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        摘　要：本文主要介紹了活塞式氣體流量標準裝置的結構及工作原理，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進行位移量修正。經重復性試驗驗證，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滑條件等，最后提出建議，為今后活塞式氣體流量標準裝置的進一步完善提供參考。

      關鍵詞：活塞式；光柵尺；重復性
   
      ０　前言
   
      光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。常應用于數控機床的閉環伺服系統中，也可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。本文主要將光柵尺應用于活塞式氣體流量標準裝置中，測量活塞的位移量Ｌ，能夠方便、可靠的進行量值傳遞與溯源活動。
 
      １　、活塞式氣體流量標準裝置的結構及工作原理
   
      ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標準裝置是利用活塞的運動，將裝置氣室內（活塞缸）的氣體通過管路以恒定的壓力和流量流向被檢流量計，以活塞運動一定距離排出氣體的體積值作為標準體積流量，與流量計的示值相比較，從而得出流量計的示值誤差。原理和結構示意圖如下：
 
 

      圖１　ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標準裝置的結構示意圖
     
      如圖１ 所示，裝置工作時，活塞向下運動，氣室內氣體壓力經過一個上升過程后逐步達到穩定值，以此為起點，隨著活塞的繼續勻速運動，氣室的容積逐漸減少，氣室內的氣體通過管路、流量計排出，排出氣體的體積等于氣室的體積減少值。
 
      因此，標準體積流量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測量儀器測得，并認為是固定不變的；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編碼器來測量位移，同時它在測量過程中輸出的脈沖信號可供測控系統計算位移并控制電機的轉速。但影響位移量的因素很多，如絲杠的精度、編碼器的準確度（存在丟步現象）、減速器及步進電機的穩定性等，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進行位移量修正。
 
      ２、　光柵尺的安裝與重復性試驗
 
      ２.１　光柵尺的安裝

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

     
  
                                圖２　光柵尺ＫＡ －３００
 
 
                  表１　每一流量點的試驗結果（軟連接）

  
  
      ２.２　、重復性試驗
 
      根據ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標準裝置的測

      根據編碼器采集到的脈沖信號，換算出活塞的位移量Ｌ（ｍｍ／２０４８ 個脈沖）；由光柵尺采集到的位移量Ｌ′再換算出脈沖數Ｎ；選擇Ｎ 的相對標準偏差作為光柵尺重復性的驗證指標。
 
      ３　、試驗結果與分析
 
      ３.１　、試驗結果
 
      在不同試驗條件下，由計算機直接采集到數據Ｌ 和Ｌ′，根據以下公式（１）、（２）、（３）得出表１、表２。

  
      
  
      表２　測量段（２０ ～４０）Ｌ、（４０ ～６０）Ｌ 的試驗結果（軟連接）
  
     
  
      ３.２　、結果分析
 
由表１ 數據可以得出：隨著流量點的增大，標準偏差和相對標準偏差
也隨之增大（如圖３），即光柵尺的穩定性及重復性降低。
 
 
         表３　０５ｍ３ ／ｈ、１ｍ３ ／ｈ 下的試驗結果（硬連接）

     
  
  
                  表４　不利條件下注運行活塞的試驗結果（硬連接）
  

      
  
                    圖３　標準偏差、相對標準偏差與流量點的關系
 
   
      由表２ 數據可以得出：相同的流量下，在不同的測量段測得的標準偏差、相對標準偏差存在差距，說明活塞、活塞缸體的加工精度以及周圍環境的變化都會對光柵尺的穩定性、重復性造成影響。由表３ 數據可以得出：無論是硬連接還是軟連接，小流量點下，光柵尺的性能很穩定；另外，軟連接由于金屬片隨活塞上下移動，受力變形，會產生輕微抖動，導致穩定性變差。由表４ 數據可以得出：活塞在潤滑條件下降，活塞所受阻力增大，將會產生劇烈震動，尤其是大流量點（≥３ｍ３ ／ｈ）運行時，脈沖數Ｎ變化很大；相反，小流量點運行時，影響不大。
 

      ４　、結論與建議
 
      結論：光柵尺的穩定性跟流量有關，隨著流量的增大，穩定性降低；其次，穩定性跟光柵尺的安裝方式有關，硬連接能有效提高其穩定性，但軟連接能緩沖由于裝置震動帶來的損壞，對光柵尺起到一定的保護作用；還有就是通過試驗可以得出活塞、活塞缸體的加工精度以及周圍環境的變化對光柵尺的穩定性造成影響，尤其是潤滑條件下降，大流量運行時，裝置會產生強烈的震動，使光柵尺的使用壽命降低以及活塞、活塞缸體的加速磨損，導致密封性能降低、氣體泄漏量增大，最終裝置失準。
 
      建議：對活塞進行優化設計，添加注油口，定期加注潤滑油，保持良好的潤滑環境，避免或消弱由于活塞與活塞缸體的干摩擦引起的震動，并在活塞缸體內壁加工出回油槽，定期清理廢油，防止潤滑油隨氣流進入管道；提高活塞、活塞缸體的加工精度，使得整個工作區間內活塞運行平穩，只需進行總高度進行修正，不需要再分段修正。