本發(fā)明涉及活塞測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

jjg59-1990二、三等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程中規(guī)定，測(cè)量活塞有效面積用起始平衡法。新修訂的jjg59-2007活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程增加了直接平衡法，這是一種國(guó)際上常見的檢定方法，理論上較為科學(xué)合理。新規(guī)程規(guī)定了當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)和被檢活塞式壓力計(jì)的活塞系統(tǒng)材料、形狀尺寸都基本相同時(shí)才采用起始平衡法。這里討論活塞有效面積測(cè)量過(guò)程中需注意的問(wèn)題。

直接平衡法首先確定標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)和被檢活塞式壓力計(jì)參考平面的高度差h，然后測(cè)量活塞式壓力計(jì)的活塞質(zhì)量及連接件質(zhì)量，需要注意的是哪些質(zhì)量起了作用。在第一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)，分別在兩壓力計(jì)上加上相應(yīng)的專用砝碼，加壓力后使兩活塞升至工作位置，以一定的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩活塞平衡，記錄下標(biāo)稱壓力值、活塞溫度、砝碼質(zhì)量、環(huán)境參數(shù)。根據(jù)直接平衡法的計(jì)算公式：

帶下標(biāo)t的量為下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)活塞，帶下標(biāo)s的量為上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)活塞。

式中：at0—零表壓下的下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)活塞有效面積，mm²

as0—零表壓下的上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)活塞有效面積，mm²

m—活塞、承重盤及所有專用砝碼的真空質(zhì)量，kg

ρ—專用砝碼密度，kg/m³

ρa(bǔ)—空氣密度，kg/m³

ρf—工作介質(zhì)密度，kg/m³

g—使用地的重力加速度，m/s²

γ—工作介質(zhì)的表面張力系數(shù)，n/m²

p—活塞的名義壓力，pa

h—活塞參考面的高度差，m

α—活塞系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)，℃^-1

λ—活塞系統(tǒng)的壓力形變系數(shù)，mpa^-1

t—活塞系統(tǒng)的溫度，℃

公式(9)與活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程中直接平衡法的公式本質(zhì)上是相同的。在式中，除了需要準(zhǔn)確測(cè)量活塞、承重盤及所有專用砝碼的真空質(zhì)量外，還需要準(zhǔn)確測(cè)量活塞參考面的高度差和活塞系統(tǒng)的溫度。

活塞高度的測(cè)量方法是首次討論，現(xiàn)有技術(shù)的第一種測(cè)量方法為：測(cè)量的過(guò)程如圖1所示：首先使活塞處于平衡位置，在位置7做出高度標(biāo)識(shí)線，以標(biāo)識(shí)活塞位置，其次緩慢取出活塞將其處于豎直方向緊貼活塞筒，找到標(biāo)識(shí)位置，使活塞筒的上部與位置7相齊，此時(shí)使用數(shù)顯高度卡尺測(cè)量活塞的下端面(位置4)，高度值3即為活塞下端面與參考面2的高度差值，測(cè)量完畢。

現(xiàn)有技術(shù)的第二種測(cè)量方法為：通過(guò)超聲傳感器測(cè)量出高度值，模塊主要由發(fā)射單元、接收單元、主控單元、供電單元構(gòu)成。通過(guò)主控單元控制超聲波換能器發(fā)射信號(hào)，經(jīng)活塞托盤底部反射，由接收單元接收，觸發(fā)主控單元計(jì)數(shù)器記錄信號(hào)傳播時(shí)間，根據(jù)時(shí)間差測(cè)距法計(jì)算距離。在已知活塞桿幾何尺寸的情況下，計(jì)算出高度差。

但是，第一種測(cè)量方法，其操作復(fù)雜，耗費(fèi)大量的時(shí)間；反復(fù)取出活塞，容易造成活塞的損壞；測(cè)量準(zhǔn)確度較差，人為測(cè)量，使用肉眼觀察帶來(lái)主管的誤差。第二種測(cè)量方法，其時(shí)間誤差大，要保證時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到微秒級(jí)，即主控芯片晶振頻率應(yīng)達(dá)到10mhz或更高，才能保證其計(jì)時(shí)精度；超聲波傳播速度誤差大，超聲波傳播速度受介質(zhì)的密度影響，介質(zhì)密度越高則超聲波的傳播速度越快，而介質(zhì)密度又與溫度有著密切的關(guān)系，需要準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)聲時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償以減小測(cè)量誤差。

綜上所述，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、操作方便的基于溫度、高度差、轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)，是活塞壓力計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量便捷、精度高和誤差小的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)，主要包括調(diào)平系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和顯示單元；

所述調(diào)平系統(tǒng)包括水平校驗(yàn)臺(tái)、液壓控制單元和水平儀；所述傳感器系統(tǒng)包括測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊；

所述控制單元分別與所述水平校驗(yàn)臺(tái)、水平儀相連接，所述水平校驗(yàn)臺(tái)和水平儀均與所述活塞系統(tǒng)相連接，所述測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊分別與所述活塞系統(tǒng)相連接，所述測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊分別與所述顯示單元相連接。

進(jìn)一步地，所述水平校驗(yàn)臺(tái)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠副、蝸輪蝸桿和伺服電機(jī)；蝸輪和滾珠絲杠同軸安裝一隊(duì)齒輪組，伺服電機(jī)輸出扭矩至蝸桿，經(jīng)蝸輪、齒輪組傳遞至滾珠絲杠，進(jìn)而帶動(dòng)螺母垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

進(jìn)一步地，所述水平儀為二維電子水平儀，二維電子水平儀同時(shí)測(cè)量被測(cè)水平面兩個(gè)正交方向水平度，并輸出信號(hào)至所述液壓控制單元，所述液壓控制單元接收二維電子水平儀輸出信號(hào)，計(jì)算并產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整所述活塞系統(tǒng)的垂直度。

進(jìn)一步地，所述測(cè)距模塊包括激光測(cè)距儀，所述激光測(cè)距儀包括激光器、探測(cè)器；濾光片、光闌、放大電路、整形電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘振蕩器。

進(jìn)一步地，所述測(cè)溫模塊主要包括傳感器前置放大電路、單片機(jī)、a/d轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和軟件非線性校正電路。

進(jìn)一步地，所述測(cè)速模塊采用基于三點(diǎn)切向速度方法測(cè)量活塞托盤轉(zhuǎn)速；測(cè)速模塊集成了三個(gè)位移傳感器，成等腰直角三角形排列，垂直向上安裝于活塞水平校驗(yàn)臺(tái)平面，活塞工作時(shí)位移傳感器可以測(cè)量托盤相對(duì)三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的線速度，根據(jù)三點(diǎn)式切向速度法計(jì)算出活塞托盤轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步地，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置，主要包括水平校驗(yàn)臺(tái)、液壓控制單元、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)距傳感器、溫度傳感器、活塞系統(tǒng)、顯示單元和水平儀；

所述液壓控制單元設(shè)置于所述水平校驗(yàn)臺(tái)的底部，所述活塞系統(tǒng)垂直設(shè)置于所述水平校驗(yàn)臺(tái)上的中心位置，所述顯示單元、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)距傳感器和水平儀依次從左至右設(shè)置于所述水平校驗(yàn)臺(tái)上且所述轉(zhuǎn)速傳感器和測(cè)距傳感器分別位于所述活塞系統(tǒng)兩側(cè)，所述溫度傳感器設(shè)置于所述活塞系統(tǒng)的活塞側(cè)壁上。

進(jìn)一步地，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法，其中(1)對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞

對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞，其活塞的下端面為參考面，只需測(cè)量參考面的高度即可。下面為理論推導(dǎo)的過(guò)程：活塞有效面積的確定與選取的參考點(diǎn)有關(guān)聯(lián)，即每一個(gè)參考面對(duì)應(yīng)著一個(gè)有效面積。

存在這個(gè)模型：當(dāng)活塞系統(tǒng)工作時(shí)，若活塞筒的下端對(duì)應(yīng)的水平面為1，活塞筒的頂端對(duì)應(yīng)的水平面為2，活塞下端對(duì)應(yīng)的水平面為3，水平面1和水平面3的垂直距離為h；

水平面1、2處的壓力分別為p1、p2，活塞處于空氣中的部分為ⅰ，進(jìn)入在工作介質(zhì)中的部分為ⅱ，重力為g，浮力為f，粘滯力為f，s0為活塞p1處的面積，

對(duì)于活塞建立平衡方程：

(p1-p2)s0＝g-f-f(1)

可得：

其中，重力加速度為g，vⅰ為空氣部分的體積，vⅱ為工作介質(zhì)部分的體積，活塞在空氣部分的重力為gⅰ，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為gⅱ，ρa(bǔ)、ρm、ρl分別為空氣密度、活塞密度、工作介質(zhì)密度，s油環(huán)為活塞和活塞筒間隙的面積；

其中，seff為活塞的有效面積；

對(duì)活塞的ⅱ部分進(jìn)行受力分析，建立平衡方程：

f液+f＝fⅰ+gⅱ(4)

由于f液和fⅰ是一對(duì)平衡力，可得

f＝gⅱ＝ρlgs0h(5)

將公式(5)帶入公式(2)，得

又因?yàn)閜1-p2+(ρl-ρa(bǔ))gh＝p3，其中水平面3處的壓力為p3，

所以活塞的有效面積參考面處于p3所在的水平面，測(cè)量高度差時(shí)只需測(cè)量活塞桿的最底部即可；

(2)對(duì)于底部有限位裝置的活塞

需要對(duì)活塞側(cè)面凸起部分進(jìn)行理論分析，考慮其浮力作用，效果如同在活塞最底部增加了一部分高度：h1＝h+h0，

其中h為水平面1和水平面3的垂直距離，s0為活塞p1處的面積，h0為限位體積v0引起的高度差；

由公式f＝gⅱ＝ρlgs0h1(7)

又因p1-p2+(ρl-ρa(bǔ))gh1＝p3，h0＝v0/s0，

只要測(cè)量了限位體積，帶入計(jì)算即可以得到修正后的限位高度值h1；

其中，水平面1、2、3處的壓力分別為p1、p2、p3，浮力為f，s0為活塞p1處的面積，其中，重力加速度為g，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為gⅱ，ρa(bǔ)、ρl分別為空氣密度、工作介質(zhì)密度；

(3)對(duì)于具有中空結(jié)構(gòu)的活塞

一般的氣體活塞式壓力計(jì)，其測(cè)量下限較小，最低可達(dá)到4kpa；對(duì)于采用不銹鋼材質(zhì)的活塞系統(tǒng)，其內(nèi)部一般為空心結(jié)構(gòu)；

需要對(duì)活塞空心圓柱部分進(jìn)行理論分析，考慮其浮力作用，效果如同在活塞最底部減小了一部分高度：h2＝h-h0，

其中，h為水平面1和水平面3的垂直距離，s0為活塞p1處的面積，h0為空心圓柱體積v0引起的高度差，

由公式f＝gⅱ＝ρlgs0h2(8)

又因p1-p2+(ρl-ρa(bǔ))gh2＝p3，

只要測(cè)量了空心圓柱體積，帶入計(jì)算即可以得到修正后的限位高度值h2；

其中r為活塞圓柱體的半徑，r為空心圓柱體的半徑，π為圓周率，水平面1、2、3處的壓力分別為p1、p2、p3，浮力為f，s0為活塞p1處的面積，重力加速度為g，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為gⅱ，ρa(bǔ)、ρl分別為空氣密度、工作介質(zhì)密度。

本發(fā)明的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)，主要包括調(diào)平系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和顯示單元；

具有以下技術(shù)效果：

1、采用數(shù)顯高度卡尺結(jié)合激光測(cè)距儀進(jìn)行活塞高度差的測(cè)量，準(zhǔn)確度高，簡(jiǎn)單方便，提高效率，并且不用反復(fù)的抽取活塞，提高了活塞的使用壽命。

2、考慮測(cè)量高度差時(shí)需要測(cè)量活塞的下端面，對(duì)不同構(gòu)造(規(guī)則圓柱體或具有限位裝置和空心結(jié)構(gòu)的不規(guī)則體)的活塞進(jìn)行分析，提出了測(cè)量原理、方法和過(guò)程。

3、溫度測(cè)量模塊中的鉑電阻溫度計(jì)布置在活塞筒的側(cè)壁，對(duì)活塞系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，最大限度的接近于活塞的真實(shí)溫度值。

4、采用基于三點(diǎn)切向速度方法測(cè)量活塞托盤轉(zhuǎn)速。模塊集成了三個(gè)位移傳感器，成等腰直角三角形排列，垂直向上安裝于活塞水平校驗(yàn)臺(tái)平面。

5、提供了自動(dòng)調(diào)整式校驗(yàn)臺(tái)，滿足活塞式壓力計(jì)檢定過(guò)程中對(duì)垂直度的要求；具有傳遞效率高、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)蝸輪蝸桿解決了滾珠絲杠無(wú)法自鎖的難題。

6、該綜合裝置采用非接觸、方便快捷的測(cè)量工作時(shí)的各個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)活塞系統(tǒng)實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量、自動(dòng)調(diào)整活塞水平位置、測(cè)量活塞轉(zhuǎn)動(dòng)速度、以及活塞高度的測(cè)量。

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1為背景技術(shù)中第一種活塞高度測(cè)量方法的儀器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明所述一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量用激光器的工作原理圖；

圖5為本發(fā)明所述一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)的脈沖激光測(cè)距儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明所述一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫模塊電氣原理圖；

圖7為本發(fā)明所述一種應(yīng)用權(quán)利要求8所述測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法中規(guī)則圓柱體活塞構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明所述一種應(yīng)用權(quán)利要求8所述測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法中規(guī)則圓柱體活塞第2部分受力分析圖；

圖9為本發(fā)明所述一種應(yīng)用權(quán)利要求8所述測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法中底部具有限位裝置活塞構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明所述一種應(yīng)用權(quán)利要求8所述測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法中具有中空結(jié)構(gòu)的活塞構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖。

結(jié)合附圖1，本發(fā)明實(shí)施例中附圖1標(biāo)記如下：

1-數(shù)顯高度卡尺；2-參考面；3-高度值；4-活塞下端面；5-活塞筒；6-活塞桿；7-高度標(biāo)識(shí)線；

結(jié)合附圖5，本發(fā)明實(shí)施例中附圖5標(biāo)記如下：

1-激光器；2-探測(cè)器(光電)；3-濾光片；4-光闌；5-放大電路；6-整形電路；7-觸發(fā)器；8-計(jì)數(shù)器；9-時(shí)鐘振蕩器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖2所示，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)，主要包括調(diào)平系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和顯示單元；調(diào)平系統(tǒng)包括水平校驗(yàn)臺(tái)、液壓控制單元和水平儀；傳感器系統(tǒng)包括測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊；控制單元分別與所述水平校驗(yàn)臺(tái)、水平儀相連接，水平校驗(yàn)臺(tái)和水平儀均與活塞系統(tǒng)相連接，測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊分別與活塞系統(tǒng)相連接，測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊分別與顯示單元相連接。

進(jìn)一步地，所述水平校驗(yàn)臺(tái)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

水平儀為二維電子水平儀，二維電子水平儀同時(shí)測(cè)量被測(cè)水平面兩個(gè)正交方向水平度，并輸出信號(hào)至液壓控制單元，液壓控制單元接收二維電子水平儀輸出信號(hào)，計(jì)算并產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整活塞系統(tǒng)的垂直度。

測(cè)距模塊包括激光測(cè)距儀，激光測(cè)距儀包括激光器、探測(cè)器；濾光片、光闌、放大電路、整形電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘振蕩器。

測(cè)溫模塊主要包括傳感器前置放大電路、單片機(jī)、a/d轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和軟件非線性校正電路。

測(cè)速模塊采用基于三點(diǎn)切向速度方法測(cè)量活塞托盤轉(zhuǎn)速；測(cè)速模塊集成了三個(gè)位移傳感器，成等腰直角三角形排列，垂直向上安裝于活塞水平校驗(yàn)臺(tái)平面，活塞工作時(shí)位移傳感器可以測(cè)量托盤相對(duì)三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的線速度，根據(jù)三點(diǎn)式切向速度法計(jì)算出活塞托盤轉(zhuǎn)速。

測(cè)速系統(tǒng)中常見的轉(zhuǎn)速測(cè)量主要是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換方式測(cè)量轉(zhuǎn)速，需要在被測(cè)物體表面粘貼發(fā)光貼片反射信號(hào)用于傳感器接收。對(duì)于活塞式壓力計(jì)而言，其活塞連接件及托盤的質(zhì)量要求固定不變，否則會(huì)引入質(zhì)量誤差，因此無(wú)法使用這種方法進(jìn)行測(cè)量。采用基于三點(diǎn)切向速度方法測(cè)量活塞托盤轉(zhuǎn)速。模塊集成了三個(gè)位移傳感器，成等腰直角三角形排列，垂直向上安裝于活塞水平校驗(yàn)臺(tái)平面，活塞工作時(shí)位移傳感器可以測(cè)量托盤相對(duì)三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的線速度，根據(jù)三點(diǎn)式切向速度法可計(jì)算出活塞托盤轉(zhuǎn)速。

自動(dòng)調(diào)水平系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了分體式自動(dòng)水平調(diào)整裝置實(shí)現(xiàn)活塞系統(tǒng)水平測(cè)量，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的垂直度。裝置由二維電子水平儀、控制單元和水平校驗(yàn)臺(tái)組成。二維電子水平儀可同時(shí)測(cè)量被測(cè)水平面兩個(gè)正交方向水平度，并可輸出信號(hào)至控制單元；控制單元接收水平儀輸出信號(hào)，計(jì)算并產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)水平校驗(yàn)臺(tái)內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整活塞系統(tǒng)的垂直度；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠副、渦輪蝸桿和伺服電機(jī)組成。渦輪和絲杠同軸安裝一隊(duì)齒輪組，伺服電機(jī)輸出扭矩至蝸桿，經(jīng)渦輪、齒輪組傳遞至絲桿，進(jìn)而帶動(dòng)螺母垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，具有傳遞效率高、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)渦輪蝸桿解決了滾珠絲杠無(wú)法自鎖的難題。

如圖3所示，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置，主要包括水平校驗(yàn)臺(tái)、液壓控制單元、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)距傳感器、溫度傳感器、活塞系統(tǒng)、顯示單元和水平儀；液壓控制單元設(shè)置于水平校驗(yàn)臺(tái)的底部，活塞系統(tǒng)垂直設(shè)置于水平校驗(yàn)臺(tái)上的中心位置，顯示單元、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)距傳感器和水平儀依次從左至右設(shè)置于水平校驗(yàn)臺(tái)上且轉(zhuǎn)速傳感器和測(cè)距傳感器分別位于活塞系統(tǒng)兩側(cè)，溫度傳感器設(shè)置于活塞系統(tǒng)的活塞側(cè)壁上。

其中，活塞的高度值為h＝h1-h2，其中h2由數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)出，h1由激光測(cè)距儀測(cè)量所得。主要實(shí)現(xiàn)以下所述功能：1、自動(dòng)修正調(diào)整活塞系統(tǒng)的水平度；2、實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示活塞系統(tǒng)的溫度；3、測(cè)量活塞系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；4、測(cè)量活塞系統(tǒng)的高度值。

如圖4所示，激光器發(fā)出的激光脈沖，遇到目標(biāo)后反射回來(lái)并被測(cè)距儀接收裝置的光電探測(cè)器接受并放大，通過(guò)一定的方法獲得激光往返于目標(biāo)所需要的時(shí)間(以發(fā)射光脈沖與接收光脈沖為計(jì)時(shí)起止標(biāo)識(shí))t，最后由公式l＝ct/2來(lái)計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)物的距離，公式l為距離，c為光速。通常把激光器瞬時(shí)發(fā)出的激光脈沖作為主波信號(hào)，把遇到目標(biāo)物后反射回來(lái)的激光脈沖作為回波信號(hào)。往返時(shí)間的獲得需要先使用一定的方式對(duì)主播信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行鑒定，然后再用相應(yīng)的方法計(jì)算出兩者之間的時(shí)間間隔，從而計(jì)算出所需要的距離。

典型的脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)具備以下模塊：控制模塊、激光脈沖發(fā)射模塊、回波信號(hào)接收放大模塊、主波信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)刻鑒別模塊、往返的時(shí)間間隔測(cè)量模塊。

如圖5所示，脈沖激光測(cè)距儀的工作過(guò)程為：首先將復(fù)位開關(guān)k打開，整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)被復(fù)位，做好測(cè)距準(zhǔn)備。同時(shí)脈沖激光器被觸發(fā)并發(fā)射出主波信號(hào)，此信號(hào)中大部分能量被發(fā)射到目標(biāo)物，另外一小部分能量作為參考信號(hào)被送到接收系統(tǒng)與回波信號(hào)一起被光電探測(cè)器先后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大整形后，分別作為起始信號(hào)和終止信號(hào)使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)無(wú)效，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，翻轉(zhuǎn)無(wú)效時(shí)計(jì)數(shù)停止。為了減小雜散光等對(duì)光電探測(cè)器造成的干擾，這里使用了光闌和干涉濾光片。分別以主波信號(hào)和回波信號(hào)的上升沿作為標(biāo)識(shí)進(jìn)行鑒別，根據(jù)期間所記錄到的脈沖數(shù)目可以計(jì)算出往返時(shí)間。

如圖6所示，測(cè)溫電路分為兩部分，一是傳感器前置放大電路，一是單片機(jī)a/d轉(zhuǎn)換和顯示、控制，軟件非線性校正等部分。

高精密a/d轉(zhuǎn)換器icl7135，鉑電阻測(cè)溫電路線性化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)了4位半雙積分型a/d轉(zhuǎn)換，icl7135.icl7135每一個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為三個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零階段、被測(cè)電壓積分階段、對(duì)基準(zhǔn)電壓uref進(jìn)行反積分階段。結(jié)合鉑電阻溫度測(cè)量分析icl7135的工作過(guò)程：1、正向積分階段。2、反向積分階段。

icl7135與單片機(jī)89c52接口的新方法，使用7135是利用它具有多重動(dòng)態(tài)掃描的bcd碼輸出來(lái)讀取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果，這樣既費(fèi)時(shí)、又占用較多口線。在測(cè)控儀表中，盡量少占用微處理器i/o口線，以最少原器件、完成盡可能多的任務(wù)是十分重要的。這里介紹的icl7135與單片機(jī)接口的簡(jiǎn)易方法，是利用7135的“busy”端，只需占用單片機(jī)89c51的一個(gè)i/o和內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器，就可以在十幾微秒的中斷服務(wù)程序中把icl7135的a/d轉(zhuǎn)換值送入到單片機(jī)內(nèi)。實(shí)踐證明該方法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

如圖7所示，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法，其中對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞的測(cè)量方法如下：

對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞，其活塞的下端面為參考面，只需測(cè)量參考面的高度即可。下面為理論推導(dǎo)的過(guò)程：活塞有效面積的確定與選取的參考點(diǎn)有關(guān)聯(lián)，即每一個(gè)參考面對(duì)應(yīng)著一個(gè)有效面積。

存在這個(gè)模型：當(dāng)活塞系統(tǒng)工作時(shí)，若活塞筒的下端對(duì)應(yīng)的水平面為1，活塞筒的頂端對(duì)應(yīng)的水平面為2，活塞下端對(duì)應(yīng)的水平面為3，水平面1和水平面3的垂直距離為h；

水平面1、2處的壓力分別為p1、p2，活塞處于空氣中的部分為ⅰ，進(jìn)入在工作介質(zhì)中的部分為ⅱ，重力為g，浮力為f，粘滯力為f，s0為活塞p1處的面積，

對(duì)于活塞建立平衡方程：

(p1-p2)s0＝g-f-f(1)

可得：

其中，重力加速度為g，vⅰ為空氣部分的體積，vⅱ為工作介質(zhì)部分的體積，活塞在空氣部分的重力為gⅰ，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為gⅱ，ρa(bǔ)、ρm、ρl分別為空氣密度、活塞密度、工作介質(zhì)密度，s油環(huán)為活塞和活塞筒間隙的面積；

其中，seff為活塞的有效面積；

對(duì)活塞的ⅱ部分進(jìn)行受力分析，建立平衡方程：

f液+f＝fⅰ+gⅱ(4)

由于f液和fⅰ是一對(duì)平衡力，可得

f＝gⅱ＝ρlgs0h(5)

將公式(5)帶入公式(2)，得

又因?yàn)閜1-p2+(ρl-ρa(bǔ))gh＝p3，其中水平面3處的壓力為p3，

所以活塞的有效面積參考面處于p3所在的水平面，測(cè)量高度差時(shí)只需測(cè)量活塞桿的最底部即可。

如圖8所示，其為規(guī)則圓柱體活塞第2部分受力分析圖，可知f液+f＝fⅰ+gⅱ。

如圖9所示，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法，其中對(duì)于底部有限位裝置的活塞的測(cè)量方法如下：

需要對(duì)活塞側(cè)面凸起部分進(jìn)行理論分析，考慮其浮力作用，效果如同在活塞最底部增加了一部分高度：h1＝h+h0，

其中h為水平面1和水平面3的垂直距離，s0為活塞p1處的面積，h0為限位體積v0引起的高度差；

由公式f＝gⅱ＝ρlgs0h1(7)

又因p1-p2+(ρl-ρa(bǔ))gh1＝p3，h0＝v0/s0，

只要測(cè)量了限位體積，帶入計(jì)算即可以得到修正后的限位高度值h1；

其中，水平面1、2、3處的壓力分別為p1、p2、p3，浮力為f，s0為活塞p1處的面積，其中，重力加速度為g，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為gⅱ，ρa(bǔ)、ρl分別為空氣密度、工作介質(zhì)密度。

如圖10所示，一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法，其中對(duì)于具有中空結(jié)構(gòu)的活塞的測(cè)量方法如下：

一般的氣體活塞式壓力計(jì)，其測(cè)量下限較小，最低可達(dá)到4kpa；對(duì)于采用不銹鋼材質(zhì)的活塞系統(tǒng)，其內(nèi)部一般為空心結(jié)構(gòu)；

需要對(duì)活塞空心圓柱部分進(jìn)行理論分析，考慮其浮力作用，效果如同在活塞最底部減小了一部分高度：h2＝h-h0，

其中，h為水平面1和水平面3的垂直距離，s0為活塞p1處的面積，h0為空心圓柱體積v0引起的高度差，

由公式f＝gⅱ＝ρlgs0h2(8)

又因p1-p2+(ρl-ρa(bǔ))gh2＝p3，

只要測(cè)量了空心圓柱體積，帶入計(jì)算即可以得到修正后的限位高度值h2；

其中r為活塞圓柱體的半徑，r為空心圓柱體的半徑，π為圓周率，水平面1、2、3處的壓力分別為p1、p2、p3，浮力為f，s0為活塞p1處的面積，重力加速度為g，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為gⅱ，ρa(bǔ)、ρl分別為空氣密度、工作介質(zhì)密度。

活塞式壓力計(jì)主要受到使用地點(diǎn)重力加速度、活塞軸線與垂直方向的夾角、環(huán)境溫度與實(shí)際使用密切相關(guān)。在實(shí)際工作中，需保證活塞系統(tǒng)按照規(guī)定的角速度旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)有條件只能估算出旋轉(zhuǎn)速度是否達(dá)到檢定規(guī)程的要求，無(wú)法測(cè)量其精確值。活塞高度的測(cè)量中使用鋼直尺進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法、人為因素帶來(lái)的不確定度較大。在高度差測(cè)量過(guò)程中需要反復(fù)的抽拔活塞，有活塞損壞的危險(xiǎn)。該綜合裝置采用非接觸、方便快捷的測(cè)量工作時(shí)的各個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)活塞系統(tǒng)實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量、自動(dòng)調(diào)整活塞水平位置、測(cè)量活塞轉(zhuǎn)動(dòng)速度、以及活塞高度的測(cè)量。

至少可以達(dá)到以下有益效果：

本發(fā)明的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專用綜合測(cè)量系統(tǒng)，主要包括調(diào)平系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和顯示單元；

1、采用數(shù)顯高度卡尺結(jié)合激光測(cè)距儀進(jìn)行活塞高度差的測(cè)量，準(zhǔn)確度高，簡(jiǎn)單方便，提高效率，并且不用反復(fù)的抽取活塞，提高了活塞的使用壽命。

2、考慮測(cè)量高度差時(shí)需要測(cè)量活塞的下端面，對(duì)不同構(gòu)造(規(guī)則圓柱體或具有限位裝置和空心結(jié)構(gòu)的不規(guī)則體)的活塞進(jìn)行分析，提出了測(cè)量原理、方法和過(guò)程。

3、溫度測(cè)量模塊中的鉑電阻溫度計(jì)布置在活塞筒的側(cè)壁，對(duì)活塞系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，最大限度的接近于活塞的真實(shí)溫度值。

4、采用基于三點(diǎn)切向速度方法測(cè)量活塞托盤轉(zhuǎn)速。模塊集成了三個(gè)位移傳感器，成等腰直角三角形排列，垂直向上安裝于活塞水平校驗(yàn)臺(tái)平面。

5、提供了自動(dòng)調(diào)整式校驗(yàn)臺(tái)，滿足活塞式壓力計(jì)檢定過(guò)程中對(duì)垂直度的要求；具有傳遞效率高、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)蝸輪蝸桿解決了滾珠絲杠無(wú)法自鎖的難題。

6、該綜合裝置采用非接觸、方便快捷的測(cè)量工作時(shí)的各個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)活塞系統(tǒng)實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量、自動(dòng)調(diào)整活塞水平位置、測(cè)量活塞轉(zhuǎn)動(dòng)速度、以及活塞高度的測(cè)量。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。