測試與傳感技術(shù) 測試技術(shù)在工程中的應用

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.1 7.1 振動測試振動測試7.2 7.2 溫度測試溫度測試7.3 7.3 噪聲測試噪聲測試7.4 7.4 測量系統(tǒng)的選擇與調(diào)試測量系統(tǒng)的選擇與調(diào)試小轎車的乘坐舒適性試驗框圖小轎車的乘坐舒適性試驗框圖 7.1 振動測試振動測試振動研究所涉及的問題振動研究所涉及的問題 振動分析振動分析 已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，求系統(tǒng)的響應已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，求系統(tǒng)的響應 系統(tǒng)識別系統(tǒng)識別 已知系統(tǒng)的激勵和系統(tǒng)的響應，求系統(tǒng)的特性已知系統(tǒng)的激勵和系統(tǒng)的響應，求系統(tǒng)的特性 環(huán)境預測環(huán)境預測 已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應，確定系統(tǒng)的激勵狀態(tài)已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應，確定系統(tǒng)

2、的激勵狀態(tài) 機械振動測試系統(tǒng)的一般組成框圖機械振動測試系統(tǒng)的一般組成框圖 機械振動的測量方法按振動信號的轉(zhuǎn)換方式分為：機械振動的測量方法按振動信號的轉(zhuǎn)換方式分為：相對測量法：測量參考點為系統(tǒng)中的某固定點或運動點相對測量法：測量參考點為系統(tǒng)中的某固定點或運動點絕對測量法：測量參考點為系統(tǒng)外的某一點，該點相對于地球是靜絕對測量法：測量參考點為系統(tǒng)外的某一點，該點相對于地球是靜止不動的。止不動的。電測法電測法機械測量法機械測量法光測法光測法按照測量時選擇參考點的不同，可分為：按照測量時選擇參考點的不同，可分為：按照振動產(chǎn)生的原因按照振動產(chǎn)生的原因 自由振動自由振動受迫振動受迫振動 自激振動自激振動振

3、動頻率和固有頻率之間的關(guān)系為振動頻率和固有頻率之間的關(guān)系為 nd21其中，其中，n為系統(tǒng)的固有頻率，為系統(tǒng)的固有頻率，為阻尼率為阻尼率 系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率 振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。 1 振動的分類振動的分類 按系統(tǒng)的輸出分按系統(tǒng)的輸出分 簡諧振動簡諧振動周期振動周期振動瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動 隨機振動隨機振動 按系統(tǒng)自由度分按系統(tǒng)自由度分 單自由度系統(tǒng)振動單自由度系統(tǒng)振動 多自由度系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動 連續(xù)彈性體振動連續(xù)彈性體振動 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分 線性振動線性振動 非線性振動非線性振動 力作用在質(zhì)量塊

4、上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)質(zhì)量質(zhì)量m在外力的作用下的運動方程為在外力的作用下的運動方程為 )(22tfkzdtdzcdtzdm式中，式中，c為粘性阻尼系數(shù)，為粘性阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度。為彈簧剛度。(t)為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，z(t)為系統(tǒng)的輸出。為系統(tǒng)的輸出。 拉氏變換拉氏變換 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 kcsmssfszsH21)()()(2 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 kcsmssfszsH21)()()(令令s=j，則，則 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)

5、量塊上的單自由度系統(tǒng)122/11)(1)()()(222kmkmcjkmkkjcmkcjjmjfjzjH)/(2)/(1111211222nnnnjkjkmkn/kmc2系統(tǒng)的固有頻率系統(tǒng)的固有頻率 系統(tǒng)的阻尼率系統(tǒng)的阻尼率 2222)/(4)/(111)(nnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅頻曲線幅頻曲線 相頻曲線相頻曲線 mkn/kmc2在在幅頻曲線幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為上幅值最大處的頻率稱為位移位移共振頻率共振頻率 221nr隨著的阻尼的增加，共振峰向原點移動；隨著的阻尼的增加，共振峰向原點移動； 當無阻尼時，位移共振頻率當無阻尼時，位移共振頻率r即為固有頻率即為固

6、有頻率n 當系統(tǒng)的阻尼當系統(tǒng)的阻尼很小時，位移共振頻率很小時，位移共振頻率r接近系統(tǒng)的固有頻率接近系統(tǒng)的固有頻率n，可用作為的估計，可用作為的估計值。值。 幅頻曲線幅頻曲線 不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在/r=1時位移始終落后于激振力時位移始終落后于激振力90，此，此現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為相位共振相位共振。 相頻曲線相頻曲線 利用相頻特性來確定固有頻率比較準確利用相頻特性來確定固有頻率比較準確 幅頻曲線幅頻曲線 由基礎運動所引起的受迫振動由基礎運動所引起的受迫振動 單自由度系統(tǒng)的基礎振動單自由度系統(tǒng)的基礎振動 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)單自由度

7、系統(tǒng)的基礎振動單自由度系統(tǒng)的基礎振動 設基礎的絕對位移為設基礎的絕對位移為Z1，質(zhì)量，質(zhì)量m的絕對位移為的絕對位移為Z0，則系統(tǒng)的振動可用方程式表示為：則系統(tǒng)的振動可用方程式表示為： 21201012012dtZdmkZdtdZcdtZdm拉氏變換并，令拉氏變換并，令s=j 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅頻曲線幅頻曲線 相頻曲線相頻曲線 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

8、振脈沖激振 階躍激振階躍激振 采用周期為采用周期為T的頻率線性變化的正弦信號進行激勵的頻率線性變化的正弦信號進行激勵(t+T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0tT) 式中，式中，a=(max-min)/T，b=min (8-21) 用一般裝有力傳感器的錘子敲擊試件，使試件受到脈沖力的用一般裝有力傳感器的錘子敲擊試件，使試件受到脈沖力的作用而引起的激振。作用而引起的激振。 快速正弦掃描信號及其頻譜快速正弦掃描信號及其頻譜 穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振 施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，(t)=F0sint。 隨機激振隨機激振優(yōu)點：設備通用，可靠性較高

9、優(yōu)點：設備通用，可靠性較高 缺點：需要較長的測定時間缺點：需要較長的測定時間 一般進行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而一般進行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而在靠近固有頻率的重要頻段進行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴格的動態(tài)在靠近固有頻率的重要頻段進行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴格的動態(tài)特性特性 用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為振動的信號源進行的激振用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為振動的信號源進行的激振 Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf) 該方法具有快速實時的優(yōu)點，但設備較復雜，價格昂貴該方法具有快速實時的優(yōu)點，但設備較復雜，價格昂貴. 帶寬激振法帶寬激振法 3 激振的方式激振的方式 包

10、括振動臺和激振器包括振動臺和激振器 滿足條件：滿足條件：在一定的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠的穩(wěn)定交變力在一定的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠的穩(wěn)定交變力 某些情況下需要施加穩(wěn)定力，使結(jié)構(gòu)受到一定的預加載荷某些情況下需要施加穩(wěn)定力，使結(jié)構(gòu)受到一定的預加載荷 電動式激振器電動式激振器當激振器的可動系統(tǒng)質(zhì)量很小，彈性系數(shù)極低時，彈性力和當激振器的可動系統(tǒng)質(zhì)量很小，彈性系數(shù)極低時，彈性力和慣性力可忽略，認為電動力等于激振力慣性力可忽略，認為電動力等于激振力 激振器通過頂桿傳遞給被測對象的激振力為電動力和可激振器通過頂桿傳遞給被測對象的激振力為電動力和可動系統(tǒng)的慣性力、彈性力、阻尼力之差，還是頻

11、率的函動系統(tǒng)的慣性力、彈性力、阻尼力之差，還是頻率的函數(shù)。數(shù)。 4 激振器激振器 電磁式激振器電磁式激振器 當直流激勵線圈電流為當直流激勵線圈電流為I0，交，交流激勵線圈電流為流激勵線圈電流為I1，鐵芯內(nèi)產(chǎn)，鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的磁感應強度為生的磁感應強度為 B=B0+B1cost 式中，式中，B0為為I0產(chǎn)生產(chǎn)生的不變的磁感應強度；的不變的磁感應強度；B1為為I1產(chǎn)生的交變磁感產(chǎn)生的交變磁感應強度的峰值應強度的峰值. 鐵芯對被測對象產(chǎn)生的電磁吸力為鐵芯對被測對象產(chǎn)生的電磁吸力為 022ABF 式中，式中，A為鐵芯的截面積，為鐵芯的截面積，0為真空的導磁率為真空的導磁率 電磁激振器電磁激振器 tABtA

12、BBABBF2cos4cos2)2(02101002120固定分量固定分量 一次分量一次分量 二次分量二次分量 二次諧波分量與一次諧波分量的幅值比：二次諧波分量與一次諧波分量的幅值比： B1/4B0 當當B0 B1時，二次分量可忽略，此時時，二次分量可忽略，此時 tABBABBFcos2)2(01002120這樣，產(chǎn)生的交變力波形和磁感應強度波形基本相同這樣，產(chǎn)生的交變力波形和磁感應強度波形基本相同 又稱為又稱為“拾振器拾振器” 根據(jù)振動測量的力學原理根據(jù)振動測量的力學原理 慣性式（絕對式）拾振器慣性式（絕對式）拾振器相對式拾振器相對式拾振器 按照測量時拾振器是否和被測件接觸按照測量時拾振器是

13、否和被測件接觸 接觸式拾振器接觸式拾振器 又可分為相對式和絕對式兩種又可分為相對式和絕對式兩種 非接觸式拾振器非接觸式拾振器 接觸式相對拾振器又稱為跟隨式拾振器接觸式相對拾振器又稱為跟隨式拾振器 5 測振傳感器測振傳感器(拾振器拾振器) 7.2 溫度測試 一、溫度、溫標及常用測溫方法一、溫度、溫標及常用測溫方法 溫度與溫標溫度與溫標 溫度是度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度溫度是度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部微粒運動狀的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部微粒運動狀態(tài)的特征。態(tài)的特征。為了表示溫度的數(shù)值，人們用統(tǒng)一的標尺來為了表示溫度的數(shù)值，人們用統(tǒng)一的標尺來定量表示，那就是我們所說的溫

14、標。定量表示，那就是我們所說的溫標。攝氏溫標攝氏溫標 國際溫標國際溫標華氏溫標華氏溫標 規(guī)定純水的冰點為規(guī)定純水的冰點為3232度，度， 沸點為沸點為212212度，兩點間等分為度，兩點間等分為180180格，每小格格，每小格為華氏為華氏1 1度，記為度，記為1 1 。華氏溫標、攝氏溫標、國際溫標三者間的變換公式變換公式為： 常用溫度測量方法3、噪聲測試 噪聲測量的意義：噪聲測量的意義： 噪聲是由許多不同頻率和強度的聲音無規(guī)律地組合而成。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已成為主要公害之一?？刂圃肼暋⒈Ｗo環(huán)境已成為人們的共識。其中，噪聲測量是重要的一環(huán)，具有舉足輕重的地位。長期受強噪音刺激，將導致

15、聽力損失，甚至引起心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)等方面疾病。噪聲不僅危害人們的健康，并影響人們的生活、工作，是當今四大公害之一。因此，制定了環(huán)境噪聲限制標準和測量標準意義重大。 噪聲是振動能量在空氣中的傳播，是聲波的一種，具有聲波的一切特性 。 噪聲的強弱采用聲壓級、聲強級和聲功率來評價。 工程中常對噪聲做頻譜分析，并以次尋找噪聲源和設法控制噪聲。噪聲的度量聲波是一種具有疏密變化的縱波。聲壓用 聲壓級聲壓級 表示，聲強和聲功率相應用 聲強級聲強級 和 聲功聲功率級率級 表示。它們的單位也是分貝（dB)。幾種典型的 聲強級聲強級 和 聲功率級聲功率級 。聲壓級、聲強級和聲功率級的關(guān)系聲壓級、聲

16、強級和聲功率級的關(guān)系在噪聲測量中，對于自由行波，可以認為當被測面積A等于A0時，則 A0取得基準聲功率W0時的面積，即只要測出聲壓級，那么聲功率和聲強級可通過換算得到。聲壓級、聲強級、聲功率級都是無量綱的相對量，計算某點聲壓時，其合成聲壓級（或聲強級）不能簡單等于各個聲源引起的聲壓級相加。 噪聲的頻譜噪聲的頻譜聲音的高低主要與其頻率有關(guān)，噪聲的頻譜可反映該噪聲在不同頻率范圍內(nèi)的分布情況。對噪聲進行頻譜分析時，通常采取多個較寬的頻帶來分析噪聲的聲級（聲壓級 、 聲強級和聲功率級），最常用的頻帶寬度是倍頻程和1/3倍頻程。 頻譜分析對一個噪聲源發(fā)出的聲音，將它的聲壓級、聲強級、 或者聲功率級按頻率

17、順序展開，使噪聲的強度成為頻率的函數(shù)，并考查其形狀。特殊脈沖性質(zhì)的沖壓機噪聲分析用的簡單裝置典型的時間函數(shù)窄帶頻譜噪聲的主觀評價方法：噪聲的主觀評價方法：噪聲與人的主觀感覺之間的關(guān)系十分復雜，各國學者為此提出了許多主觀評價標準。這里只介紹噪聲的頻率計權(quán)網(wǎng)絡及聲級。頻率計權(quán)網(wǎng)絡是為了模擬人耳對不同聲壓和頻率聲音有不同感覺而設置的。主要有A、B、C、D四條計權(quán)網(wǎng)絡，其中最常用的是A計權(quán)網(wǎng)絡。多數(shù)噪聲經(jīng)A計權(quán)網(wǎng)絡濾波后，與人耳的感覺有較好的相關(guān)性。頻率計權(quán)是在測試時將所測噪聲信號經(jīng)模擬濾波或數(shù)字濾波而實現(xiàn)的，經(jīng)計權(quán)網(wǎng)絡后測得的聲壓級稱為聲級，并按不同計權(quán)網(wǎng)絡分別稱為A聲級（LA），B聲級（LB），C

18、聲級（LC）和D聲級（LD），其單位也分別稱為 dB(A)、dB(B)、dB(C)、dB(D)。經(jīng)計權(quán)網(wǎng)絡測得的聲強級，聲功率級也需特別注明，如A聲強級，A聲功率級等。目前，許多通用機械及城市環(huán)境的噪聲等級多采用A聲級來評定。 噪聲測試常用的儀器噪聲測試常用的儀器有傳聲器、聲級計、磁帶記錄儀、校準器和譜分析儀。傳聲器傳聲器是噪聲測試的傳感器，通常用膜片將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。()傳聲器的壓力響應和自由場響應傳聲器的壓力響應和自由場響應描述不同聲場中傳聲器的特性通常用壓力響應及自由場響應。 壓力響應指傳聲器的膜片上受到均勻聲壓時，其輸出與聲壓之比。 自由場響應指傳聲器在自由場中的輸出與原（假設傳聲器不在時）聲壓值之比。 自由場指只有直達聲而沒有反射聲的聲場，實際指反射聲與直達聲相比可以忽略的聲場。()電容式傳感器電容式傳感器聲級計聲級計在噪聲測試中人們最常用的儀器就是聲級計。它模擬了人耳對聲波的反應特性，是一種主觀性儀器。聲級計集傳聲器、衰減放大、顯示、計權(quán)網(wǎng)絡、模擬或數(shù)字信號輸出為一體。它體積小，既可以獨立測量、讀數(shù)，又可以將所測信號接入磁帶記錄儀、分析儀或外接濾波器的頻譜分析系統(tǒng)，是