摘　要：本文主要介绍了活塞式气体流量标准装置的结构及工作原理，为了减少不同因素的影响、方便量值溯源与传递，本装置需额外配置一套光栅尺系统进行位移量修正。经重复性试验验证，影响光栅尺性能的主要因素有流量、光栅尺的安装方式、活塞与活塞缸体的加工精度及润滑条件等，最后提出建议，为今后活塞式气体流量标准装置的进一步完善提供参考。

      关键词：活塞式；光栅尺；重复性
   
      ０　前言
   
      光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。常应用于数控机床的闭环伺服系统中，也可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。本文主要将光栅尺应用于活塞式气体流量标准装置中，测量活塞的位移量Ｌ，能够方便、可靠的进行量值传递与溯源活动。
 
      １　、活塞式气体流量标准装置的结构及工作原理
   
      ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式气体流量标准装置是利用活塞的运动，将装置气室内（活塞缸）的气体通过管路以恒定的压力和流量流向被检流量计，以活塞运动一定距离排出气体的体积值作为标准体积流量，与流量计的示值相比较，从而得出流量计的示值误差。原理和结构示意图如下：
 
 

      图１　ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式气体流量标准装置的结构示意图
     
      如图１ 所示，装置工作时，活塞向下运动，气室内气体压力经过一个上升过程后逐步达到稳定值，以此为起点，随着活塞的继续匀速运动，气室的容积逐渐减少，气室内的气体通过管路、流量计排出，排出气体的体积等于气室的体积减少值。
 
      因此，标准体积流量Ｖ＝活塞缸的截面积Ｓ位移量Ｌ，活塞缸的截面积在活塞缸加工完成后用三坐标测量仪器测得，并认为是固定不变的；而位移在工作中是不断变化的，本装置采用高分辨率的旋转编码器来测量位移，同时它在测量过程中输出的脉冲信号可供测控系统计算位移并控制电机的转速。但影响位移量的因素很多，如丝杠的精度、编码器的准确度（存在丢步现象）、减速器及步进电机的稳定性等，为了减少不同因素的影响、方便量值溯源与传递，本装置额外配置一套光栅尺系统进行位移量修正。
 
      ２、　光栅尺的安装与重复性试验
 
      ２.１　光栅尺的安装

      本文采用的光栅尺ＫＡ －３００（如图２），由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅直接固定在顶板和缸体面板合适的位置上，根据光栅读数头的不同安装位置，涉及两种安装方式：（１）中心位置（软连接）安装，即将光栅尺的读数头通过连接金属片固定在导向板（注：导向板随活塞一起运动）的中心处，沿垂直标尺光栅随导向板上下移动；（２）直接将光栅尺的读数头固定在导向板上，不需要金属片连接，又称之为硬连接。
  
  

     
  
                                图２　光栅尺ＫＡ －３００
 
 
                  表１　每一流量点的试验结果（软连接）

  
  
      ２.２　、重复性试验
 
      根据ＭＪ２２４０ －１００Ｌ 活塞式气体流量标准装置的测

      根据编码器采集到的脉冲信号，换算出活塞的位移量Ｌ（ｍｍ／２０４８ 个脉冲）；由光栅尺采集到的位移量Ｌ′再换算出脉冲数Ｎ；选择Ｎ 的相对标准偏差作为光栅尺重复性的验证指标。
 
      ３　、试验结果与分析
 
      ３.１　、试验结果
 
      在不同试验条件下，由计算机直接采集到数据Ｌ 和Ｌ′，根据以下公式（１）、（２）、（３）得出表１、表２。

  
      
  
      表２　测量段（２０ ～４０）Ｌ、（４０ ～６０）Ｌ 的试验结果（软连接）
  
     
  
      ３.２　、结果分析
 
由表１ 数据可以得出：随着流量点的增大，标准偏差和相对标准偏差
也随之增大（如图３），即光栅尺的稳定性及重复性降低。
 
 
         表３　０５ｍ３ ／ｈ、１ｍ３ ／ｈ 下的试验结果（硬连接）

     
  
  
                  表４　不利条件下注运行活塞的试验结果（硬连接）
  

      
  
                    图３　标准偏差、相对标准偏差与流量点的关系
 
   
      由表２ 数据可以得出：相同的流量下，在不同的测量段测得的标准偏差、相对标准偏差存在差距，说明活塞、活塞缸体的加工精度以及周围环境的变化都会对光栅尺的稳定性、重复性造成影响。由表３ 数据可以得出：无论是硬连接还是软连接，小流量点下，光栅尺的性能很稳定；另外，软连接由于金属片随活塞上下移动，受力变形，会产生轻微抖动，导致稳定性变差。由表４ 数据可以得出：活塞在润滑条件下降，活塞所受阻力增大，将会产生剧烈震动，尤其是大流量点（≥３ｍ３ ／ｈ）运行时，脉冲数Ｎ变化很大；相反，小流量点运行时，影响不大。
 

      ４　、结论与建议
 
      结论：光栅尺的稳定性跟流量有关，随着流量的增大，稳定性降低；其次，稳定性跟光栅尺的安装方式有关，硬连接能有效提高其稳定性，但软连接能缓冲由于装置震动带来的损坏，对光栅尺起到一定的保护作用；还有就是通过试验可以得出活塞、活塞缸体的加工精度以及周围环境的变化对光栅尺的稳定性造成影响，尤其是润滑条件下降，大流量运行时，装置会产生强烈的震动，使光栅尺的使用寿命降低以及活塞、活塞缸体的加速磨损，导致密封性能降低、气体泄漏量增大，最终装置失准。
 
      建议：对活塞进行优化设计，添加注油口，定期加注润滑油，保持良好的润滑环境，避免或消弱由于活塞与活塞缸体的干摩擦引起的震动，并在活塞缸体内壁加工出回油槽，定期清理废油，防止润滑油随气流进入管道；提高活塞、活塞缸体的加工精度，使得整个工作区间内活塞运行平稳，只需进行总高度进行修正，不需要再分段修正。