同的測(cè)量段測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差存在差距，說(shuō)明活塞、活塞缸體的加工精度以及周?chē)h(huán)境的變化都會(huì)對(duì)光柵尺的穩(wěn)定性、重復(fù)性造成影響。由表３ 數(shù)據(jù)可以得出：無(wú)論是硬連接還是軟連接，小流量點(diǎn)下，光柵尺的性能很穩(wěn)定；另外，軟連接由于金屬片隨活塞上下移動(dòng)，受力變形，會(huì)產(chǎn)生輕微抖動(dòng)，導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。由表４ 數(shù)據(jù)可以得出：活塞在潤(rùn)滑條件下降，活塞所受阻力增大，將會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，尤其是大流量點(diǎn)（≥３ｍ３ ／ｈ）運(yùn)行時(shí)，脈沖數(shù)Ｎ變化很大；相反，小流量點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，影響不大。
 

      ４　、結(jié)論與建議
 
      結(jié)論：光柵尺的穩(wěn)定性跟流量有關(guān)，隨著流量的增大，穩(wěn)定性降低；其次，穩(wěn)定性跟光柵尺的安裝方式有關(guān)，硬連接能有效提高其穩(wěn)定性，但軟連接能緩沖由于裝置震動(dòng)帶來(lái)的損壞，對(duì)光柵尺起到一定的保護(hù)作用；還有就是通過(guò)試驗(yàn)可以得出活塞、活塞缸體的加工精度以及周?chē)h(huán)境的變化對(duì)光柵尺的穩(wěn)定性造成影響，尤其是潤(rùn)滑條件下降，大流量運(yùn)行時(shí)，裝置會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，使光柵尺的使用壽命降低以及活塞、活塞缸體的加速磨損，導(dǎo)致密封性能降低、氣體泄漏量增大，最終裝置失準(zhǔn)。
 
      建議：對(duì)活塞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，添加注油口，定期加注潤(rùn)滑油，保持良好的潤(rùn)滑環(huán)境，避免或消弱由于活塞與活塞缸體的干摩擦引起的震動(dòng)，并在活塞缸體內(nèi)壁加工出回油槽，定期清理廢油，防止?jié)櫥碗S氣流進(jìn)入管道；提高活塞、活塞缸體的加工精度，使得整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)活塞運(yùn)行平穩(wěn)，只需進(jìn)行總高度進(jìn)行修正，不需要再分段修正。