工程测试技术-第六部分-典型物理量测量方案设计-hjy课件

第六章第六章 典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计完成本章内容的学习后应能做到：完成本章内容的学习后应能做到：1.了解各种物理量（位移、温度、应了解各种物理量（位移、温度、应变、振动、力和噪声）的测量方法变、振动、力和噪声）的测量方法2.掌握各种物理量测试的基本原理掌握各种物理量测试的基本原理 8/2/202416.1位移的测量位移的测量典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计位移是指物体上某一点在一定方向上的变动量，是一个向量。位移是指物体上某一点在一定方向上的变动量，是一个向量。位移是线位移和角位移的统称。位移是线位移和角位移的统称。在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测量，也是以位移测量为基础的。量，也是以位移测量为基础的。8/2/20242常用位移传感器一览表常用位移传感器一览表型式型式测量范围测量范围精确度精确度直线性直线性特点特点电电阻阻式式滑线式滑线式线位移线位移1300mm0.1%0.1%分辨力较好，可静态分辨力较好，可静态或动态测量。机械结或动态测量。机械结构不牢固构不牢固角位移角位移03600.1%0.1%变阻器变阻器式式线位移线位移11000mm0.5%0.5%结构牢固，寿命长，结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声但分辨力差，电噪声大大角位移角位移060r0.5%0.5%应应变变式式非粘贴的非粘贴的0.15%应变应变0.1%1%不牢固不牢固粘贴的粘贴的0.3%应变应变2%3%使用方便，需温度补使用方便，需温度补偿偿半导体的半导体的0.25%应变应变2%3%满刻度满刻度20%输出幅值大，温度灵输出幅值大，温度灵敏性高敏性高电电感感式式自感自感式式变气隙型变气隙型0.2mm1%3%只宜用于微小位移测只宜用于微小位移测量量螺管型螺管型1.52mm测量范围较前者宽，测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态使用方便可靠，动态性能较差性能较差特大型特大型3002000mm0.15%1%差动变压器差动变压器0.0875mm0.50.5%分辨力好，受到磁场分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽干扰时需屏蔽8/2/20243常用位移传感器一览表常用位移传感器一览表型式型式测量范围测量范围精确度精确度直线性直线性特点特点电电感感式式涡电流式涡电流式2.5250mm1%3%3%分辨力好，受被测物体材料、形状、分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响加工质量影响同步机同步机3600.170.5%可在可在1200r/min转速工作，坚固，转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感对温度和湿度不敏感微动同步器微动同步器101%0.05%非线性误差与变压比和测量范围有非线性误差与变压比和测量范围有关关旋转变压器旋转变压器600.1%电电容容式式变面积变面积10-3103mm0.005%1%受介电常数因环境温度、湿度而变受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响化的影响变间距变间距10-310mm0.1%分辨力很好，但测量范围很小，只分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性能在小范围内近似地保存线性霍尔元件霍尔元件1.5mm0.5%结构简单，动态特性好结构简单，动态特性好感应感应同步同步器器直线式直线式10-3104mm2.5m250mm模拟和数字混合测量系统，数字显模拟和数字混合测量系统，数字显示示(直线式感应同步器的分辨力可直线式感应同步器的分辨力可达达1m)旋转式旋转式0o3600.58/2/20244计量计量光栅光栅长光栅长光栅10-3103mm3m1m同上同上(长光栅分辨力可达长光栅分辨力可达1m)圆光栅圆光栅0o3600.5”磁尺磁尺长磁尺长磁尺10-3104mm5m1m测量时工作速度可达测量时工作速度可达12m/min圆磁尺圆磁尺0o3601”角度角度编码编码器器接触式接触式0o36010-6rad分辨力好，可靠性高分辨力好，可靠性高光电式光电式0o36010-6rad8/2/20245典型应用：典型应用：1）回转轴径向运动误差测量）回转轴径向运动误差测量2）厚度的测量）厚度的测量3）物位的测量（）物位的测量（P255）例如：电阻式液位计，通过测）例如：电阻式液位计，通过测量阻值的变化来得之液位高度的变化量阻值的变化来得之液位高度的变化 8/2/20246沉筒所反映的浮力通过弹沉筒所反映的浮力通过弹簧转换成衔铁的位移簧转换成衔铁的位移,再由再由差动变压器转换成与之成差动变压器转换成与之成正比的输出电压正比的输出电压,反映液位反映液位的变化。的变化。8/2/20247被测物是导电介质，被测物是导电介质，液位相当于滑线变阻液位相当于滑线变阻器的中间触头，液位器的中间触头，液位不同，电阻率不同，不同，电阻率不同，输出电压不同。输出电压不同。8/2/202486-2 速度与加速度的测试速度与加速度的测试 由两个线圈组成，工作由两个线圈组成，工作（主动）线圈敏感被测（主动）线圈敏感被测物的运动状况，平衡线物的运动状况，平衡线圈用于构成电桥的一臂圈用于构成电桥的一臂并提供温度补偿。并提供温度补偿。8/2/20249a：活动衔铁：活动衔铁2由两片弹簧由两片弹簧1支撑，用于敏感水平方向的振动支撑，用于敏感水平方向的振动加速度；加速度；b：活动衔铁：活动衔铁2用两片悬臂梁式弹簧支撑，用于敏感垂直方用两片悬臂梁式弹簧支撑，用于敏感垂直方向的振动加速度。向的振动加速度。8/2/2024106.3振动的测试振动的测试6.3.1 6.3.1 概述概述典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计 振动是物体在其平衡位置附近的一种交变运动，可以用振动是物体在其平衡位置附近的一种交变运动，可以用运动的位移、速度或加速度随时间的变化来描述。运动的位移、速度或加速度随时间的变化来描述。振动的测试就是检测振动变化量，从中提取表征振动过振动的测试就是检测振动变化量，从中提取表征振动过程特征和振动系统特性的有用信息。程特征和振动系统特性的有用信息。机械振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。振机械振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。振动具有有害的一面，也具有有利的一面。动具有有害的一面，也具有有利的一面。有害：振动破坏机器的正常工作、缩短机器的使用寿命，有害：振动破坏机器的正常工作、缩短机器的使用寿命，产生破坏机械结构和建筑物的动载荷，并直接地或通过噪声产生破坏机械结构和建筑物的动载荷，并直接地或通过噪声间接地危害人类的健康。间接地危害人类的健康。有利：利用振动输送振动破碎、振动时效、振动加工等。有利：利用振动输送振动破碎、振动时效、振动加工等。院办工厂：振动筛、振动式破碎机。院办工厂：振动筛、振动式破碎机。8/2/202411典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计不管振动是有害的还是有利的。大部分设备都不管振动是有害的还是有利的。大部分设备都力求将其振力求将其振动量控制在允许的范围之内，动量控制在允许的范围之内，将其影响尽量限制在有限的空间将其影响尽量限制在有限的空间范围之内，以免危害人类和其它结构。范围之内，以免危害人类和其它结构。现代工业对各种高新机电产品提出了低振动、低噪声、高现代工业对各种高新机电产品提出了低振动、低噪声、高抗振的要求，因此，必须对它们进行振动分析、试验和振动设抗振的要求，因此，必须对它们进行振动分析、试验和振动设计或者通过振动测量找出振动源，采取减振措施。计或者通过振动测量找出振动源，采取减振措施。机械振动测试技术是机械振动学科的重要内容之一，对复机械振动测试技术是机械振动学科的重要内容之一，对复杂的机械系统，即使在理论研究已发展到很高水平的今天，其杂的机械系统，即使在理论研究已发展到很高水平的今天，其动态特性参数无法用理论公式正确计算出来，振动试验和测量动态特性参数无法用理论公式正确计算出来，振动试验和测量是唯一的求解方法。是唯一的求解方法。由于电子技术和计算机技术的应用，现代振动测试技术的由于电子技术和计算机技术的应用，现代振动测试技术的应用已超出了经典机械振动的领域，已应用到各种物理现象的应用已超出了经典机械振动的领域，已应用到各种物理现象的检测、分析、预报和控制中。如：环境噪声的监测、地震预报检测、分析、预报和控制中。如：环境噪声的监测、地震预报与分析、地质勘查和矿藏探测、飞行器的监测与控制等。与分析、地质勘查和矿藏探测、飞行器的监测与控制等。8/2/202412振动测试的类型（三种）振动测试的类型（三种）典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计 )振动基本参数的测量：振动基本参数的测量：对工作着的结构或部件进行实对工作着的结构或部件进行实时测量和分析时测量和分析测量的内容包括：振动的位移、速度、加速度、振动的强测量的内容包括：振动的位移、速度、加速度、振动的强度、频谱以及更深入的分析。这些测量有助于人们了解被测件度、频谱以及更深入的分析。这些测量有助于人们了解被测件的振动状况和寻找振源，进行机械结构的故障诊断。的振动状况和寻找振源，进行机械结构的故障诊断。)机械动力学特性参数的测量机械动力学特性参数的测量（测定结构或部件的动态（测定结构或部件的动态特性）特性）以某种激振力作用在被测对象上，使其产生受迫振动，以某种激振力作用在被测对象上，使其产生受迫振动，同时测出输入和输出信号，通过分析确定被测件的频率响应，同时测出输入和输出信号，通过分析确定被测件的频率响应，然后进行模态分析，求得各阶模态的动态参数。这类测试又称然后进行模态分析，求得各阶模态的动态参数。这类测试又称“频率响应试验频率响应试验”或或“机械阻抗试验机械阻抗试验”。)机械动力强度和模拟环境振动试验机械动力强度和模拟环境振动试验即按规定的振动条件，对设备进行振动例行试验，用以检即按规定的振动条件，对设备进行振动例行试验，用以检查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理查设备的耐振寿命、性能稳定性以及设计、制造、安装的合理性。性。8/2/202413一般振动测试系统的组成一般振动测试系统的组成 8/2/202414振动测试的基本参数振动测试的基本参数典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计 振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。动三要素。幅值幅值幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。平均值等不同的方法表示。频率频率不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。采取相应的措施。相位相位振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。的。8/2/202415 6.3.26.3.2振动测试的力学原理振动测试的力学原理 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计1)质量块受力产生的受迫振动质量块受力产生的受迫振动设设 响应响应 8/2/202416幅频特性幅频特性相频特性相频特性8/2/202417 6.3.26.3.2振动测试的力学原理振动测试的力学原理 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计2)基础运动产生的受迫振动基础运动产生的受迫振动 8/2/2024188/2/202419典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计6.3.3 6.3.3 振动的激励振动的激励激振方法激振方法 稳态正弦激振稳态正弦激振 随机激励随机激励 瞬态激振瞬态激振 快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振 脉冲激振脉冲激振 阶跃激振阶跃激振 8/2/202420典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计瞬态激振瞬态激振 快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振 脉冲激振脉冲激振锤击法锤击法力锤力锤 阶跃激振阶跃激振突然剪断突然剪断 8/2/2024216.3.4 6.3.4 激振器激振器原理：载流体在磁场中受原理：载流体在磁场中受力运动力运动被测体通过顶杆与载流体被测体通过顶杆与载流体相连，电动激振器主要用相连，电动激振器主要用来对试件作绝对激振。线来对试件作绝对激振。线圈相当于一个弹簧质量阻圈相当于一个弹簧质量阻尼系统。尼系统。8/2/2024228/2/202423原理：原理：直接用电磁铁的吸直接用电磁铁的吸力作为激振力。力作为激振力。连接：连接：将铁芯和衔铁分别将铁芯和衔铁分别固定在两个试件上，或将固定在两个试件上，或将其中一个试件作为衔铁，其中一个试件作为衔铁，激振力的频率上限约为激振力的频率上限约为500800Hz特点：特点：激振时与试件不接激振时与试件不接触，可以对旋转着的对象触，可以对旋转着的对象进行激振，无附加质量和进行激振，无附加质量和刚度影响试件的运动。刚度影响试件的运动。8/2/2024248/2/202425典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计 6.3.5 6.3.5 振动的测量方法及振动的测量方法及测振传感器测振传感器机械法机械法电测法电测法光学法光学法惯性式拾振器惯性式拾振器位移拾振器位移拾振器 速度拾振器速度拾振器 加速度拾振器加速度拾振器 8/2/202426加速度传感器加速度传感器 应变式加速度计应变式加速度计 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 8/2/202427 6.3.6 6.3.6 机械系统的振动参数估计机械系统的振动参数估计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计自由振动法自由振动法 8/2/202428 6.3.6 6.3.6 机械系统的振动参数估计机械系统的振动参数估计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计典型物理量测量方案设计共振法共振法 8/2/202429实虚特性估计实虚特性估计 8/2/2024306.3 噪声的测试噪声的测试 噪声测量的常用仪器主要包括传声器、声级计、频率分噪声测量的常用仪器主要包括传声器、声级计、频率分析仪、校准器等。析仪、校准器等。8/2/2024318/2/2024328/2/2024336.4 温度的测试温度的测试8/2/2024346.6 应变、力与扭矩的测试应变、力与扭矩的测试机械式称量系统，主要用于静态力测量。摆式秤是一种机械式称量系统，主要用于静态力测量。摆式秤是一种指针偏转型仪器，将未知力转换为力矩。台式秤采用杠指针偏转型仪器，将未知力转换为力矩。台式秤采用杠杆原理，可用较小的标准重量来测量较大的力。杆原理，可用较小的标准重量来测量较大的力。8/2/202435图图B采用加速度计测力，测到的是作用在质量块上的综采用加速度计测力，测到的是作用在质量块上的综合力，采用此法无法分离多个力。合力，采用此法无法分离多个力。电磁秤采用光电式零位检测器、放大器和一个线圈组电磁秤采用光电式零位检测器、放大器和一个线圈组成的伺服系统来平衡未知力和作用在标准质量上的重力成的伺服系统来平衡未知力和作用在标准质量上的重力之间的差值。优点：对环境条件不敏感、响应快、体积之间的差值。优点：对环境条件不敏感、响应快、体积小、易与远距离操作。小、易与远距离操作。8/2/202436液压式测力计内部充满油，当有负载时，油压增加，将该液压式测力计内部充满油，当有负载时，油压增加，将该压力转换为电信号。这种测力计刚度大，测量精度可达满压力转换为电信号。这种测力计刚度大，测量精度可达满量程的量程的0.1%，分辨率为，分辨率为0.02%。气压式测力计采用喷嘴挡板式传感器，用在伺服电路中作气压式测力计采用喷嘴挡板式传感器，用在伺服电路中作高增益放大器。施加的力高增益放大器。施加的力F可引起膜片的偏移，引起压力增可引起膜片的偏移，引起压力增加。加。上述几种传感器主要用于测量静态的或缓变的载荷。上述几种传感器主要用于测量静态的或缓变的载荷。8/2/202437弹性偏移式传感器结构本质上是弹簧质量系统，即可测静弹性偏移式传感器结构本质上是弹簧质量系统，即可测静载荷，也可测频率高达数千赫兹的动载荷。所敏感的位移载荷，也可测频率高达数千赫兹的动载荷。所敏感的位移可以是纯粹的运动，也可以是通过应变片所敏感的应变来可以是纯粹的运动，也可以是通过应变片所敏感的应变来测力。测力。平行四边形挠性机构仅对图示箭头方向所施加的力敏感，平行四边形挠性机构仅对图示箭头方向所施加的力敏感，对其他方向的力不敏感。对其他方向的力不敏感。8/2/202438应变片应变片式力传式力传感器感器 8/2/202439电容式力传感器电容式力传感器8/2/202440振弦式力传感器振弦式力传感器8/2/202441应变式应变式转矩传转矩传感器感器 8/2/2024426.7 压力测试压力测试见课本见课本p 285-291。8/2/2024436.8 流量测试流量测试8/2/2024448/2/2024458/2/2024466.9 传感器的标定传感器的标定8/2/2024476.10 举例举例测试技术在汽车安全气囊中的应用测试技术在汽车安全气囊中的应用8/2/2024488/2/2024498/2/2024508/2/2024518/2/202452IC卡智能水表卡智能水表8/2/2024538/2/202454