工程測試技術(shù)-第六部分 典型物理量測量方案設(shè)計-hjy

1、 完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到： 1. 了解各種物理量（位移、溫度、應(yīng)了解各種物理量（位移、溫度、應(yīng)變、振動、力和噪聲）的測量方法變、振動、力和噪聲）的測量方法 2. 掌握各種物理量測試的基本原理掌握各種物理量測試的基本原理 12/18/202116.1 位移的測量位移的測量位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的變動量，是一個向量。位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的變動量，是一個向量。位移是線位移和角位移的統(tǒng)稱。位移是線位移和角位移的統(tǒng)稱。 在機(jī)械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測量零部件的位移和位在機(jī)械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速

2、度、流量等許多參數(shù)的測置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等許多參數(shù)的測量，也是以位移測量為基礎(chǔ)的。量，也是以位移測量為基礎(chǔ)的。 12/18/20212常用位移傳感器一覽表常用位移傳感器一覽表型式型式測量范圍測量范圍精確度精確度直線性直線性特點(diǎn)特點(diǎn)電電阻阻式式滑線式滑線式線位移線位移1300mm0.1%0.1%分辨力較好，可靜態(tài)分辨力較好，可靜態(tài)或動態(tài)測量。機(jī)械結(jié)或動態(tài)測量。機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固構(gòu)不牢固角位移角位移03600.1%0.1%變阻器變阻器式式線位移線位移11000mm0.5%0.5%結(jié)構(gòu)牢固，壽命長，結(jié)構(gòu)牢固，壽命長，但分辨力差，電噪聲但分辨力差，電噪聲大大角位移角位移060r0.5%0

3、.5%應(yīng)應(yīng)變變式式非粘貼的非粘貼的0.15%應(yīng)變應(yīng)變0.1%1%不牢固不牢固粘貼的粘貼的0.3%應(yīng)變應(yīng)變2%3%使用方便，需溫度補(bǔ)使用方便，需溫度補(bǔ)償償半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的0.25%應(yīng)變應(yīng)變2%3%滿刻滿刻度度 20%輸出幅值大，溫度靈輸出幅值大，溫度靈敏性高敏性高電電感感式式自感自感式式變氣隙型變氣隙型0.2mm1%3%只宜用于微小位移測只宜用于微小位移測量量螺管型螺管型1.52mm測量范圍較前者寬，測量范圍較前者寬，使用方便可靠，動態(tài)使用方便可靠，動態(tài)性能較差性能較差特大型特大型3002000mm0.15% 1%差動變壓器差動變壓器0.0875mm0.50.5%分辨力好，受到磁場分辨力好，受到

4、磁場干擾時需屏蔽干擾時需屏蔽12/18/20213常用位移傳感器一覽表常用位移傳感器一覽表型式型式測量范圍測量范圍精確度精確度直線性直線性特點(diǎn)特點(diǎn)電電感感式式渦電流式渦電流式2.5250mm1% 3%3%分辨力好，受被測物體材料、形分辨力好，受被測物體材料、形狀、加工質(zhì)量影響狀、加工質(zhì)量影響同步機(jī)同步機(jī)3600.170.5%可在可在1200r/min轉(zhuǎn)速工作，堅固，轉(zhuǎn)速工作，堅固，對溫度和濕度不敏感對溫度和濕度不敏感微動同步器微動同步器101%0.05%非線性誤差與變壓比和測量范圍非線性誤差與變壓比和測量范圍有關(guān)有關(guān)旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器600.1%電電容容式式變面積變面積10-3103mm0.

5、005%1%受介電常數(shù)因環(huán)境溫度、濕度而受介電常數(shù)因環(huán)境溫度、濕度而變化的影響變化的影響變間距變間距10-310mm0.1%分辨力很好，但測量范圍很小，分辨力很好，但測量范圍很小，只能在小范圍內(nèi)近似地保存線性只能在小范圍內(nèi)近似地保存線性霍爾元件霍爾元件1.5mm0.5%結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)特性好結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)特性好感應(yīng)感應(yīng)同步同步器器直線式直線式10-3104mm2.5m 250mm模擬和數(shù)字混合測量系統(tǒng)，數(shù)字模擬和數(shù)字混合測量系統(tǒng)，數(shù)字顯示顯示(直線式感應(yīng)同步器的分辨力直線式感應(yīng)同步器的分辨力可達(dá)可達(dá)1m)旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式0o3600.512/18/20214計量計量光柵光柵長光柵長光柵10-3103

6、mm3m 1m同上同上(長光柵分辨力可達(dá)長光柵分辨力可達(dá)1m)圓光柵圓光柵0o3600.5”磁尺磁尺長磁尺長磁尺10-3104mm5m 1m測量時工作速度可達(dá)測量時工作速度可達(dá)12m/min圓磁尺圓磁尺0o3601”角度角度編碼編碼器器接觸式接觸式0o36010-6rad分辨力好，可靠性高分辨力好，可靠性高光電式光電式0o36010-6rad12/18/20215典型應(yīng)用：典型應(yīng)用：1）回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動誤差測量）回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動誤差測量2）厚度的測量）厚度的測量3）物位的測量（）物位的測量（p255）例如：電阻式液位計，通過測）例如：電阻式液位計，通過測量阻值的變化來得之液位高度的變化量阻值的變化

7、來得之液位高度的變化 12/18/20216沉筒所反映的浮力通過彈沉筒所反映的浮力通過彈簧轉(zhuǎn)換成銜鐵的位移簧轉(zhuǎn)換成銜鐵的位移,再由再由差動變壓器轉(zhuǎn)換成與之成差動變壓器轉(zhuǎn)換成與之成正比的輸出電壓正比的輸出電壓,反映液位反映液位的變化。的變化。 12/18/20217被測物是導(dǎo)電介質(zhì)，被測物是導(dǎo)電介質(zhì)，液位相當(dāng)于滑線變阻液位相當(dāng)于滑線變阻器的中間觸頭，液位器的中間觸頭，液位不同，電阻率不同，不同，電阻率不同，輸出電壓不同。輸出電壓不同。 12/18/202186-2 速度與加速度的測試速度與加速度的測試 由兩個線圈組成，工作由兩個線圈組成，工作（主動）線圈敏感被測（主動）線圈敏感被測物的運(yùn)動狀況，

8、平衡線物的運(yùn)動狀況，平衡線圈用于構(gòu)成電橋的一臂圈用于構(gòu)成電橋的一臂并提供溫度補(bǔ)償。并提供溫度補(bǔ)償。 12/18/20219a：活動銜鐵：活動銜鐵2由兩片彈簧由兩片彈簧1支撐，用于敏感水平方向的振支撐，用于敏感水平方向的振動加速度；動加速度；b：活動銜鐵：活動銜鐵2用兩片懸臂梁式彈簧支撐，用于敏感垂直方用兩片懸臂梁式彈簧支撐，用于敏感垂直方向的振動加速度。向的振動加速度。12/18/2021106.3 振動的測試振動的測試6.3.1 6.3.1 概述概述 振動是物體在其平衡位置附近的一種交變運(yùn)動，可以用振動是物體在其平衡位置附近的一種交變運(yùn)動，可以用運(yùn)動的位移、速度或加速度隨時間的變化來描述。運(yùn)

9、動的位移、速度或加速度隨時間的變化來描述。振動的測試就是檢測振動變化量，從中提取表征振動過振動的測試就是檢測振動變化量，從中提取表征振動過程特征和振動系統(tǒng)特性的有用信息。程特征和振動系統(tǒng)特性的有用信息。機(jī)械振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象。振機(jī)械振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象。振動具有有害的一面，也具有有利的一面。動具有有害的一面，也具有有利的一面。 有害：振動破壞機(jī)器的正常工作、縮短機(jī)器的使用壽命，有害：振動破壞機(jī)器的正常工作、縮短機(jī)器的使用壽命，產(chǎn)生破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)和建筑物的動載荷，并直接地或通過噪聲產(chǎn)生破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)和建筑物的動載荷，并直接地或通過噪聲間接地危害人類的健康。間

10、接地危害人類的健康。 有利：利用振動輸送振動破碎、振動時效、振動加工等。有利：利用振動輸送振動破碎、振動時效、振動加工等。 院辦工廠：振動篩、振動式破碎機(jī)。院辦工廠：振動篩、振動式破碎機(jī)。12/18/202111不管振動是有害的還是有利的。大部分設(shè)備都不管振動是有害的還是有利的。大部分設(shè)備都力求將其振力求將其振動量控制在允許的范圍之內(nèi)，動量控制在允許的范圍之內(nèi)，將其影響盡量限制在有限的空間將其影響盡量限制在有限的空間范圍之內(nèi)，以免危害人類和其它結(jié)構(gòu)。范圍之內(nèi)，以免危害人類和其它結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)代工業(yè)對各種高新機(jī)電產(chǎn)品提出了低振動、低噪聲、高現(xiàn)代工業(yè)對各種高新機(jī)電產(chǎn)品提出了低振動、低噪聲、高抗振的要求

11、，因此，必須對它們進(jìn)行振動分析、試驗(yàn)和振動設(shè)抗振的要求，因此，必須對它們進(jìn)行振動分析、試驗(yàn)和振動設(shè)計或者通過振動測量找出振動源，采取減振措施。計或者通過振動測量找出振動源，采取減振措施。 機(jī)械振動測試技術(shù)是機(jī)械振動學(xué)科的重要內(nèi)容之一，對復(fù)機(jī)械振動測試技術(shù)是機(jī)械振動學(xué)科的重要內(nèi)容之一，對復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，即使在理論研究已發(fā)展到很高水平的今天，其雜的機(jī)械系統(tǒng)，即使在理論研究已發(fā)展到很高水平的今天，其動態(tài)特性參數(shù)無法用理論公式正確計算出來，振動試驗(yàn)和測量動態(tài)特性參數(shù)無法用理論公式正確計算出來，振動試驗(yàn)和測量是唯一的求解方法。是唯一的求解方法。 由于電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代振動測試技術(shù)的由于電子

12、技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代振動測試技術(shù)的應(yīng)用已超出了經(jīng)典機(jī)械振動的領(lǐng)域，已應(yīng)用到各種物理現(xiàn)象的應(yīng)用已超出了經(jīng)典機(jī)械振動的領(lǐng)域，已應(yīng)用到各種物理現(xiàn)象的檢測、分析、預(yù)報和控制中。如：環(huán)境噪聲的監(jiān)測、地震預(yù)報檢測、分析、預(yù)報和控制中。如：環(huán)境噪聲的監(jiān)測、地震預(yù)報與分析、地質(zhì)勘查和礦藏探測、飛行器的監(jiān)測與控制等。與分析、地質(zhì)勘查和礦藏探測、飛行器的監(jiān)測與控制等。12/18/202112振動測試的類型（三種）振動測試的類型（三種） ) 振動基本參數(shù)的測量：振動基本參數(shù)的測量：對工作著的結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行實(shí)對工作著的結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行實(shí)時測量和分析時測量和分析測量的內(nèi)容包括：振動的位移、速度、加速度、振動的強(qiáng)測

13、量的內(nèi)容包括：振動的位移、速度、加速度、振動的強(qiáng)度、頻譜以及更深入的分析。這些測量有助于人們了解被測件度、頻譜以及更深入的分析。這些測量有助于人們了解被測件的振動狀況和尋找振源，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障診斷。的振動狀況和尋找振源，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障診斷。 ) 機(jī)械動力學(xué)特性參數(shù)的測量機(jī)械動力學(xué)特性參數(shù)的測量（測定結(jié)構(gòu)或部件的動態(tài)（測定結(jié)構(gòu)或部件的動態(tài)特性）特性） 以某種激振力作用在被測對象上，使其產(chǎn)生受迫振動，以某種激振力作用在被測對象上，使其產(chǎn)生受迫振動，同時測出輸入和輸出信號，通過分析確定被測件的頻率響應(yīng)，同時測出輸入和輸出信號，通過分析確定被測件的頻率響應(yīng)，然后進(jìn)行模態(tài)分析，求得各階模態(tài)的動態(tài)

14、參數(shù)。這類測試又稱然后進(jìn)行模態(tài)分析，求得各階模態(tài)的動態(tài)參數(shù)。這類測試又稱“頻率響應(yīng)試驗(yàn)頻率響應(yīng)試驗(yàn)”或或“機(jī)械阻抗試驗(yàn)機(jī)械阻抗試驗(yàn)”。 ) 機(jī)械動力強(qiáng)度和模擬環(huán)境振動試驗(yàn)機(jī)械動力強(qiáng)度和模擬環(huán)境振動試驗(yàn)即按規(guī)定的振動條件，對設(shè)備進(jìn)行振動例行試驗(yàn)，用以檢即按規(guī)定的振動條件，對設(shè)備進(jìn)行振動例行試驗(yàn)，用以檢查設(shè)備的耐振壽命、性能穩(wěn)定性以及設(shè)計、制造、安裝的合理查設(shè)備的耐振壽命、性能穩(wěn)定性以及設(shè)計、制造、安裝的合理性。性。12/18/202113一般振動測試系統(tǒng)的組成一般振動測試系統(tǒng)的組成 12/18/202114振動測試的基本參數(shù)振動測試的基本參數(shù) 振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)，稱為振振

15、動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)，稱為振動三要素。動三要素。 幅值幅值幅值是振動強(qiáng)度的標(biāo)志，它可以用峰值、有效值、幅值是振動強(qiáng)度的標(biāo)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。 頻率頻率不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的措施。采取相應(yīng)的措施。 相位相位振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點(diǎn)、測量振型、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪確定

16、共振點(diǎn)、測量振型、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。對于復(fù)雜振動的波形分析，各諧波的相位關(guān)系是不可缺少等。對于復(fù)雜振動的波形分析，各諧波的相位關(guān)系是不可缺少的。的。12/18/202115 6.3.26.3.2振動測試的力學(xué)原理振動測試的力學(xué)原理 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動1)質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動 22d zdzmckzf tdtdt 0sinf tft設(shè)設(shè) 0sin()z tzt響應(yīng)響應(yīng) jkh2)1 (11)(212/18/202116幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性12/18/202117 6.3.26.3.2振動測試的力學(xué)原理振動測試的力

17、學(xué)原理 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動2)基礎(chǔ)運(yùn)動產(chǎn)生的受迫振動基礎(chǔ)運(yùn)動產(chǎn)生的受迫振動 001010mzc zzk zz0101zzz0101011mzczkzmz 222212a12/18/202118 222212a122( )1tg 12/18/2021196.3.3 6.3.3 振動的激勵振動的激勵激振方法激振方法 穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振 隨機(jī)激勵隨機(jī)激勵 瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振 快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振 脈沖激振脈沖激振 階躍激振階躍激振 12/18/202120瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振 快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振 脈沖激振脈沖激振錘擊法錘擊法力錘力錘 階躍激振階躍激

18、振突然剪斷突然剪斷 12/18/2021216.3.4 6.3.4 激振器激振器原理：載流體在磁場中受原理：載流體在磁場中受力運(yùn)動力運(yùn)動被測體通過頂桿與載流體被測體通過頂桿與載流體相連，電動激振器主要用相連，電動激振器主要用來對試件作絕對激振。線來對試件作絕對激振。線圈相當(dāng)于一個彈簧質(zhì)量阻圈相當(dāng)于一個彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。尼系統(tǒng)。 12/18/20212212/18/202123原理：原理：直接用電磁鐵的吸直接用電磁鐵的吸力作為激振力。力作為激振力。連接：連接：將鐵芯和銜鐵分別將鐵芯和銜鐵分別固定在兩個試件上，或?qū)⒐潭ㄔ趦蓚€試件上，或?qū)⑵渲幸粋€試件作為銜鐵，其中一個試件作為銜鐵，激振力的頻率上限約

19、為激振力的頻率上限約為500800hz特點(diǎn)：特點(diǎn)：激振時與試件不接激振時與試件不接觸，可以對旋轉(zhuǎn)著的對象觸，可以對旋轉(zhuǎn)著的對象進(jìn)行激振，無附加質(zhì)量和進(jìn)行激振，無附加質(zhì)量和剛度影響試件的運(yùn)動。剛度影響試件的運(yùn)動。12/18/20212412/18/202125 6.3.5 6.3.5 振動的測量方法及振動的測量方法及測振傳感器測振傳感器機(jī)械法機(jī)械法電測法電測法光學(xué)法光學(xué)法慣性式拾振器慣性式拾振器位移拾振器位移拾振器 )(2)(1 )()(22nnnjh速度拾振器速度拾振器 加速度拾振器加速度拾振器 )(2)(1 )1()(22nnnjh12/18/202126加速度傳感器加速度傳感器 應(yīng)變式加速

20、度計應(yīng)變式加速度計 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 12/18/202127 6.3.6 6.3.6 機(jī)械系統(tǒng)的振動參數(shù)估計機(jī)械系統(tǒng)的振動參數(shù)估計自由振動法自由振動法 nmmii2ln121dn12/18/202128 6.3.6 6.3.6 機(jī)械系統(tǒng)的振動參數(shù)估計機(jī)械系統(tǒng)的振動參數(shù)估計共振法共振法 r21211dd12/18/202129實(shí)虛特性估計實(shí)虛特性估計 212 12/18/2021306.3 噪聲的測試噪聲的測試 噪聲測量的常用儀器主要包括傳聲器、聲級計、頻率分噪聲測量的常用儀器主要包括傳聲器、聲級計、頻率分析儀、校準(zhǔn)器等。析儀、校準(zhǔn)器等。 12/18/20213112/18

21、/20213212/18/2021336.4 溫度的測試溫度的測試12/18/2021346.6 應(yīng)變、力與扭矩的測試應(yīng)變、力與扭矩的測試機(jī)械式稱量系統(tǒng)，主要用于靜態(tài)力測量。擺式秤是一種機(jī)械式稱量系統(tǒng)，主要用于靜態(tài)力測量。擺式秤是一種指針偏轉(zhuǎn)型儀器，將未知力轉(zhuǎn)換為力矩。臺式秤采用杠指針偏轉(zhuǎn)型儀器，將未知力轉(zhuǎn)換為力矩。臺式秤采用杠桿原理，可用較小的標(biāo)準(zhǔn)重量來測量較大的力。桿原理，可用較小的標(biāo)準(zhǔn)重量來測量較大的力。 12/18/202135圖圖b采用加速度計測力，測到的是作用在質(zhì)量塊上的采用加速度計測力，測到的是作用在質(zhì)量塊上的綜合力，采用此法無法分離多個力。綜合力，采用此法無法分離多個力。電磁秤

22、采用光電式零位檢測器、放大器和一個線圈組電磁秤采用光電式零位檢測器、放大器和一個線圈組成的伺服系統(tǒng)來平衡未知力和作用在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量上的重力成的伺服系統(tǒng)來平衡未知力和作用在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量上的重力之間的差值。優(yōu)點(diǎn)：對環(huán)境條件不敏感、響應(yīng)快、體積之間的差值。優(yōu)點(diǎn)：對環(huán)境條件不敏感、響應(yīng)快、體積小、易與遠(yuǎn)距離操作。小、易與遠(yuǎn)距離操作。12/18/202136液壓式測力計內(nèi)部充滿油，當(dāng)有負(fù)載時，油壓增加，將該液壓式測力計內(nèi)部充滿油，當(dāng)有負(fù)載時，油壓增加，將該壓力轉(zhuǎn)換為電信號。這種測力計剛度大，測量精度可達(dá)滿壓力轉(zhuǎn)換為電信號。這種測力計剛度大，測量精度可達(dá)滿量程的量程的0.1%，分辨率為，分辨率為0.02%。氣壓式測力計采用噴嘴擋板式傳感器，用在伺服電路中作氣壓式測力