一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器

1.本发明属于气动测量技术领域，涉及转换器，特别涉及一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器。


背景技术：

2.气动测量技术以压缩空气为测量介质，利用空气在管道中的流量或压力随截面几何尺寸变化而变化的特性，将被测尺寸量或位移量转换成流量或压力的变化量，从而实现测量。气动测量是一种相对测量技术，具有测量精度高、非接触测量、测量力小、使用寿命长、具有自洁能力、稳定性与可重复性好和设备结构简单、成本低的特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等高端装备制造领域。
3.作为气动测量技术关键部件的气电转换器，能够将压缩气体参数的变化量转化为连续变化的电压信号。而现有气电转换器的结构复杂、测量精度低，只有模拟量数据接口，难以与国产数控系统配套使用；且多采用基于硅应变片的气体压力传感器，但其核心技术及部件严重依赖进口。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，采用基于mems工艺制造的法布里-珀罗差压式传感器和高稳定性气路结构，以期保证气动测量系统的精度、稳定性和响应速度。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，包括气路结构模块、法布里-珀罗差压式传感器和气电转换控制仪；
7.所述气路结构模块包括并联的调零气路和测量气路，测量头连接于测量气路末端；
8.所述法布里-珀罗差压式传感器包括两个独立的测量腔，每个测量腔内分别设置一个法布里-珀罗压力传感器，两个法布里-珀罗压力传感器的输出端连接信号调理电路，第一测量腔进气口与测量气路连通，第二测量腔进气口与调零气路连通，两个法布里-珀罗压力传感器分别获取测量气路和调零气路的压力，所述信号调理电路获取测量气路和调零气路的压力差值，以电压信号形式输出；
9.所述气电转换控制仪接收所述电压信号，获取测量结果。
10.在一个实施例中，所述气路结构模块包括进气管路，进气管路末端分为两路，分别接入调零气路和测量气路，其中，调零气路上设置可更换节流孔二，末端安装调零阀，所述调零阀用于调整调零气路中的气体压力，以使法布里-珀罗差压式传感器处于最佳线性范围，调零气路的气体从调零阀流入大气；测量气路上设置可更换节流孔一，沿气流方向，第一测量腔进气口连接在可更换节流孔一后方，第二测量腔进气口连接在可更换节流孔二后方。
11.在一个实施例中，所述进气管路始端设置安装插塞型进气接头，所述测量气路末端安装插塞型出气接头，所述插塞型出气接头和测量头之间通过软管连接，测量气路的气体最终在测量头和被测工件之间的间隙流入大气。
12.在一个实施例中，所述气路结构模块中，通过内六角堵头对进气管路进行气路密封，通过圆柱堵头对调零气路进行气路密封。
13.在一个实施例中，所述可更换节流孔一的外壁与测量气路内壁之间通过密封圈一进行密封，所述可更换节流孔二的外壁与调零气路内壁之间通过密封圈二进行密封，以实现节流功能。
14.在一个实施例中，所述气电转换器还包括中部壳体，所述气路结构模块设置在中部壳体下方，所述法布里-珀罗差压式传感器设置在中部壳体中。
15.在一个实施例中，所述法布里-珀罗压力传感器基于mems工艺制造，采用薄膜式压力敏感元件和法布里-珀罗光学压力转换元件，压缩气体由第一测量腔进气口和第二测量腔进气口分别进入到传感器的不同测量腔，所述第一测量腔进气口位置由o型密封圈三密封，所述第二测量腔进气口位置由o型密封圈四密封。
16.在一个实施例中，所述中部壳体上安装有db9接头，所述db9接头连接所述信号调理电路和气电转换控制仪，以完成数据传输和通讯功能。
17.在一个实施例中，所述气电转换控制仪包括依次连接a/d转换器、arm单片机和lcd显示屏，对所述电压信号进行模数转换和数据处理后，将测量结果显示在lcd显示屏上。
18.在一个实施例中，所述arm单片机连接数控系统，实时的测量数据将以数字量的形式传输到数控系统中。
19.与现有技术相比，本发明采用了高稳定性气路结构，保证了气动测量系统的精度、稳定性、分辨率和响应速度。另外，本发明采用基于mems工艺制造的法布里-珀罗差压式传感器，具有结构简单、稳定性强、分辨率高和灵敏度高等优点，进一步提高了气动测量系统的性能。最后，本发明还可输出数字量形式的测量数据，可与国产数控系统配合使用，大大拓展了使用范围。
附图说明
20.图1是本发明优选实施例的整体结构示意图。
21.图2是本发明优选实施例的内部结构示意图。
22.图3是本发明优选实施例的侧视示意图。
23.图4是本发明优选实施例的a-a截面示意图。
24.图5是本发明优选实施例的气路结构模块原理图。
25.图6是本发明优选实施例的法布里-珀罗差压式传感器、传感器信号调理电路、气电转换控制仪的结构框图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
27.如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明为一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其功能部分主要包括气路结构模块1、法布里-珀罗差压式传感器2和气电转换
控制仪12。为实现封装，本发明气电转换器还包括中部壳体3和上部壳体5，其中气路结构模块1设置在中部壳体3下方，法布里-珀罗差压式传感器2设置在中部壳体3中，上部壳体5安装在中部壳体3上方，用于顶部密封。
28.本发明气路结构模块1采用差压式气电转换器气路结构原理，包括并联的调零气路和测量气路，测量头连接于测量气路末端。
29.法布里-珀罗差压式传感器2包括两个独立的测量腔，每个测量腔内分别设置一个法布里-珀罗压力传感器，参考图6，两个法布里-珀罗压力传感器的输出端连接信号调理电路，第一测量腔进气口201与测量气路连通，第二测量腔进气口202与调零气路连通，两个法布里-珀罗压力传感器分别获取测量气路和调零气路的压力，信号调理电路203获取测量气路和调零气路的压力差值，以电压信号形式输出。
30.数据处理及显示模块12接收所述电压信号，获取测量结果。
31.其中，主要参考图4和图5，在一个实施例中，气路结构模块1包括进气管路，进气管路末端分为两路，分别接入调零气路和测量气路。调零气路上设置可更换节流孔二104，末端安装调零阀105，调零阀105用于调整调零气路中的气体压力，以使法布里-珀罗差压式传感器2处于最佳线性范围；测量气路上设置可更换节流孔一103。示例地，进气管路始端设置安装插塞型进气接头102，所述测量气路末端安装插塞型出气接头101。
32.经过过滤、稳压处理后的压缩空气，由软管连接的插塞型进气接头102进入到气电转换器内部。
33.在气路结构模块1的调零气路中，压缩气体会沿气路先后经过可更换节流孔二104和调零阀105，最终流入到大气中。
34.在气路结构模块1的测量气路中，压缩气体经过可更换节流孔一103后，沿插塞型出气接头101流出气电转换器，由pu软管连接插塞型出气接头101和测量头，最终压缩气体在测量头和被测工件之间的间隙流入大气。
35.气路结构模块1内的可更换节流孔一103和可更换节流孔二104，可根据自动测量的实际需要，更换不同尺寸的节流孔，以适应使用要求。为起到节流作用和实现气路密封，可更换节流孔一103的外壁与测量气路内壁之间通过密封圈一10进行密封，可更换节流孔二104的外壁与调零气路内壁之间通过密封圈二11进行密封，以减少气体泄漏量，实现节流功能。
36.气路结构模块1内的气路因加工需要会产生多余深度的孔，因此，通过内六角堵头106对进气管路进行气路密封，通过圆柱堵头107对调零气路进行气路密封。
37.本发明法布里-珀罗压力传感器基于法布里-珀罗干涉原理设计，并基于mems工艺制造，光源产生的光遇到两反射镜后分别产生两束反射光，两束反射光在空间中相遇后产生干涉，干涉光强与两束光的相位差有关。被测气体压力变化时会使得干涉腔的腔长发生变化，且导致两束反射光的相位差发生变化，进而使输出的电信号变化。参考图6，本发明采用薄膜式压力敏感元件和法布里-珀罗光学压力转换元件，具有结构简单、稳定性强、分辨率高、灵敏度高和对感应信号衰落不敏感等优点，极大提高了气电转换器的精度、稳定性和响应速度。法布里-珀罗光学压力转换元件输出的微弱电流信号，由信号调理电路中的一级放大器放大并转换为电压信号，再由二级放大器继续放大，随后经有源滤波器过滤噪声。
38.在一个实施例中，沿气流方向，第一测量腔进气口201连接在可更换节流孔一103
后方，第二测量腔进气口202连接在可更换节流孔二104后方。压缩气体由第一测量腔进气口201和第二测量腔进气口202分别进入到传感器的不同测量腔，使得法布里-珀罗差压式传感器2能够获得测量气路和调零气路的压力差值。
39.第一测量腔进气口201位置可由o型密封圈三8密封，第二测量腔进气口202位置可由o型密封圈四9密封，保证气路的密封性。
40.在一个实施例中，中部壳体3上开设db9接头安装孔，并通过螺栓连接db9接头4，db9接头4连接信号调理电路和气电转换控制仪12，以完成数据传输和通讯功能。
41.在一个实施例中，法布里-珀罗差压式传感器通过六个螺钉一7与气路结构模块1固定，螺钉一7可选m3十字槽盘头螺钉。
42.中部壳体3通过四个螺钉二14与气路结构模块1连接，通过四个螺钉三6与上部壳体5连接。螺钉二14可选m3.5十字槽沉头螺钉，螺钉三6可选m3十字槽沉头螺钉。
43.本发明气电转换控制仪有公称尺寸设定、上下限尺寸触屏/按键校准、k系数自动计算和面板显示等功能。如图6所示，气电转换控制仪包括依次连接的a/d转换器、arm单片机和lcd显示屏，其中arm单片机还可连接数控系统13。
44.气电转换控制仪的工作流程为：法布里-珀罗差压式传感器2经信号调理电路输出的连续电压信号，由a/d转换器将模拟量转化为数字量，后由arm单片机对数据进行处理，可将电压变化量转换为被测尺寸的变化量。最终将测量结果显示在lcd显示屏上；以便于实时了解生产线上工件的加工状态并可及时做出调整。同时使气动测量系统可单独使用，拓展了使用范围。
45.同时，实时地测量数据将以数字量的形式传输到数控系统13中。数控系统13可据此对加工刀具的位置进行补偿，最终实现全自动在机测量，实现加工零件尺寸的实时反馈，提高加工精度和效率。
46.本发明的完整测量过程：气源产生的压缩气体依次经过过滤器、稳压器，输出稳定的压缩气体，后进入到气电转换器中分为测量气路和调零气路，在调零气路中气体由调零阀进入大气，在测量气路中由测量头和被测工件之间的测量间隙流入大气。差压式传感器可测量两气路间的的压力差。气电转换器实现气路中压力和电压的转换。
47.本发明的测量原理：气动测量一般以压缩空气为测量介质，利用空气在管道中的流量或压力随截面几何尺寸变化而变化的特性，将尺寸量或位移量转换成流量或压力的变化量，从而实现测量。气动测量的测量头利用喷嘴挡板机构原理，将工件尺寸的变化转换为气体压力或流量的变化，通过气电转换器转换为电压信号，从而得到被测物理量。在测量范围内，电压值与被测物理量数值呈一一对应的线性关系。
48.本发明采用了高稳定性气路结构，保证了气动测量系统的精度、稳定性、分辨率和响应速度。本发明采用基于mems工艺制造的法布里-珀罗差压式传感器，具有结构简单、稳定性强、分辨率高和灵敏度高等优点，进一步提高了气动测量系统的性能。本发明还可输出数字量形式的测量数据，可与国产数控系统配合使用，大大拓展了使用范围。

技术特征：
1.一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，包括气路结构模块(1)、法布里-珀罗差压式传感器(2)和气电转换控制仪(12)；所述气路结构模块(1)包括并联的调零气路和测量气路，测量头连接于测量气路末端；所述法布里-珀罗差压式传感器(2)包括两个独立的测量腔，每个测量腔内分别设置一个法布里-珀罗压力传感器，两个法布里-珀罗压力传感器的输出端连接信号调理电路，第一测量腔进气口(201)与测量气路连通，第二测量腔进气口(202)与调零气路连通，两个法布里-珀罗压力传感器分别获取测量气路和调零气路的压力，所述信号调理电路获取测量气路和调零气路的压力差值，以电压信号形式输出；所述气电转换控制仪(12)接收所述电压信号，获取测量结果。2.根据权利要求1所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述气路结构模块(1)包括进气管路，进气管路末端分为两路，分别接入调零气路和测量气路，其中，调零气路上设置可更换节流孔二(104)，末端安装调零阀(105)，所述调零阀(105)用于调整调零气路中的气体压力，以使法布里-珀罗差压式传感器(2)处于最佳线性范围，调零气路的气体从调零阀(105)流入大气；测量气路上设置可更换节流孔一(103)，沿气流方向，第一测量腔进气口(201)连接在可更换节流孔一(103)后方，第二测量腔进气口(202)连接在可更换节流孔二(104)后方。3.根据权利要求2所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述进气管路始端设置安装插塞型进气接头(102)，所述测量气路末端安装插塞型出气接头(101)，所述插塞型出气接头(101)和测量头之间通过软管连接，测量气路的气体最终在测量头和被测工件之间的间隙流入大气。4.根据权利要求2或3所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述气路结构模块(1)中，通过内六角堵头(106)对进气管路进行气路密封，通过圆柱堵头(107)对调零气路进行气路密封。5.根据权利要求1所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述可更换节流孔一(103)的外壁与测量气路内壁之间通过密封圈一(10)进行密封，所述可更换节流孔二(104)的外壁与调零气路内壁之间通过密封圈二(11)进行密封，以实现节流功能。6.根据权利要求1所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述气电转换器还包括中部壳体(3)，所述气路结构模块(1)设置在中部壳体(3)下方，所述法布里-珀罗差压式传感器(2)设置在中部壳体(3)中。7.根据权利要求1所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述法布里-珀罗压力传感器基于mems工艺制造，采用薄膜式压力敏感元件和法布里-珀罗光学压力转换元件，压缩气体由第一测量腔进气口(201)和第二测量腔进气口(202)分别进入到传感器的不同测量腔，所述第一测量腔进气口(201)位置由o型密封圈三(8)密封，所述第二测量腔进气口(202)位置由o型密封圈四(9)密封。8.根据权利要求1所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述中部壳体(3)上安装有db9接头(4)，所述db9接头(4)连接所述信号调理电路(203)和气电转换控制仪(12)，以完成数据传输和通讯功能。9.根据权利要求1所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所
述气电转换控制仪(12)包括依次连接的a/d转换器、arm单片机和lcd显示屏，对所述电压信号进行模数转换和数据处理后，将测量结果显示在lcd显示屏上。10.根据权利要求9所述基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，其特征在于，所述arm单片机连接数控系统(13)，实时的测量数据将以数字量的形式传输到数控系统(13)中。

技术总结
本发明公开了一种基于法布里-珀罗差压式传感器的气电转换器，主要由气路结构模块、法布里-珀罗差压式传感器、中部壳体、上部壳体和气电转换控制仪组成。所述气路结构模块基于差压式气电转换器原理，即稳定的压缩空气进入到气电转换器的气路结构中，后气路分为两路：一路为调零气路，另一路为测量气路。在调零气路中，压缩气体沿气路经过可更换节流孔和调零阀流入大气；在测量气路中，压缩气体流经可更换节流孔后，再由测量头和被测工件之间的测量间隙流入大气。本发明采用高稳定性气路结构和基于MEMS工艺制造的法布里-珀罗差压式传感器，大大提高了气动测量系统的精度、稳定性、分辨率和响应速度，并可以数字量输出形式与数控系统配套使用。统配套使用。统配套使用。


技术研发人员：李兵 李鹏飞 侯颖 兰梦辉 陈磊 韦学勇
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8