典型测试系统设计实例

测试技术——典型测试系统设计实例(4)第十章内容1.塔式起重机结构强度测试2.无心磨削的工件棱圆度精密检测3.高速机车轴温测试系统4.润滑油膜厚度检测5.缝纫机噪声源测试分析6.旋转机械故障监测诊断网络化系统重点：掌握一些具体的测试技术，对一个测试系统的设计有一个基本的概念，学会分析方法与设计思路测试系统的设计涉及明确测试任务制定测试方案选择传感器设计后续测试系统测试系统效能分析回顾测试系统的组成测试对象1、塔式起重机结构强度测试测试任务对新设计的某型号塔式起重机样机进行强度检测测试目的通过测试来验证理论计算，为产品的进一步改进提供依据对样机提出评价意见，作为新产品鉴定的依据测试参考根据原始设计资料，选择在应力应变最大处粘贴应变片进行测量根据两种不同破坏情况，按照JJ30-85《塔式起重机结构试验方法》测试静态、动态应力应变1、塔式起重机结构强度测试强度检测正、切应力测量判断最大应力是否大于许用应力测试方案问题最终归结于测量最危险截面的静态与动态应力应变测量方法：应变片+电桥静态测量时由于有多个测点，通常配用预调平衡箱，利用外加电阻对电桥调平衡，以便于与应变仪连接动态测量由于测点少不需要配用预调平衡箱，直接调应变仪即可，使用光线示波器作为动态应变记录装置1、塔式起重机结构强度测试静态应力测试系统框图动态应力测试系统框图测试方案测点布置：测点位置和测点方向是影响结构强度试验是否可靠的两个重要因素测点方向：找出最大应变方向测点位置：•断面正应力布点：采用角点法，在角点处沿棱线方向布置应变片•平面应力布点：一般应用应变花测量主应力1、塔式起重机结构强度测试测量型材断面正应力布点平面应力测量应变花布点测试方案1、塔式起重机结构强度测试测量系统共布置了20个测点测试条件假设条件：载荷不包括吊钩重量，载荷误差应小于1%；各工况皆是处于空钩离地状态时进行仪器调零；测试数据均为吊重引起的应力，不应包括自重和风阻应力环境条件：测试温度10～25℃，湿度50%～70%，风力1级测试工况：测试中选取了五种不同起重重量、三种变幅幅度、两种方位角进行组合变化，分别测试各种工况下最大应力•Q起重量•R幅度——吊点到塔机回转中心的距离•α起重臂与塔身之间的方位角1、塔式起重机结构强度测试测试步骤检查和调整试验样机粘贴应变片并干燥、密封、检查绝缘接好应变测试系统，调试仪器，合理选择灵敏度，消除不正常现象取空载状态作为初始状态，将应变仪调零按照测试工况，分别测试各种情况下的最大应力1、塔式起重机结构强度测试工况序号R距离Q吊重α测试点备注110m29.4kN0º1～20额定载荷210m29.4kN45º1～20额定载荷310m36.75kN0º1～20超载25%410m36.75kN45º1～20超载25%518m17.15kN0º1～20额定载荷618m17.15kN45º1～20额定载荷718m21.4kN0º1～20超载25%818m21.4kN45º1～20超载25%数据处理与结果分析•静态：相同试验条件下多次测量取平均值•动态：用光线示波器记录下动态应变曲线单向应力状态的应力计算其中：E为结构材料的弹性模量，均取E=0.2×106MPa；σδ为测得的应力和应变平面应力状态应力计算式中μ为构件材料的泊松比μ=0.31、塔式起重机结构强度测试maxmaxmaxKEEEiii)(1)(112222121EE数据处理与结果分析计算最大应力•与设计比较•与国标比较结论1、塔式起重机结构强度测试2、无心磨削的工件棱圆度精密检测测试对象加工自动定位——3点定位由导轮的摩擦力带动工件旋转，同时由导轮的摩擦力和砂轮的切削力使工件稳定地支撑在托架上进行自动定心，从而实现砂轮对工件外圆的连续加工——等直径加工问题：造成工件外圆形状为棱圆的问题，一般为低次的3、5、7次奇数棱圆和高次的12、14、16次偶数棱圆（常见为三棱圆）砂轮导轮工件托架三棱圆：传动轴无心复合磨削2、无心磨削的工件棱圆度精密检测测试任务棱圆的棱数和棱圆度检测测量精度达到微米级实现量化分析和评估测试方案直接测量外圆外径等分棱圆角度，测量出相应的直径数值经数据处理获得棱圆的棱数和圆度误差——直径测量是无法反映棱圆形状（棱圆的各个方向直径在加工过程中是被保证）直接测量棱圆半径使用位移传感器测量棱圆各个方向的外圆表面到圆心的距离2、无心磨削的工件棱圆度精密检测测试方案——直接测量棱圆半径测量系统组成回转工作台：以实现工件的回转位移测量传感器：测量外圆位移的动态数值位移传感器的调理装置信号处理和显示装置传感器工件信号调理信号处理显示回转台2、无心磨削的工件棱圆度精密检测传感器选择•保证磨削加工的工件测量精度为微米级，必须选用高精度的位移传感器•由于是磨削加工，外圆形状误差不会很大，小量程即可满足测量要求•工件的棱圆度测量确定为非在线方式，低速回转下测量即可，传感器的频响特性不需要很高•考虑到成本，测量方式可选用接触或非接触方式2、无心磨削的工件棱圆度精密检测传感器选择①变间距电容传感器优点：测量精度高，灵敏度高，响应速度快，能抵抗高温、振动和潮湿，特别适用于恶劣环境中作非接触测量，适应于测位移小量程缺点：测量电路较为复杂，一般采用调幅电路或调频电路，后续调理电路相对复杂，增加了系统复杂性②电涡流传感器优点：具有灵敏度高、响应快速、非接触测量的特点缺点：常规类型量程1～2，从实际应用来讲，其精度不足；如选用高精度型，其量程为250，分辨率0.01，但这种类型成本较高，而且易受工件残余磁场干扰2、无心磨削的工件棱圆度精密检测传感器选择③差动变压器位移传感器能提供所需的准确度、精度和可靠性，尽管为接触式测量，但考虑作为研究使用，棱圆测量的工作量不大，而且该测量传感器已成功应用于圆度仪作为测量头，因此考虑选用它圆度仪差动变压器位移传感器2、无心磨削的工件棱圆度精密检测信号处理方法的选择由位移数据波动的频率与工件回转频率的倍数即可确定棱圆的棱数谱分析法频域傅氏谱分析方法：长数据采集方便，亦可获得高的频率分辨率()2()2()(0)jxxxGSRed1X为工件回转频率，3X的频率为棱圆为三棱圆、其幅值的大小表现了棱圆度2、无心磨削的工件棱圆度精密检测测试系统的设计与分析•棱圆测量系统基本框图•图形用户操作界面虚拟仪器实现信号采集、数据分析和处理、结果输出及图形用户操作界面传感器电感式测微仪数据采集卡PC主机测试任务问题描述机车速度提高和牵引功率增大——支承轴承发热增多——安全不容乐观支承轴承：轴箱轴承、牵引电动机轴承、抱轴承及空心轴承轴承磨损和产生缺陷时，这些轴承的不正常发热增大，轻则热轴、固死造成机损，影响机车正常运转；重则造成疲劳破坏和热切轴，车毁人亡测试目的在线监测高速机车的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴承及空心轴承处的温度实时显示各测点的实际温度，进行声光报警和定位指示数据存储管理3、高速机车轴温测试系统测试任务主要技术参数•测温范围：-55～+125℃•测温精度：1℃（0～85℃）•测温点数：38点（可根据不同车型而增减）•报警温度：绝对温度（75℃）和相对温度（环境温度+55℃）•供电电压：110VDC(波动范围：65~140VDC)；功耗小于15W其他要求•抗干扰能力强、适应恶劣的工作环境•系统可靠性高•有完善的自检功能•数据自动存储和查询3、高速机车轴温测试系统测试方案传感器的选择半导体PN结温度传感器•测量误差大。PN结温度传感器容易老化、失效；测点到仪表的引线较长，引线误差较大•连线多，环节多，结构复杂•需定期标定，工作量大，传感器的互换性差•传输弱小的模拟信号，抗干扰能力弱，测量结果的稳定性和可靠性差地面红外线机车轴温检测仪•只能在机车通过监测点时监测轴箱轴承——无法全程监测•不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度3、高速机车轴温测试系统数字式温度传感器（DS1820温度传感器芯片）•无需外围器件，用9位二进制数字量形式输出温度值•温度测量范围：-55-125℃，分辨率为0.5℃•将温度转换为数字量的时间小于200ms•采用串行单总线结构传输数据，即仅用一根数据线接收命令和传送数据•测温误差：＜1℃•用户可自定义永久的报警温度设置•可用于恒温控制、工业系统、消费品、温度表和其他热敏系统。尤其适合于工业现场的温度监测和控制，抗干扰能力强，能适应恶劣的工业环境，工作稳定可靠3、高速机车轴温测试系统测试方案检测计算机系统的选择工业控制计算机•功能强大、运算速度快、编程方便（采用高级计算机语言）、通用性强•体积较大，价格也较高，常用于参量类型和数目较多、要求运算速度快、显示界面复杂的监测和控制任务ARM板计算机•功能和运算速度介于工业控制计算机与单片计算机之间，比工业控制计算机低，但比单片计算机高出许多•体积比工业控制计算机小许多，但比单片计算机大；其价格比工业控制计算机低许多，但比单片计算机高单片机•结构简单、价格低廉、功能相对简单•运行速度较慢和数据处理能力较弱，常用于参量类型和数目较少、要求运算速度不高、显示界面简单的小型监测和控制任务，其最典型的应用是自动（智能）监测仪表从成本、体积、计算性能要求等方面考虑，可选择单片机3、高速机车轴温测试系统测试系统的设计系统硬件构成图数据传输：串行单总线结构，提高数据传输的可靠性和节省连线3、高速机车轴温测试系统测试系统的设计软件设计•程序核心是主机与传感器的单总线串行通信抗干扰设计•系统电源：磁环吸收，滤波器•系统主板加粗电源线和地线地线有效接地加屏蔽钢板三极管改为小继电器•软件：自动复位能力；多次测量3、高速机车轴温测试系统主程序流程图测试任务：重要性在高速、重载、高温条件下工作的机器，摩擦、磨损又是其发生故障的最主要原因润滑是减少摩擦与磨损的简便而有效的方法轴承的润滑状态检测——满足最小油膜厚度处轴承两表面不直接接触任务对摩擦副间微小区域内的油膜厚度进行直接测量监测油膜的工作状态4、润滑油膜厚度检测测试方案传感器选择电阻法——定性测量通过测量油膜的电阻大小来判断其厚度油膜的电学性能极不稳定——标定困难，难以定量放电电压法根据电压与电流的关系来推算出代表油膜厚度的放电电压润滑膜的性质和纯洁程度对放电电压的影响——难以定量测定电容法•当润滑油的介电常数已知后，根据电容值随油膜的厚度增大而降低的变化关系测得油膜厚度——困难在于油膜间隙形状不明确X光透射法•金属能够吸收X光而不能使X光穿过，而润滑油却允许X光穿过——光强度与油膜厚度成正比，困难是光束位置精确的调整4、润滑油膜厚度检测测试方案光纤检测法——光纤位移传感器•输入光纤、输出光纤、反光物体、光敏二极管组成•反光物体——平面反射镜：垂直于输入和输出光纤而移动，光源发出的光经输入光纤，在反光面的形成反射锥体——输出光纤——光敏二极管•耦合原理耦合到输出光纤的光通量取决于输入光纤的像发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积——距离有关4、润滑油膜厚度检测最佳位置距离变小距离变大传感器选择•光源——激光光源为氦氖激光灯•光电检测元件•光电二极管(PIN管)＋运算放大器芯片•直接输出电压，输出电压与芯片接受到的光功率成正比后续测量系统系统分析解决了其他方法无法消除的电磁干扰、使用寿命短、不耐高温、不耐腐蚀等问题,实现了油膜厚度的精密检测4、润滑油膜厚度检测测试对象5、缝纫机噪声源测试分析测试任务噪声测量基础•噪声物理定义——大量频率和相位各异的声音复合而成的无序合声生理感受——一种与人体有害的声音，它已成为主要公害之一•声压级Lp：衡量声音的强弱p：声压p0：基准声压•噪声频率：噪声主要频率成分•频谱分析仪进行连续谱测量•测量各个频率带宽内的声压级5、缝纫机噪声源测试分析0lg20ppLp测试方案测试目的