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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(tǒng)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(huán)伺服系統(tǒng)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(wěn)定值，以此為起點，隨著活塞的繼續(xù)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(tǒng)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(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(wěn)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(huán)境的變化都會對光柵尺的穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定性跟流量有關，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，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(huán)境的變化對光柵尺的穩(wěn)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(yōu)化設計，添加注油口，定期加注潤滑油，保持良好的潤滑環(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，并在活塞缸體內壁加工出回油槽，定期清理廢油，防止?jié)櫥碗S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(qū)間內活塞運行平穩(wěn)，只需進行總高度進行修正，不需要再分段修正。