气动测量原理

1气动量仪由来、测量原理及其应用爱德蒙得公司总裁：罗伯特.爱德蒙得三世著伍抗逆、王颖整理并翻译气动测量技术就是通过空气流量和压力来测量工件尺寸的技术。为了实现精密测量，气动量仪利用了这样一个物理原理：流量和压力都与间隙的大小成比例关系，同时压力和流量相互之间成反比例关系。调压后的空气流通过调节阀——针阀、或镶有红宝石阻尼孔的调节阀等，——然后到达喷嘴处，如果喷嘴孔是对着大气时，最大流量通过喷嘴孔，此时在调节阀同喷嘴之间存在一个最小压力，我们称之为“背压”。当我们使一障碍物从远至近靠近喷嘴孔时，喷出的空气流量就会因之而逐渐减少，同时背压值升高，喷嘴孔被完全挡住后，流量将为零，背压值将同调压阀的出口压力值相等。在这个例子里，空气流量从最大变到最小，背压则与之相反，从最小到最大。这个变化过程可以从流量—间隙、压力—间隙的曲线图中看出，除了压力和流量的初始和饱和阶段，这两条线段的其它部分都是直线，正是这种线形关系，奠定了气动量仪的测量基础。这就是说，当流量增大或减小时，我们可以准确测量喷嘴孔与障碍物之间的间隙的变化，也就是测头到被测零件表面的间隙的变化，同样的，背压增大表明了测头喷嘴与工件间间隙值。气动量仪发展简史从第一台气动量仪诞生到现在已经有六十多年。世界历史上的第一台气动量仪，是第二次世界大战后，由法国的汽化器公司为了测量他们的汽化器喷射口而制造的，它是一台背压型气动量仪。这种气动量仪由一个简单空气调节系统与一个灌满水带有刻度的管子（指示器）联接组成。当时的设计采用了那个时代最简单的调压阀，前一个调节阀将空气流的压力调节到一个适当的值，然后空气流经过一个三通的“T”型管，“T”型管的竖直部分开口并且被浸在水中，多余的空气就通过这个通道变成气泡回到大气中。第二个调节阀用于零位调节，而通过其后与水箱底部相通的压力示管的水面高度，操作人员就可以读出气动测头与第二个调节阀之间的背压变化，测量出工件表面到测头喷嘴之间的距离。测量时，气动塞规被插入到化油器喷嘴孔中。如果化油器喷嘴孔越大，用于置换的空气就越多，刻度管中的水被部分的置换。当背压反映刻度管中水平位置时，气动塞规气孔与工件之间的间距也就被指示出来。这样，该公司就建立了一套标准的背压读数，并通过筛选“合格的”零部件、记录其精确的背压读数，使之与化油器喷嘴孔的尺寸相符。一旦此标准成立，一套相应的背压测量法将会作用于另外的生产部件上以此判断其是否在合理的公差范围内。然后通过与原始背压标准的比较，判定出化油器喷嘴孔的合格与否。1943年，一批于二战期间从纳粹集中营中逃出来的流亡中的法国工程师们为这个简单的背压系统申请了专利，用表盘读数，并将它与重新开发的空气调节系统结合使用，消除了之前以水为介质的测量方法中的蒸发影响。就这样，气动量仪—在流亡中—诞生了。今天的气动量仪主要有四种系统：背压泄流系统、背压系统、差分系统、和流量系统。每一种系统有其独特的性能特点，运用于合适的环境中，将能实现准确、高效的测量，还能对测量工具的磨损等变化进行补偿。另外，气电放大、数据收集/处理等技术将气动量仪的测量分辨率提高到了百万分之一英寸的水平，同时还实现了测量数据同打印机、计算机等设备的传输，使得测量数据的统计分析和处理成为可能。标定规：单vs双标定规系统尽管相关气动测量系统且不只是气动系统方式的使用越来越多，我们仍有必要讨论一下用“单标定规”还是“双标定规”的区别。对于任何形式的气动量仪来说，工程师或操作者所选择的标定规是十分关键的，将影响其整个气动测量系统的精确度。简而言之，标定规就是标定一套气动测量系统或任何相关测量系统的物理标准。为确保其精度，标定规的实际尺寸通常由超高精密的比较仪，用鉴定过的高等级量块来检定。单标定规系统既只用一个单标定规来标定量仪放大器或显示器，用于指示工件名义尺寸或公差值的零位。对于双标定规系统，工件公差的最大和最小尺寸可以分别由两个标定规来标定。但是对于单标定规系统，对超出工件公差带范围外的测量，单标定规系统则没有相应的标定规进行比对。这样，操作者必须依赖显示器的直线性，显示器可以将实际尺寸间在差异准确无误地转换成正确定的读数。但是如果选用单标定系统的话，一旦显示器的直线性有偏差，则将产生不正确的测量值。这种情况特别容易出现在接近公差带边缘的工件加工中。如果显示器不能将背压值转换成准确读数的话，再好的气动测量系统也不能准确显示出工件尺寸。因此一套好的气动测量系统在于是否拥有双标定规系统。2气动测量系统的分类背压泄流式系统这种系统的“泄流”特性，赋予了它的使用的多样性。不同的气动测量系统都可以使用背压泄流系统，正是因为这种系统具有了极高的测量准确性及灵活性，许多量仪公司都将背压泄流法作为其综合气动测量系统的重点。背压泄流系统也有一个固定的调压阀，用于控制空气流的压力处于线性范围内的最大值，但这个系统的独特性在于相对于输出支路，它还有一条可调节的泄流支路，正是这条泄流上的调节阀使得使用者可以根据所使用的气动测头进行系统调节。系统的放大倍率由调压阀与气动量仪测头之间的一个节流阀调节，而泄流支路上的节流阀则将多余的气体释放到大气中以调节零位。两个标定规——终规和止规，则用于标定系统、定义公差范围以便于准确显示工件的偏差。除了能兼容其他多种气动工具的多样性外，背压泄流系统相对另外的三种系统，使用时具有更高的空气压力值，允许较大的喷嘴压降，所以这种系统使用的测头寿命长而且清洁度较高，且不会影响测量精度。气压越大，其自身的清洁能力就越强，就不可能有屑片或碎片阻碍到气动测头的测量。另外，背压泄流系统能广泛地应用于多种气动测量系统的放大调节器，且能适用于几乎0.093英寸~0.02英寸间（ф0.5mm～ф2.36mm）任何尺寸的喷嘴。这对于用小喷嘴来测量微窄环面而言是非常有利的。在背压泄流系统基础上，爱德蒙得公司增加了偏差比较反馈，这个反馈降低了系统对昂贵的调压阀的精度要求，降低了成本，进口压力被分为两路，一路是原来的背压泄流部分，另一路则被送到一片差分传感器片上，而背压泄流部分的信号也被送给差分传感器片，通过传感器的差分比较调节，就保证了压力恒定。背压系统将背压泄流系统的泄流支路去掉，余下的主件就构成了背压系统，它同背压泄流系统一样，需要使用校对规进行标定校准，但它不具备背压泄流系统广泛的适用性，它只能使用某些特定的调节放大器和测头进行小范围测量。因此，这套测量系统在使用中就会有诸多限制。差分系统这个系统可以被称为“平衡”系统，空气流被分成两条支路分别经过两个节流阀，一条是泄流支路，气流通过一个泄流阀后通入大气，这条支路上的压力同测量支路上的压力相平衡。这两条支路的差分是通过差分压力表传递的。差分系统的零位调节是针对每个测头，都有专用的零位校对规，操作简单方便。值得注意的是，差分系统的调节放大器也只能预先调定在零位上，当测头发生磨损或被损坏，都会导致测量系统失去准确性，在这个问题上，差分系统就不同于用校对规进行标定的双校对规系统。对于差分背压系统而言，不同的放大倍率需要使用不同的测头，因为单校对规放大系统的放大倍率是固定的，磨损和损坏后测头都必须从新加工。这种系统的另一个不足在于，一个放大器只适于一个公差范围，如果需要测量不同的公差范围，就必须使用不同的放大器。流量系统正如之前讨论的简单的流量回路，空气流量的变化可以从浮子流量计上读出来，流量系统也是双校对规标定的系统，零位和放大倍率的调节范围由浮子流量计型号和尺寸决定，而不是只通过节流阀调节。同样的，与背压泄流系统类似，流量系统通过工件在公差范围内的偏离来反映其精确度，因而通过更改流量计和刻度使用浮子流量计，必须要有较大的流量来推动浮子，因而流量系统所使用的测头喷嘴孔尺寸都较大，测量时必须更靠近被测工件，这样测头的寿命相对较短，所以流量系统只适于测量尺寸较大的工件。它还有一个特点，就是即使系统的管路很长，也不会影响测量的结果，用它来测量枪管或油钻内的长孔因而非常理想。在批量较大的生产中流量系统同样适用，这时气动量仪的作用时间必须保持在最小值，在这个时间内气压使得气动量仪放大器能作出准确读数。为什么要用气动量仪？气动量仪是一种非接触式的精密尺寸比较测量仪器，它能为用户提供优化的工作流程，减少检修时间，提高生产效率。它可以理想的测量0.005英寸内的偏差，当测量小公差时，气动量仪的测量分辨率可达到0.000002英寸(0.05μm)。此外，由于是非接触式测量，这种设备可以测量各种低硬度、高光洁度、薄壁或者其他特殊材料的零件。3气动量仪最大的优点就是易于使用，即使是一个毫无经验的操作者，也可以使用气动量仪进行准确的测量。操作过程就如同把尺子放到工件上然后读数一样简单，快速而准确。通过一组多管放大器，可以同时读出多个参数值，方便快捷。对于其它测量设备很难测量或即使可以测量但费用昂贵的形位尺寸关系，例如垂直度，通过气动量仪也可以轻易的实现测量。经济实用也是气动量仪的一个重要的特点，只要购买了基础的测量系统，配合以相关的价格低廉的辅助测量工具，就可实现各种测量应用。气动量仪能有效的测量各种常见的尺寸，尤其适合于测量形位关系和配合公差。大多数气动量仪在测量时所使用的压缩空气能够清除被测工件上残留的研磨颗粒或冷却剂，所以使用气动量仪可以在一定程度上减少零件的清洁工序。由于气动量仪本身没有可动的部件，基本上对污垢免疫。综合以上优点，气动测量已经并将持续成为快速有效的计量方法。第二部分：气动量仪的应用在第一部分，我们已经讲述了气动测量的历史、基本原理以及现今的各种应用方式。这一部分我们将着重讨论一下气动测量系统的基本组成以及它们的组合应用，包括在工业环境中最常见的气动量仪的使用情况。不管是流量或背压，一套综合的气动测量系统包括：气压阀、放大器、气动测头、标定规、连接器及其他附件。下面让我们具体了解一下每个组件的功能及其应用。气动量仪的组成所有的气动量仪都有一个精密的气压阀，为放大器提供压力值在10psi~44psi的稳定气压。除了气压阀，气动量仪用多种工具传递工件表面的气流或气压值。这些工具可以是塞规、环规或其他形状，都是根据被测工件的具体尺寸而配制的。根据喷嘴凹进的距离所制定的气动测头既保证了气动测量系统的气压对间隙的基本要求，又使得喷嘴不易受到磨损。气动测头上的排风槽则保证了气流顺利通过被测工件的表面，而不对测量的准确度产生影响。每个气动测头都在合适的位置设计了喷嘴孔。例如要测直径的两个喷嘴：喷嘴的设计必须能保证平衡的状态，无论使用者水平高低，都能测量出准确的尺寸值以及保证测量数据的重复性。如果测头正在测量一个有偏心的孔的工件，远离被测工件表面的那个喷嘴的流量增加补偿了靠近被测工件表面的那个喷嘴流量的减小，则气动量仪系统的流量和背压作为一个综合的参数值保持恒定。另一典型气动测量系统的通用部件是放大器。适用于多种形式的量仪，可以是一个气动电子柱，或者数显测量仪或流量计管。放大器将被测尺寸直观的表示出来，保证使用者快速准确的读数。背压系统多采用电子柱或数显仪，而流量系统则使用流量计。如果要求操作者做多种测量，那就得同一时间观察多个放大器。但同时从多个数显仪上读出几个测量值是比较困难的，单在一排电子柱或流量计上，就能容易的看出几组被测尺寸间的差距。气动电子柱拥有强大的多功能处理系统，不仅能打印输出数据、对数据做SPC，也能做其他数据处理。最后，标定规是用于标定气动测量系统。通常会视情况配单个或双个标定环规或塞规，当然两个标定规将会更为精确。（详情请参见第一部分的“背压泄流系统”）标定规的材质分为钢、铬或硬质合金，等级分为X到XXX级。且爱德蒙得的产品都通过了国际标准和技术协会的认证。气动量仪的各种实际应用内径和外径气动量仪常被用于测量工件的孔内径和圆外径的尺寸或形状。两喷嘴气动测头—具有两个相对的喷嘴孔，常用于测量孔的内径，而两喷嘴的气动环规则主要用于测量外径。平均值多喷跟均匀分布在一个截面上的测量工具，可以为使用者完成平均值的测量。这种测量工具主要用于薄壁元件或特殊圆表面元件，喷嘴数目将取决于测量工具的大小，可以是4个、6个或更多。圆度气动量仪