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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,东北大学设备诊断工程中心,*,1.6传感器的标定与校准,1.6.1标定与校准的内容,灵敏度,频率响应,动态线性范围,工作特性的标定与校准：,极限加速度,极限温度,声灵敏度,磁灵敏度,环境特性的标定与校准：,重量,极性,物理、几何参数的标定与校准：,1,东北大学设备诊断工程中心,1.6.1.1 灵敏度的标定与校准,传感器在一定频率与环境下，输出量（电压、电荷等）,与输入量（位移、速度、加速度等）之比。,1.6.1.2,频率响应的标定与校准,频率响应是传感器的灵敏度随频率变化的关系，在振动,输入幅值不变的情况下，用传感器的输出与频率变化的关系,来表示。即横坐标表示频率，纵坐标表示灵敏度。,2,东北大学设备诊断工程中心,1.6.1.3 线性度的标定与校准,线性度：在某一频率下，传感器的灵敏度随振动输入量,大小而变化的规律。,若横坐标表示输入，纵坐标表示灵敏度，则理想传感器,或测量系统的线性度应是一条过原点的直线。,3,东北大学设备诊断工程中心,1.6.2传感器标定与校准的方法,绝对法,和,比较法,1.6.2.1 “绝对法”校准传感器,电磁标准振动台（不受周围环境的影响）给出位移、速,度、加速度、频率，并由相应的标准测量系统，测得固定在,振动台上的传感器的输出电压等，进而计算出灵敏度。,一个需校准的加速度计的输入加速度为,输出电压为:,则加速度计的电压灵敏度为：,（,1.179,）,（,1.180,）,（,1.181,）,4,东北大学设备诊断工程中心,与容易测量，关键是振幅（微幅，几微米）的测,定。,一读数显微镜振幅标定法,方法简单、方便、可靠、直观，有一定的精度，是工程,中较为实用的标定方法。缺点是不能进行连续标定、标定速,度慢，在低频区（）容易受电磁振动台的窜动干扰,影响，在高频区（）又受到由于振幅减小（当保持,加速度或速度为定植时），读数显微镜的读数误差比例相对,增加的限制。,这种方法要求选用综合性能较好的振动台，并要求安装,在较大质量且与能够避免外界振动干扰的基础上。,读数显微镜振幅标定系统如图 1.109 所示。,5,东北大学设备诊断工程中心,图1.109读数显微镜振幅标定系统,振动台,放大器,振动台控制系统,读出装置,频率计,示波器,传感器,专用夹具,读数显微镜,支架,6,东北大学设备诊断工程中心,标定时，传感器安装在专用夹具上。对于多个传感器同,时标定时，传感器需紧靠专用夹具周围安装，以避免振动台,台面上各点的振动不同。,标定时，还需注意台面的水平度误差、读数显微镜的仰,角误差、读数显微镜的旋转角误差，一般应控制在左右。,7,东北大学设备诊断工程中心,二互易法,适用于磁电式、压电式传感器的标定与校准。这是一种,绝对校准法。具体方法很多，这里介绍两只传感器进行二次,测量的电阻分压互易法。,将两只加速度计用刚性支架以“背靠背”方式安装在,振动台上，如图1.112 所示。测量两只加速度计在激振频率,为时的输出电压和的比值；,将两只加速度计直接以“,背靠背,”方式连接在一起，,如图1.112 所示。以某一只加速度计作为激振器，通过分压,器电阻输入频率为的电流，测量第二只加速度计在受,振时产生的输出电压 。,进而按下两式可求得 和 ：,8,东北大学设备诊断工程中心,若将代入式（1.186），可得,式中、两个加速度计的质量；,振动台的频率；,电阻值。,（,1.185,）,（,1.186,）,（,1.187,）,9,东北大学设备诊断工程中心,图1.112两只加速度计的互易校准法,振动台,1号加速度计,2号加速度计,1号加速度计,2号加速度计,10,东北大学设备诊断工程中心,1.6.2.2 “比较法”校准传感器,“比较法”将被校准的传感器与已知的标准传感器相比,较而得到被校准传感器的灵敏度和频率特性曲线的方法。,标准传感器的灵敏度及频率特性曲线必须是由“绝对法”最,高校准技术获得的。标准传感器的传感元件通常是由石英晶体,（性能稳定）制成。,“比较法”校准传感器的方法是将被校准传感器和标准传感,器同时安装在标准振动台上，承受相同的振动，然后测出它们,的输出信号。被校准传感器的灵敏度为：,式中标准传感器的灵敏度；,标准传感器的输出电压；,（,1.188,）,11,东北大学设备诊断工程中心,被校准传感器的输出电压。,改变频率，重复上述过程，则可得到被校准传感器的频,率特性曲线。,进行校准时，将被校准传感器与标准传感器“背靠背”地,安装在一个托架上，再将托架安装在标准振动台上，保证两,个传感器承受相同的振动，但其相位则相反，校准系统如图,1.113 所示。,这种方法具有校准速度快、操作方便等优点。精度取决,于标准传感器的精度和性能（二级精度）。,12,东北大学设备诊断工程中心,图1.113“比较法”标定装置示意图,放大器,读出装置,读出装置,放大器,记录仪,标准振动台,标准传感器,被校准传感器,标准测量系统,被校测量系统,13,东北大学设备诊断工程中心,1.6.2.3 频响曲线和线性度的校准,一频响曲线校准,频率响应曲线是指传感器的灵敏度随频率的变化情况。,频率响应曲线的校准也是在标准振动台上进行，其校准装置,如图 1.114 所示。,图1.114频率响应曲线校准装置示意图,电荷放大器,定振装置,差频振荡,功率放大器,电荷放大器,XY,记录仪,14,东北大学设备诊断工程中心,被校准传感器与标准传感器（“背靠背”固定）接受相同,的振动，同时记录两个传感器的振动信号。,图中差动振荡器的目的是保证标准振动台以恒加速度振,动。固定振动台的振动的幅值（标准量级），改变振动台的,振动频率，测量出被校传感器在不同频率下的输出量，再换,算成灵敏度，即,被校加速度计的频率响应特性曲线如图 1.115 所示。,15,东北大学设备诊断工程中心,图1.115加速度计的频率响应特性曲线,16,东北大学设备诊断工程中心,二线性度校准,线性度是指传感器的灵敏度随输入振动量的大小变化的,情况。线性度的校准也是在标准振动台上进行的。在一定的,频率（一般选），逐点改变输入量，测出输出量即可。,线性度曲线如图 1.116 所示。,图1.116传感器线性度曲线,输入量,输出量,理想曲线,实际曲线,17,东北大学设备诊断工程中心,1.6.3力传感器的动态标定方法,力传感器的动态灵敏度与动态力测试系统的频率特性需,在动态下进行标定。,1.6.3.1 正弦激励法,力传感器的频率响应用正弦激励法校准。方法是将力传,感器安装在标准振动台上，在力传感器顶部安装一个重块，,以恒定的加速度在不同的频率下激励力传感器，并记录下力,传感器的输出，即为该力传感器的频率响应。,1.6.3.1 冲击力法,这种方法是将力传感器安装在基础上，落锤上安装有加,速度计，落锤自由下落，撞击力传感器，并记录加速度计与,力传感器的响应，即可求得力传感器的灵敏度。,用谱分析的方法，可以测出力传感器的谐振频率与频率,响应。,18,东北大学设备诊断工程中心,1.6.4电涡流传感器的静态标定方法,1.6.4.1 静标定系统,该系统由静校器、测量电路、高稳定度稳压电源、数个,电压表、被测导体及被校传感器组成。静标定系统示意图如,图 1.117 所示。,图1.117静标定系统示意图,数字电压表,稳压电源,测量电路,传感器,测试盘,千分尺,19,东北大学设备诊断工程中心,1.6.4.2 静标定方法,将被校准传感器固定于静校器上，并将传感器输出送到,测量电路中。被测导体（测试盘）和静校器的千分尺相连，,旋动千分尺，被测导体和传感器之间便有相对位移。,被测导体和传感器端面,接触时，然后反转千,分尺，记下不同值时，传,感器的输出电压读数。根据,测得的数据，可绘出,特性曲线，如图 1.118 所示。,图1.118特性曲线,20,东北大学设备诊断工程中心,1.7 测试方案制定与测试系统选择,1.7.1测试方案的制定,步骤如下：,根据所要研究、解决问题的性质与要求，来确定测,试的详细内容和方法，选定测试条件（现场、实验室）；,根据测试对象，选择合适的仪器的种类与数量；,根据测试的要求，确定测试系统，选择合适的记录,设备，作好测量前的准备工作，如环境温度、电源参数、仪,器型号、通道号、衰减档等都需作详细的记录；,确定整个测试方案及绘制框图，并进行测量系统的,标定与校准。,21,东北大学设备诊断工程中心,1.7.2测试系统的选择,测试系统的选择需注意以下几点：,性能稳定可靠；,足够的精度，能适应恶劣环境；,足够的动态特性，即响应快、抗干扰能力强；,多功能；,实际处理功能；,能长期存储数据；,低功耗，可用多种电源供电。,22,东北大学设备诊断工程中心,1.7.2.1 传感器的选择,根据所要测量的参数，选择传感器的型式；,根据所要测量的参数，确定传感器的安装方向；,安装方式；,尺寸与重量；,电缆：连接方式、长度、屏蔽等；,辅助装置；,最大运动界限；,最小运动界限；,灵敏度、横向灵敏度、频率范围、相位特性、使用,温度范围、抗干扰能力等。,23,东北大学设备诊断工程中心,1.7.2.2 放大器的选择,输入特性：,最大允许输入值,单端输入（一端接传感器，一端接地）,差动输入（两端均接传感器）,输入方式,直流耦合,交流耦合,输入耦合方式,高阻输入,低阻输入,输入阻抗,24,东北大学设备诊断工程中心,放大特性：,增益范围及增益的稳定性；,带宽；,线性度。,输出特性,满足显示、记录设备的要求；,输出的稳定性。,其它特性,信噪比；,增益的温度系数；,抗干扰能力。,25,东北大学设备诊断工程中心,1.7.2.3 记录仪器的选择,频率,冲击波：采用高速瞬态波形记录仪器或带扫描变换器的,波形记录仪；,低频振动：采用盒式磁带模拟数据记录仪。,信号持续时间,瞬变信号持续时间短，可采用高速瞬态波形记录仪器或,带扫描变换器的波形记录仪；,超低频信号持续时间长，若信号持续时间长而变化又较,快时，采用大容量的瞬态记录仪、,DR,方式磁带记录仪等。,信号的幅度、内阻、输出功率等,信号的通道数,记录精度,26,东北大学设备诊断工程中心,1.7.3典型测量与监测系统,1.7.3.1 车辆的振动测试与分析,收割机在土路上以的最高速度行驶时，四个车,轮振动对座椅振动的影响如何？,测振传感器选用应变片式加速度计，测点布置如下图。,图1.119测点布置图,1、2、3、4、5应变式加速度计,、,、,27,东北大学设备诊断工程中心,测试系统框图如图1.120所示。,图1.120测试系统框图,应变式加速度计,应变式加速度计,应变式加速度计,应变式加速度计,应变式加速度计,低通滤波器,动,态,应,变,仪,磁带记录仪,电池,28,东北大学设备诊断工程中心,将磁带记录仪记录的加速度信号输送到频谱分析仪,中进行自谱、互谱、传递函数及凝聚函数分析，其自谱与凝,聚函数如图 1.121 所示。,座椅振动加速度的自谱如图1.121 所示。由图可见，座,椅振动的频率主要在以下。凝聚函数如图1.121 所示，,图中：,右后轮与座椅振动之间的凝聚函数；,左前轮与座椅振动之间的凝聚函数；,右前轮与座椅振动之间的凝聚函数。,29,东北大学设备诊断工程中心,图1.121座椅振动自谱图,30,东北大学设备诊断工程中心,图1.121座椅振动凝聚函数图,31,东北大学设备诊断工程中心,图1.121座椅振动凝聚函数图,32,东北大学设备诊断工程中心,图1.121座椅振动凝聚函数图,33,东北大学设备诊断工程中心,由图1.121可以看出:,右后轮与座椅的振动之间的凝聚函数的值都,在左右。说明座椅的振动主要不是由右后轮振动引起。,左后轮振动对座椅振动的影响很小，故在图中未画出。,左前轮与座椅的振动之间的凝聚函数的值在,（）的频率范围内较大，达以上，即在这个,频率范围内左前轮振动对座椅振动的影响较大。,右前轮与座椅的振动之间的凝聚函数的值在,（）和（）的频率范围内较大，也达到,以上，即在这两个频率范围内右前轮振动对座椅振动的,影响也较大。,34,东北大学设备诊断工程中心,1.7.3.2 机床结构的动态特性实验,机床振动会影响动态精度和被加工零件的质量，降低生,产效率和刀具的耐用度。强烈振动会降低机床的使用性能。,通过动态实验，可了解其动态特性，寻找出防止和消除机床,振动的方法和提高抗振性的途径。,立式钻床脉冲激励法的实验框图如图 1.122 所示。,测得的谐振频率与振型图如图 1.123 所示。,实验方法,稳态 正弦激励,脉冲激励,具有激励能量集中、精度高、模态分辨率强等优点，但所需实验时间长,具有方法简单、实验设备少、实验时间短、频响宽等优点，相对而言精度略差一点,35,东北大学设备诊断工程中心,图1.122脉冲激励法测试系统框图,1立式钻床；2冲击锤；3加速度传感器；4电荷放大器；5分析仪；6绘图仪,36,东北大学设备诊断工程中心,图1.123立式钻床固有振型,37,东北大学设备诊断工程中心,1.7.3.3 大型汽轮发电机组的振动监测,对于一些汽轮机、发电机、风机、球磨机等机组，在发,生故障前的一段时间内，必然产生异常振动现象，因此配备,一套振动监测系统能及时发现机组在运行中的异常振动，排,除隐患，防止事故。图 1.124 是某电厂大型汽轮发电机组振,动监测示意图。,多路电荷放大器,双积分电路,显示器,报警器,打印机,显示器,汽轮机,发电机,励磁机,轴承,轴承,图1.124大型发电机组振动监测示意图,38,东北大学设备诊断工程中心,1.7.3.4 环境振动测量分析,火车驶过时引起地表振动，对两边建筑物的影响可用加,速度传感器进行测量，测点布置如图1.125所示。,图1.125火车引起地表振动的监测点分布图,39,东北大学设备诊断工程中心,表1.21给出了火车引起周围环境振动的幅频特性。,表1.21火车激起环境振动的加速度值,测点,货车,垂直振动,客车,垂直振动,货车,水平振动,客车,水平振动,铁路道边,81.5,dB,78.5,dB,90.5,dB,84,dB,一楼地面,66.4,dB,64.5,dB,59.5,dB,59,dB,二楼地面,65,dB,63.5,dB,55,dB,53.5,dB,三楼地面,65.5,dB,64.5,dB,54.5,dB,54,dB,40,东北大学设备诊断工程中心,由表可知：客车比货车激起的振动加速度小。经频谱分,析，振动的主要能量集中在，其频谱如图1.126,所示。,图1.126火车振动频谱图,垂直振动，测点路基；,41,东北大学设备诊断工程中心,图1.126火车振动频谱图,垂直振动，测点三楼；,42,东北大学设备诊断工程中心,图1.126火车振动频谱图,水平振动，测点路基；,43,东北大学设备诊断工程中心,图1.126火车振动频谱图,水平振动，测点二楼,44,东北大学设备诊断工程中心,1.7.3.5 桥墩水下部位裂纹探测,铁路、公路桥梁桥墩的检测对保证交通安全是十分重要,的。但桥墩水下和地表以下部位的缺陷是很难直接发现的，,用压电加速度计来检测桥墩的振动，并进行谱分析，则可较,准确地判断桥墩的内部缺陷。图1.127 为桥墩水下部位裂纹,探测示意图。,用放电炮的方式通过水箱使桥墩承受一个垂直方向的激,励，用压电加速度计测量桥墩的响应，经电荷放大器、数据,记录仪，送入频谱分析仪。经频谱分析后，可判定桥墩有无,缺陷。,45,东北大学设备诊断工程中心,图1.127 桥墩水下部位裂纹探测示意图,缺陷,放电炮用水箱,（,起振箱）,压电加速度计,电荷放大器,数据记录仪,频谱分析仪,46,东北大学设备诊断工程中心,无缺陷的桥墩相当于一个坚固的整体，即相当于一个质量,块，其桥墩的力学系统是一个单自由度系统，振动只有一个谐,振点，其加速度响应曲线为单峰，如图 1.127 所示；有缺陷,时，桥墩的力学系统变得十分复杂，相当于两个或多个自由度,系统，具有多个谐振频率点，加速度曲线为双峰或多峰，如图,1.127 所示。,图1.127、桥墩水下部位裂纹探测示意图,47,东北大学设备诊断工程中心,1.7.3.6 稳态正弦波频率扫描试验,用实验方法研究复杂结构动力特性，有两类方法：,保持激振力幅恒定，进行频率扫描，测量结构最大,响应时，各阶共振频率和各阶振型；,在激振频率扫描时，同时测量激振力和响应，根据,它们的幅值和相位得出频率响应函数，然后进行数据处理，,也称机械阻抗测试。,这里只简单介绍前一种方法，其测试系统如图 1.128 所示。,试验时，信号发生器产生稳态正弦信号，经过功率放大,器使激振器产生一定频率的激振力。可移动传感器可检测各,点的振动信号。,试验时，需控制激振频率和激振力幅值这两个量。,48,东北大学设备诊断工程中心,图1.128稳态正弦扫描试验系统框图,结,构,实,验,对,象,激振器,功率放大器,信号发生器,频率计,监视用传感器,放大器,反馈网络,示波器,可移动传感器,放大器,XY,记录器,49,东北大学设备诊断工程中心,激振频率的控制可以手动，也可以用仪器实现连续扫描,或间断步进扫描。扫描的速度不能快，一般在远离共振点处,扫描速度快一些，而在共振点附近扫描速度慢一些，以提高,分辨频率的能力。,激振力幅值的控制通常有两种办法：直接控制输入激,振器的电流使激振力幅值保持恒定；增加一监控传感器，,以控制在激振点上的加速度幅值保持恒定，监控传感器的信,号经放大器放大后，通过反馈网络上输送给信号发生器，以,达到加速度幅值保持恒定。,连续扫描时，将激振频率信号和测量传感器输出信号同,时输送给记录（,XY,记录仪）设备，可以画出频响曲线。,而这两个信号的波形及信号的相位差，可从示波器中看出。,50,东北大学设备诊断工程中心,本章完毕,若试验对象的结构较小时，可放在振动台上进行激振。,这种方式激振能量大，激振能量均匀，易于分辨各阶共振振,型。,若试验对象的结构较大时，就只能用激振器在结构的某,些点上进行激振。这种情况下，又有单点激振和多点激振两,种形式。,51,东北大学设备诊断工程中心,
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