薄壁轴承内外径气动测量装置测头的设计

　　1 非接触气动测量仪测量系统的工作原理

　　非接触气动测量仪测量系统是采用电子测微仪作为显示装置,根据流体静力学和流体动力学原理,用压缩空气作介质,对长度进行测量的一种方法。其传感器测头为喷嘴挡板系统,喷嘴和挡板之间的间隙称为测量间隙,其微小的变化就引起气动测量仪内的气体流量、压力或速度的变化。利用压力计将这种变化通过气-电转换器将气压转换成电信号显示出来,达到测量的目的。其测量系统工作原理如图1所示。

　　气动测量仪测量系统工作原理为: (气源)压缩空气稳压器第一可调喷嘴进入测压气室第二可调喷嘴进入测量喷嘴测量间隙S逸入大气。测压气室(测定的气体流量、压力或流速)气电转换器,将气压转换成电信号,输入电子柱气电测微仪进行显示。

　　2 测量装置测头的设计

　　根据薄壁轴承套圈特点,突破气动测量仪测头喷嘴设计常规:通常测量平均直径用测头采用十字四喷嘴孔形式,考虑到测头变换倍率,其孔径最佳取值0.9~2mm。本研究将测头设计为多喷嘴(测头同一截面周向均布4组8个小气孔喷嘴)、小气孔(喷嘴直径为0.6mm),解决了薄壁轴承套圈的测量问题。

　　2.1 设计原理

　　气动测量仪的测量装置(测头)所用的变换器有各种结构形式,喷嘴挡板机构是最常用的,几乎所有的气动测量仪都采用喷嘴挡板机构作变换器。实用中一般以喷嘴挡板机构作为基准变换器,而在采用其他形式的变换器时用与喷嘴挡板机构的特性相类比的方法来确定。

　　喷嘴挡板机构的示意图如图2所示,由喷嘴和挡板组成。喷嘴具有一个圆喷嘴口,设其内径为d,外径为d1。喷嘴端面是平面,与平面挡板之间间隙为L。

　　如果不存在挡板,或者说喷嘴挡板的间隙L足够大的话,压力为p的压缩空气由喷嘴孔流出时,气流方向不变,直接流入大气。其流量与喷嘴孔的截面积成正比。则流出流量Q1为

　　式中:u1为气体流速。

　　当喷嘴端面与挡板之间的间隙小到某一范围内时,从喷嘴流出空气由喷嘴端面与挡板之间的间隙流入大气。试验证明,这时的流出面积不是喷嘴孔的截面积,而是以喷嘴孔截平面为底、间隙L为高的圆柱体的侧面积。

　　则流出流量Q2为

　　式中:u2为流过喷嘴挡板的气流的流速。

　　对于某一喷嘴,当压力p一定时,流速是与间隙无关的常数[1]。因此,从流量公式可知,当一定压力的空气流过喷嘴挡板时,空气流量的变化量与喷嘴挡板之间的间隙L的变化量成正比,即

　　当一定压力的空气通过喷嘴挡板流入大气时,可以通过流过喷嘴挡板的气体的流量变化量来衡量其间隙的的变化量(即被测尺寸的变化量)。在薄壁轴承内外径的测量中,内径、外径表面即为挡板。根据这一原理,实现薄壁轴承内外径的测量。