摘　要：本文主要介紹了活（huó）塞式（shì）氣體流量標準裝置的結構及工作原理，為了減少不同因素（sù）的影（yǐng）響、方便量值溯源與（yǔ）傳遞，本裝置需（xū）額外配置一套光柵尺係統進行位移量修正。經重複性試驗驗證，影響（xiǎng）光柵尺性（xìng）能的主要因素有流量、光柵尺的安裝方式、活（huó）塞與活塞缸體的加工精（jīng）度及潤滑條件等，最後提出建議，為今後活塞式氣體流量標準裝置的進（jìn）一步完善提（tí）供參考。

      關鍵詞：活塞式；光柵尺；重複性
   
      ０　前（qián）言
   
      光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感（gǎn）器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學原理工作的測量反（fǎn）饋裝置。常應用於數控機床的閉環伺服係統中，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衝，具有檢測範圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。本（běn）文主要將光柵尺應用於活（huó）塞式氣體（tǐ）流量標準（zhǔn）裝（zhuāng）置中，測量活塞的位移（yí）量Ｌ，能夠方便、可靠的進行量值（zhí）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（huó）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（sāi）缸）的氣體通過（guò）管路以恒定的壓力和流（liú）量流向被檢（jiǎn）流量計，以活塞運（yùn）動一定距離排出氣體的體積值作為標準體積流量，與流量（liàng）計的示值相（xiàng）比較，從而得出流（liú）量計（jì）的示值誤差。原理和結構示（shì）意圖如下：
 
 

      圖１　ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流（liú）量標（biāo）準裝置的結構示意圖（tú）
     
      如圖１ 所示，裝置工（gōng）作時，活塞（sāi）向下（xià）運（yùn）動，氣室內氣體壓力經過一個上升過程後逐步達到穩定值，以此為起點，隨著活塞的繼續（xù）勻速運動，氣室的容積逐（zhú）漸減少，氣室內的（de）氣體通過（guò）管路、流量計排出，排出氣體的體積等於氣室的體積減少值。
 
      因此，標準體積流量Ｖ＝活（huó）塞缸的截麵積Ｓ位移量Ｌ，活塞缸的截麵積在活塞缸加工完成後用三坐標測量儀器測得，並認為是固定不變的；而位移在（zài）工作中是不斷變化的，本裝置采用高分辨率的旋轉編碼（mǎ）器來測量位移，同時（shí）它在測（cè）量過程中輸出的脈衝信號可供測（cè）控係統（tǒng）計算位移並控製電機的轉速。但影響（xiǎng）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（sù）器及步進電機（jī）的穩定性等，為了減少不同因素的影響、方便量值溯源與傳（chuán）遞，本（běn）裝置額外（wài）配置（zhì）一套光柵尺係統進行位移量修正。
 
      ２、　光柵尺的安裝與（yǔ）重複性試驗
 
      ２.１　光柵尺的安裝

      本文采用的光（guāng）柵尺ＫＡ －３００（如圖２），由標尺（chǐ）光柵和光柵讀數頭（tóu）兩部分組成。標尺光柵（shān）直接固定在頂板（bǎn）和缸（gāng）體麵板（bǎn）合適的位置（zhì）上，根據光柵讀數頭的不同安裝位置，涉及兩種（zhǒng）安裝方式：（１）中心位置（軟連（lián）接）安裝，即將光柵尺的讀（dú）數頭通過連接金屬片固定在導向板（注：導向板（bǎn）隨活塞一起運動）的中心處，沿垂直標尺光柵隨導向板上下（xià）移（yí）動；（２）直接將光柵（shān）尺的讀數頭固（gù）定在導（dǎo）向板上，不需（xū）要金（jīn）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　、重複性試驗
 
      根據ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式氣體流量標準裝（zhuāng）置的（de）測

      根據編碼器采集到的脈衝信號，換算出活塞的位移量Ｌ（ｍｍ／２０４８ 個脈衝）；由（yóu）光柵尺采集到的（de）位移（yí）量Ｌ′再換算出脈衝數Ｎ；選擇Ｎ 的相對標準偏差作為光柵尺重複性的驗證指標。
 
      ３　、試驗結果（guǒ）與分析
 
      ３.１　、試（shì）驗結果
 
      在不同試驗條件下，由（yóu）計算（suàn）機直接采集到數據Ｌ 和（hé）Ｌ′，根據以下公式（１）、（２）、（３）得出（chū）表（biǎo）１、表２。

  
      
  
      表２　測量段（２０ ～４０）Ｌ、（４０ ～６０）Ｌ 的（de）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複性降低。
 
 
         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（guān）係
 
   
      由表２ 數據可以得出：相同的流（liú）量下，在不同的測（cè）量段測得的標準偏（piān）差、相對標準偏差存在差距，說明活（huó）塞、活塞缸體的加工精度以及周圍環境的變化（huà）都會對光柵尺的穩定性、重複性造成影響。由表３ 數據可（kě）以（yǐ）得出：無論是硬連接還是軟（ruǎn）連接，小（xiǎo）流量（liàng）點下，光柵尺的性能很穩定；另外（wài），軟連接（jiē）由於（yú）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（zēng）大（dà），將會產生劇（jù）烈震動，尤其是大流（liú）量點（≥３ｍ３ ／ｈ）運（yùn）行時，脈衝數（shù）Ｎ變化很大（dà）；相反，小流（liú）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（qí）次（cì），穩定性跟光柵尺的安裝方式（shì）有關，硬連接能（néng）有效提高其（qí）穩定性，但軟連接能緩衝由於裝置震動帶來（lái）的損壞，對光柵尺起到一定（dìng）的（de）保護作用；還有就是通過試驗可以得出活塞、活塞缸體（tǐ）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（zhuāng）置會產生強烈的（de）震動，使（shǐ）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（xìng）能降低、氣體（tǐ）泄漏量增大，最終裝置（zhì）失準。
 
      建（jiàn）議：對活塞進行優化（huà）設計，添加注油口，定期加注潤滑油，保持良好的潤滑環境，避免或消弱由於活塞與活塞缸體的幹摩擦引起的（de）震（zhèn）動，並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（shǐ）得整個工作區間內活塞運行平穩，隻（zhī）需進行總高度進行修正，不需要再（zài）分段修正。