摘? 要：基于反射式氣動傳感器的原理，對反射式氣動傳感器內(nèi)部流場建立二維模型，利用有限元分析軟件COMSOL進(jìn)行仿真，分析反射式氣動傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對測量特性的影響。實驗結(jié)果表明，仿真反射式氣動傳感器流場的分析結(jié)果可以作為設(shè)計流體傳感器的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：反射式氣動傳感器;有限元分析;COMSOL

引言

氣動測量以壓縮空氣為介質(zhì)，噴嘴噴出氣體到被測物表面，管路中氣體的壓力或流量隨著噴嘴與被測物之間的間隙變化而變化，把物體尺寸變化量轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w流量或壓力的變化[1.2]。反射式氣動傳感器量程一般為4～6mm，精度為0.1～0.05mm，在測量范圍內(nèi)有非線性的特點(diǎn)。通過COMSOL仿真軟件，對反射式氣動傳感器內(nèi)部流場進(jìn)行仿真，優(yōu)化反射式氣動傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣動參數(shù)提高測量精度和靈敏度。

1 反射式氣動傳感器

1.1 反射式氣動傳感器工作原理

反射式氣動傳感器的工作原理如圖1，氣體經(jīng)過過濾、穩(wěn)壓后壓力恒定為Ps，然后通過內(nèi)徑為Di外徑為D0的噴嘴向外噴射氣體，當(dāng)噴嘴前方被測物體進(jìn)入測量范圍內(nèi)，氣流經(jīng)過被測物表面反射進(jìn)入接受管，接受管內(nèi)氣體壓力P0隨著測量間隙S的變小而增大，將尺寸或位移變化量轉(zhuǎn)為壓力的變化。

經(jīng)過理論推算可以近似得到反射式氣動傳感器的測量特性方程：

式中C2為近似常數(shù)[3]。

1.2反射式氣動傳感器氣體流場

有限元分析法是把無限無邊界的物理問題建立模型，把模型分解為有限個小的單元的集合體，然后對小單元施加條件，如果條件滿足連續(xù)性，可以得出整體模型的解。

反射式氣動傳感器是使用壓縮氣體測量，使用的壓縮氣體一般為低壓氣體，氣體速度低于0.3馬赫，通過計算雷諾系數(shù)流場為不可壓縮的湍流模型。在COMSOL軟件中使用Navier-Stokes 方程計算不可壓縮湍流流體的動量方程。

1.3 反射式氣動傳感器噴嘴結(jié)構(gòu)

反射式氣動傳感器內(nèi)部氣體流過的流場為三維模型，離散三維模型網(wǎng)格數(shù)會很多，計算很困難，根據(jù)資料，使用軸對稱二維模型代替是可行的。反射式氣動傳感器的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)為環(huán)形氣隙間距h，環(huán)形氣隙內(nèi)徑Di外徑D0，噴嘴外環(huán)外傾角β、內(nèi)傾角α、壁厚S2，噴嘴內(nèi)外環(huán)軸向距離S1接受管直徑D，和氣阻結(jié)構(gòu)尺寸b，噴嘴管環(huán)形間距h`。

2 有限元分析

2.1有限元建模

通過COMSOL進(jìn)行建模仿真，對反射式氣動傳感器流場進(jìn)行分析，首先選擇湍流模型，然后畫制流場的二維模型，如果使用COMSOL自帶的制圖不方便畫復(fù)雜的圖形，還可以導(dǎo)入CAD畫的dxf文件。建立好二維模型后，添加流體模型的材料為空氣。

2.2 COMSOL仿真條件及求解

在COMSOL軟件中建立好模型后，通過對模型施加邊界條件完成求解。

⑴對模型定義入口出口，氣壓為輸入壓力（例如0.2MPa），出口壓力為0。

⑵空氣的性質(zhì)常數(shù)軟件自帶，因為氣流為湍流，為了得到收斂的解，所以在Navier-Stokes 方程中非自洽穩(wěn)定中的同性擴(kuò)散系數(shù)調(diào)整為0.5以上。

⑶對模型劃分網(wǎng)格，添加穩(wěn)態(tài)研究，進(jìn)行計算，求解。

⑷通過COMSOL軟件計算可以得到模型的壓力分布圖得到出口壓力。

2.3 有限元仿真結(jié)果分析

對仿真模型每次改變測量距離，每次改變0.05mm得到的壓力值，繪制輸出壓力與測量距離的曲線圖。為了確定每個結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值，以現(xiàn)有的FESTO RML-4.8-S型反射式氣動傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，每次只改變一個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，得到測量曲線圖并分析，確定最佳參數(shù)。

通過建模仿真對比分析，優(yōu)化后的反射式氣動傳感器最優(yōu)結(jié)構(gòu)的模型仿真比優(yōu)化前提升巨大，測量靈敏度和測量曲線線性變好，在0～6mm之間都有很好的輸出壓力和曲線線性。對比仿真優(yōu)化前，反射式氣動傳感器的測量效果提升明顯

3 實驗驗證

為了驗證反射式氣動傳感器仿真結(jié)果組裝實驗裝置。由微動臺帶動被測物，最佳尺寸參數(shù)的反射式氣動傳感器測量被測物體（標(biāo)準(zhǔn)量塊），通過壓力傳感器把反射式氣動傳感器的輸出壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，在?jīng)過處理電路和16位的采集卡采集電壓輸入電腦，在電腦上的Labview編寫的程序進(jìn)行曲線擬合和數(shù)據(jù)顯示。反射式氣動傳感器與量塊之間的距離由微動臺控制，從0 mm開始調(diào)整到6mm讀取測量的電壓值。

4 結(jié)語

使用有限元分析法，用COMSOL軟件對反射式氣動傳感器內(nèi)部流場建模分析，仿真分析并優(yōu)化反射式氣動傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化后的測量曲線比優(yōu)化前提升巨大，并通過實驗驗證優(yōu)化后的反射式氣動傳感器測量特性與仿真結(jié)果一致。對反射式氣動傳感器流場仿真分析的結(jié)果可以作為依據(jù)設(shè)計反射式氣動傳感器，為以后設(shè)計流體傳感器設(shè)計提供了分析方法和設(shè)計依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2]? TKAMASU K，KUO C-C，et al.Development of a Pneumatic Ball Probe[J].Precision Engineering，1991，33（3）：233-238.

[3]? 孫軍，鄧善熙.尺寸測量氣電式傳感器的研究[J].儀器儀表學(xué)報，1996，17（1）：95-98.

作者簡介：史可（1993-），碩士研究生，合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，230009合肥市，研究方向：精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。