工程测试技术-第六部分 典型物理量测量方案设计-hjy

1:41PM1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1:41PM26.1位移的测量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。1:41PM3常用位移传感器一览表型式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移1~300mm①±0.1%±0.1%分辨力较好，可静态或动态测量。机械结构不牢固角位移0~360°±0.1%±0.1%变阻器式线位移1~1000mm①±0.5%±0.5%结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大角位移0~60r±0.5%±0.5%应变式非粘贴的±0.15%应变±0.1%±1%不牢固粘贴的±0.3%应变±2%~3%使用方便，需温度补偿半导体的±0.25%应变±2%~3%满刻度±20%输出幅值大，温度灵敏性高电感式自感式变气隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移测量螺管型1.5~2mm测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差特大型300~2000mm①0.15%~1%差动变压器±0.08~75mm①±0.5％±0.5%分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽1:41PM4常用位移传感器一览表型式测量范围精确度直线性特点电感式涡电流式±2.5~±250mm①±1%~3%＜3%分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响同步机360°±0.1°~±7°±0.5%可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感微动同步器±10°±1%±0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器±60°±0.1%电容式变面积10-3~103mm①±0.005%±1%受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响变间距10-3~10mm①0.1%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霍尔元件±1.5mm0.5%结构简单，动态特性好感应同步器直线式10-3~104mm①2.5μm~250mm模拟和数字混合测量系统，数字显示(直线式感应同步器的分辨力可达1μm)旋转式0o~360°±0.5°1:41PM5计量光栅长光栅10-3~103mm①3μm~1m同上(长光栅分辨力可达1μm)圆光栅0o~360°±0.5”磁尺长磁尺10-3~104mm①5μm~1m测量时工作速度可达12m/min圆磁尺0o~360°±1”角度编码器接触式0o~360°10-6rad分辨力好，可靠性高光电式0o~360°10-6rad1:41PM6典型应用：1）回转轴径向运动误差测量2）厚度的测量3）物位的测量（P255）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1:41PM7沉筒所反映的浮力通过弹簧转换成衔铁的位移,再由差动变压器转换成与之成正比的输出电压,反映液位的变化。1:41PM8被测物是导电介质，液位相当于滑线变阻器的中间触头，液位不同，电阻率不同，输出电压不同。1:41PM96-2速度与加速度的测试由两个线圈组成，工作（主动）线圈敏感被测物的运动状况，平衡线圈用于构成电桥的一臂并提供温度补偿。1:41PM10a：活动衔铁2由两片弹簧1支撑，用于敏感水平方向的振动加速度；b：活动衔铁2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。1:41PM116.3振动的测试6.3.1概述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，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。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。1:41PM12典型物理量测量方案设计不管振动是有害的还是有利的。大部分设备都力求将其振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。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。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。1:41PM13振动测试的类型（三种）典型物理量测量方案设计１)振动基本参数的测量：对工作着的结构或部件进行实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。２)机械动力学特性参数的测量（测定结构或部件的动态特性）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，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”或“机械阻抗试验”。３)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。1:41PM14一般振动测试系统的组成1:41PM15振动测试的基本参数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，称为振动三要素。幅值——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。频率——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，采取相应的措施。相位——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。1:41PM166.3.2振动测试的力学原理——单自由度系统的受迫振动典型物理量测量方案设计1)质量块受力产生的受迫振动22dzdzmckzftdtdt0sinftFt设0sin()ztzt响应jKH2)1(11)(21:41PM17幅频特性相频特性1:41PM186.3.2振动测试的力学原理——单自由度系统的受迫振动典型物理量测量方案设计2)基础运动产生的受迫振动001010mzczzkzz0101zzz0101011mzczkzmz222212A1:41PM19222212A122()1tg1:41PM20典型物理量测量方案设计6.3.3振动的激励激振方法稳态正弦激振随机激励瞬态激振快速正弦扫描激振脉冲激振阶跃激振1:41PM21典型物理量测量方案设计瞬态激振快速正弦扫描激振脉冲激振——锤击法——力锤阶跃激振——突然剪断1:41PM226.3.4激振器原理：载流体在磁场中受力运动被测体通过顶杆与载流体相连，电动激振器主要用来对试件作绝对激振。线圈相当于一个弹簧质量阻尼系统。1:41PM231:41PM24原理：直接用电磁铁的吸力作为激振力。连接：将铁芯和衔铁分别固定在两个试件上，或将其中一个试件作为衔铁，激振力的频率上限约为500～800Hz特点：激振时与试件不接触，可以对旋转着的对象进行激振，无附加质量和刚度影响试件的运动。1:41PM251:41PM26典型物理量测量方案设计6.3.5振动的测量方法及测振传感器机械法电测法光学法惯性式拾振器位移拾振器)(2])(1[)()(22nnnjH速度拾振器加速度拾振器)(2])(1[)1()(22nnnjH1:41PM27加速度传感器应变式加速度计压电式加速度传感器1:41PM286.3.6机械系统的振动参数估计典型物理量测量方案设计自由振动法nMMii2ln121dn1:41PM296.3.6机械系统的振动参数估计典型物理量测量方案设计共振法r2ˆ1211dd1:41PM30实虚特性估计2121:41PM316.3噪声的测试噪声测量的常用仪器主要包括传声器、声级计、频率分析仪、校准器等。1:41PM321:41PM331:41PM346.4温度的测试1:41PM356.6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。1:41PM36图B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。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。1:41PM37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，测量精度可达满量程的0.1%，分辨率为0.02%。气压式测力计采用喷嘴挡板式传感器，用在伺服电路中作高增益放大器。施加的力F可引起膜片的偏移，引起压力增加。上述几种传感器主要用于测量静态的或缓变的载荷。1:41PM38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。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。1:41PM39应变片式力传感器1:41PM40电容式力传感器1:41PM41振弦式力传感器1:41PM42应变式转矩传感器1:41PM436.7压力测试见课本p285-291。1:41PM446.8流量测试1:41PM451:41PM461:41PM476.9传感器的标定1:41PM486.10举例测试技术在汽车安全气囊中的应用1:41PM491:41PM501:41PM511:41PM521:41PM53IC卡智能水表1:41PM54