哈工大 机械工程测试大作业二--传感器综合运用
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4
4.
方案示意图
图 9 所示为本测量方案示意图，本方案为计算机控制的测试系统，即数字化气动测量系统，它包括气 动测量、气电转换、数据采集和计算机处理等部分。
气源
气电转换 滤清器
信号放大 稳压器
模数转换 测量装置
数据采集
图 9 方案示意图
5.
测量装置系统框图
图 10 所示为测量装置系统框图。从图中可知通过气动传感器将间隙信号转为气压信号，压电传感器将 气压信号转化为电压信号，再经放大、A/D 转换，被采集卡获取输入到计算机中；在计算机中，数字信号 经 D/A 转换变为模拟电压信号，再经传感器的转换函数得到直径数值，并又公式（1）计算的被测内孔锥 度，最终在显式器上显式。
气电转换 信号放大
图 8 气wk.baidu.com转换原理图
模数转换
3） 数据采集 数字信号的采集采用 PCI-8335B 数采卡。PCI-8335B 卡适用于提供了 PCI 总线插槽的 PC 系列微机， 具有即插即用（PnP）的功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的 Unix 等多种操作 系统以及专业数据采集分析系统 LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口 卡插入机内任何一个 PCI 总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外部直接接入。 PCI-8335B 卡安装使用简便、功能齐全。其 A/D 转换启动方式有程控频率触发、程控单步触发。A/D 转换后的数据结果通过先进先出存储器（FIFO）缓存后由 PCI 总线读出。 4） 计算机处理 基于本方案要求，选择中断方式来完成对数据采集卡编程。中泰 PCI-8335B 数采卡设备驱动程序支持 Visual C++， 可以通过编程实现对本方案测量仪器的控制与监测。
3
表 2 气压传感器型号及规格
传感器 气压传感器
型号 郎恩 PT100
压力范围 0~0.2MPa
精度 ±0.5%F.S
输出信号 0~5V
响应时间 10ms
图 7 郎恩气压传感器 PT100
3.
测量方案
根据要求，本方案为计算机控制的测试系统，即数字化气动测量系统，它包括气动测量、气电转换、 数据采集和计算机处理等部分。 1） 气动测量 差压式气动测量气路原理图如图 4 所示。测量回路又由两个背压回路组成，测量时两个背压回路处于 相同的环境压力和温度下，使外界环境（压力、温度和湿度等）对测量的影响降到最小，测量精度高、稳 定性好。 2） 气电转换 气电转换原理图如图 8 所示。本子系统包含压电传感器、信号放大器以及模数转换器。
传感器 外锥气动测量头
品牌 硕工
锥度 20º
最大直径 19mm
两孔隙轴向距离 10mm
精度 1 μm
图 6 硕工外锥气动测量头
本方案采用西安郎恩机电设备有限公司制造的气压传感器 PT100（压阻式压力传感器） ，如图 7 所示， 价格约 450 元人民币。产品链接为 http://detail.1688.com/offer/44961039167.html?spm=0.0.0.0.QFJGXU。表 2 为其规格参数。
题目二：传感器综合运用
1. 测量要求
工件大小如图 1 所示，要求测量内锥（20º±0.1º）
图 1 工件测量要求
2.
1)
传感器选择
内锥测量方法
锥度是指圆锥的底面直径与锥体高度之比，如果是内孔，则为上、下两底圆的直径差与锥孔高度之比 值（如图 2 所示） 。即
2arctan(
Dd ) 2L
图 4 差压式气动测量原理图
3)
压阻式压力传感器测量原理
压阻式传感器是压力式传感器的一种。压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。结构如图 5 所示。 其核心部分是一块沿某晶向(如〈1 0〉)切割的 N 型的圆形硅膜片。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上 四个阻值相等的 P 型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被 测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力 P 作用下，膜片产生应力和应变。膜片上各点 的应力分布由公式给出。当时，径向应力为零值。四个电阻沿〈1 1 0〉晶向并分别在 x=0.635r 处的内外排 列，在 0.635r 之内侧的电阻承受的为正值，即拉应力，外侧的电阻承受的是负值，即压应力。由于〈1 1 0〉 晶向的横向为〈0 0 1〉 ，因此， ，代入内外电阻的相对变化式中——内、外电阻上所承受径向应力的平均值。 设计时，要正确地选择电阻的径向位置，使,因而使。使四个电阻接入差动电桥，初始状态平衡，受力 P 后，差动电桥输出与 P 相对应。为了保证较好的测量线性度，要控制膜片边缘处径向应变。而膜片厚度为
目
录
1. 2.
测量要求 ........................................................................................................................................................... 1 传感器选择 ....................................................................................................................................................... 1 1) 内锥测量方法 ........................................................................................................................................... 1 2) 差压式气动测量原理[1] ........................................................................................................................... 2 3) 压阻式压力传感器测量原理 ................................................................................................................... 2 4) 传感器型号及参数 ................................................................................................................................... 3 3. 测量方案 ........................................................................................................................................................... 4 1） 气动测量 ............................................................................................................................................... 4 2） 气电转换 ............................................................................................................................................... 4 3） 数据采集 ............................................................................................................................................... 4 4） 计算机处理 ........................................................................................................................................... 4 4. 方案示意图 ....................................................................................................................................................... 5 5. 测量装置系统框图 ........................................................................................................................................... 5 参考文献 ................................................................................................................................................................... 5
2)
差压式气动测量原理[1]
目前，气动在线检测系统中普遍采用背压式和差压式两种测量方法。单纯压力式测量有它的缺点，即 对气源要求过高， 否则当喷嘴与工件之间的距离改变时， 气源压力一旦发生波动， 工作压力就会发生变化， 从而造成测量误差，破坏量仪的稳定性。而采用差压式测量就可以解决这一问题，并能改善量仪性能。因 而本方案采用差压式气动测量。 差压式气动测量气路原理图如图 4 所示。测量回路又由两个背压回路组成，测量时两个背压回路处于 相同的环境压力和温度下，使外界环境（压力、温度和湿度等）对测量的影响降到最小，测量精度高、稳 定性好。 空压机 1 将压缩的空气送至滤清器 2 过滤灰尘、水等杂质后进入气压阀 3 和稳压器 4，稳压器的输出 压力为 p0。测量时通过两个直径相同的节流孔 5、6 同时向两个回路输入相同压力的气体，一路经节流器 5 通过调零阀 8 流入大气，另一路经节流器 6 通过测头与被测零件间缝隙流入大气。回路 1 是平衡压力， 回路 2 是测量压力，连接两回路之间的压力变送器 7 采集测量压力与平衡压力的差值Δp=p2-p1 作为被测 信号，经放大后输出就可测得被测参数 S 的大小。
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h≥式中 ——;膜片边缘允许的最大径向应变。 压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化， 尺寸 小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。固有频率可按下式计算式中 ——硅片的密度 （kg/m2）压阻式压力传感器广泛用于流体压力、差压、液位等的测量。特别是它的体积小，最小的传感器 可为 0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。
图 5 压阻式压力传感器
4)
传感器型号及参数
本方案采用无锡市硕工量仪有限公司制造的外锥气动测量头（图 6） ，价格约 1000 元人民币，测量范 围和规格可按要求订制。产品链接为 http://www.wxlyc.com/cp5.html（公司官网） 。表 1 为拟定的规格参数。
表 1 外锥气动测量头型号及规格
(1)
图 2 内锥计算方法
所以测量如图 1 所示工件的内孔锥度的思路为测量在一段轴线距离上两端点的孔径值，故需要位移测 量传感器，本方案选用压力式气动测量方法（图 3） 。而本方案要求为计算机控制的测试系统，所以还需要 将气压信号转化为电信号，故还需要一个压力传感器。
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图 3 气动测量圆锥孔示意图
4.
方案示意图
图 9 所示为本测量方案示意图，本方案为计算机控制的测试系统，即数字化气动测量系统，它包括气 动测量、气电转换、数据采集和计算机处理等部分。
气源
气电转换 滤清器
信号放大 稳压器
模数转换 测量装置
数据采集
图 9 方案示意图
5.
测量装置系统框图
图 10 所示为测量装置系统框图。从图中可知通过气动传感器将间隙信号转为气压信号，压电传感器将 气压信号转化为电压信号，再经放大、A/D 转换，被采集卡获取输入到计算机中；在计算机中，数字信号 经 D/A 转换变为模拟电压信号，再经传感器的转换函数得到直径数值，并又公式（1）计算的被测内孔锥 度，最终在显式器上显式。
气电转换 信号放大
图 8 气wk.baidu.com转换原理图
模数转换
3） 数据采集 数字信号的采集采用 PCI-8335B 数采卡。PCI-8335B 卡适用于提供了 PCI 总线插槽的 PC 系列微机， 具有即插即用（PnP）的功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的 Unix 等多种操作 系统以及专业数据采集分析系统 LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口 卡插入机内任何一个 PCI 总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外部直接接入。 PCI-8335B 卡安装使用简便、功能齐全。其 A/D 转换启动方式有程控频率触发、程控单步触发。A/D 转换后的数据结果通过先进先出存储器（FIFO）缓存后由 PCI 总线读出。 4） 计算机处理 基于本方案要求，选择中断方式来完成对数据采集卡编程。中泰 PCI-8335B 数采卡设备驱动程序支持 Visual C++， 可以通过编程实现对本方案测量仪器的控制与监测。
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表 2 气压传感器型号及规格
传感器 气压传感器
型号 郎恩 PT100
压力范围 0~0.2MPa
精度 ±0.5%F.S
输出信号 0~5V
响应时间 10ms
图 7 郎恩气压传感器 PT100
3.
测量方案
根据要求，本方案为计算机控制的测试系统，即数字化气动测量系统，它包括气动测量、气电转换、 数据采集和计算机处理等部分。 1） 气动测量 差压式气动测量气路原理图如图 4 所示。测量回路又由两个背压回路组成，测量时两个背压回路处于 相同的环境压力和温度下，使外界环境（压力、温度和湿度等）对测量的影响降到最小，测量精度高、稳 定性好。 2） 气电转换 气电转换原理图如图 8 所示。本子系统包含压电传感器、信号放大器以及模数转换器。
传感器 外锥气动测量头
品牌 硕工
锥度 20º
最大直径 19mm
两孔隙轴向距离 10mm
精度 1 μm
图 6 硕工外锥气动测量头
本方案采用西安郎恩机电设备有限公司制造的气压传感器 PT100（压阻式压力传感器） ，如图 7 所示， 价格约 450 元人民币。产品链接为 http://detail.1688.com/offer/44961039167.html?spm=0.0.0.0.QFJGXU。表 2 为其规格参数。
题目二：传感器综合运用
1. 测量要求
工件大小如图 1 所示，要求测量内锥（20º±0.1º）
图 1 工件测量要求
2.
1)
传感器选择
内锥测量方法
锥度是指圆锥的底面直径与锥体高度之比，如果是内孔，则为上、下两底圆的直径差与锥孔高度之比 值（如图 2 所示） 。即
2arctan(
Dd ) 2L
图 4 差压式气动测量原理图
3)
压阻式压力传感器测量原理
压阻式传感器是压力式传感器的一种。压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。结构如图 5 所示。 其核心部分是一块沿某晶向(如〈1 0〉)切割的 N 型的圆形硅膜片。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上 四个阻值相等的 P 型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被 测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力 P 作用下，膜片产生应力和应变。膜片上各点 的应力分布由公式给出。当时，径向应力为零值。四个电阻沿〈1 1 0〉晶向并分别在 x=0.635r 处的内外排 列，在 0.635r 之内侧的电阻承受的为正值，即拉应力，外侧的电阻承受的是负值，即压应力。由于〈1 1 0〉 晶向的横向为〈0 0 1〉 ，因此， ，代入内外电阻的相对变化式中——内、外电阻上所承受径向应力的平均值。 设计时，要正确地选择电阻的径向位置，使,因而使。使四个电阻接入差动电桥，初始状态平衡，受力 P 后，差动电桥输出与 P 相对应。为了保证较好的测量线性度，要控制膜片边缘处径向应变。而膜片厚度为
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录
1. 2.
测量要求 ........................................................................................................................................................... 1 传感器选择 ....................................................................................................................................................... 1 1) 内锥测量方法 ........................................................................................................................................... 1 2) 差压式气动测量原理[1] ........................................................................................................................... 2 3) 压阻式压力传感器测量原理 ................................................................................................................... 2 4) 传感器型号及参数 ................................................................................................................................... 3 3. 测量方案 ........................................................................................................................................................... 4 1） 气动测量 ............................................................................................................................................... 4 2） 气电转换 ............................................................................................................................................... 4 3） 数据采集 ............................................................................................................................................... 4 4） 计算机处理 ........................................................................................................................................... 4 4. 方案示意图 ....................................................................................................................................................... 5 5. 测量装置系统框图 ........................................................................................................................................... 5 参考文献 ................................................................................................................................................................... 5
2)
差压式气动测量原理[1]
目前，气动在线检测系统中普遍采用背压式和差压式两种测量方法。单纯压力式测量有它的缺点，即 对气源要求过高， 否则当喷嘴与工件之间的距离改变时， 气源压力一旦发生波动， 工作压力就会发生变化， 从而造成测量误差，破坏量仪的稳定性。而采用差压式测量就可以解决这一问题，并能改善量仪性能。因 而本方案采用差压式气动测量。 差压式气动测量气路原理图如图 4 所示。测量回路又由两个背压回路组成，测量时两个背压回路处于 相同的环境压力和温度下，使外界环境（压力、温度和湿度等）对测量的影响降到最小，测量精度高、稳 定性好。 空压机 1 将压缩的空气送至滤清器 2 过滤灰尘、水等杂质后进入气压阀 3 和稳压器 4，稳压器的输出 压力为 p0。测量时通过两个直径相同的节流孔 5、6 同时向两个回路输入相同压力的气体，一路经节流器 5 通过调零阀 8 流入大气，另一路经节流器 6 通过测头与被测零件间缝隙流入大气。回路 1 是平衡压力， 回路 2 是测量压力，连接两回路之间的压力变送器 7 采集测量压力与平衡压力的差值Δp=p2-p1 作为被测 信号，经放大后输出就可测得被测参数 S 的大小。
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h≥式中 ——;膜片边缘允许的最大径向应变。 压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化， 尺寸 小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。固有频率可按下式计算式中 ——硅片的密度 （kg/m2）压阻式压力传感器广泛用于流体压力、差压、液位等的测量。特别是它的体积小，最小的传感器 可为 0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。
图 5 压阻式压力传感器
4)
传感器型号及参数
本方案采用无锡市硕工量仪有限公司制造的外锥气动测量头（图 6） ，价格约 1000 元人民币，测量范 围和规格可按要求订制。产品链接为 http://www.wxlyc.com/cp5.html（公司官网） 。表 1 为拟定的规格参数。
表 1 外锥气动测量头型号及规格
(1)
图 2 内锥计算方法
所以测量如图 1 所示工件的内孔锥度的思路为测量在一段轴线距离上两端点的孔径值，故需要位移测 量传感器，本方案选用压力式气动测量方法（图 3） 。而本方案要求为计算机控制的测试系统，所以还需要 将气压信号转化为电信号，故还需要一个压力传感器。
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图 3 气动测量圆锥孔示意图