中北大学5测试与传感技术的工程应用教学教材

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1、中北大学机械工程与自动化学院 2011年3月,1,机械工程测试技术,2,5.1 位移、速度、加速度测量技术 5.2 机械振动测试技术 5.3 声学测试技术 5.4 温度测试技术 5.5 应变、压力、流量等的测量 5.6 测试系统的小准,机械工程测试技术,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1 位移、速度、加速度测量技术,5.1.1 位移测量 包括： 线位移测量； 角位移测量。 诸如力、压力、扭矩、速度、加速度等参数，大都是以位移测量为基础、通过位移间接测量的。 位移是向量，位移测量既要确定其大小，还应确定其方向。 位移对时间的一次、二次导数，即速度、加速度。 测量时，应选择恰当的测量点、测量

2、方向和测量系统；其中，传感器的选择，对测试精度影响很大。,3,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1 位移、速度、加速度测量技术,4,5.1.1 位移测量 1. 滑线电阻式位移传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,6,5.1.1 位移测量 2. 电阻应变式位移传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.1 位移测量 3. 电感式位移传感器,差动变压器式位移传感器,7,第5章 测试与传感技术的工程应用,说明：,5.1.1 位移的测量,3. 电感式位移传感器 差动变压器式位移传感器,8,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.1 位移的测量 4. 电容式位移传感器,多数采用可变极间距

3、离的平板电容器。 结构特别简单，能实现非接触式测量，对所测物体不施加负载，且灵敏度高，分辨力好，能检测0.01m 甚至更小的位移，动态响应性能也好。,9,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.1 位移测量 5.光电脉冲编码式位移传感器,10,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.1 位移测量 6.电涡流式,回转轴径向运动误差的测量,11,第5章 测试与传感技术的工程应用,特点： 非接触测量； 灵敏度高8mV/m； 测量范围（0.510）mm；,5.1.1 位移测量,7. 位移测量举例 液位测量,12,第5章 测试与传感技术的工程应用,假设：液体介质导电率很小。,5.1.2 速度测量 1

4、. 平均速度法,适合于测量速度比较平稳的运动物体速度。 线圈靶 子弹速度测量 电磁感应原理 子弹磁化 每组线圈两层，内层直流励磁，外层感应线圈 子弹飞过线圈时的磁感应 信号e用于启动脉冲计数。,13,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 1. 平均速度法,天幕靶 子弹速度测量 光学法 天幕靶是一种光电靶，以自然光或人工光为光源。天幕靶对弹丸材料没有特殊要求，对弹丸飞行没有干扰。,14,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 2. 离心式转速计,由于质量块的位移量与回转轴角速度 的平方成正比，因此，刻度盘的刻度是不均匀的。离心式转速计可用于测量 3018000

5、r/min或更高的转速，指示精度可达1%。,15,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 3. 磁电式速度计,动圈式磁电速度计 线圈中产生的电动势与线圈的运动速度成正比。 测量时，顶杆推动线圈在磁场中的运动。传感器壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一个试件，两个试件之间的相对运动速度通过传感器转换为相应的电压输出。,16,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 4. 光电式转速计,光电式测速方法也是属于计数式测量方法。 在被测转轴上涂有黑白相间的标记，当转轴以某种速度转动时，根据标记的等分数和单位时间内输出的脉冲数即可求出转速。,17,第5章 测试与传感技术的工程

6、应用,5.1.3 加速度测量 1. 惯性式加速度计,以待测物体的加速度为 激励，以质量块的相对 位移为响应取拉氏变换,18,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 2. 应变式加速度计,等强度悬臂梁，质量块 ，应变片，对称差动电桥。,19,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 3. 压电加速度计,一种惯性式传感器，输出电荷与被测加速度成正比。属于发电型传感器，使用时不需外加供电电源，能直接把振动的机械能转换成电能。 具有体积小，重量轻，输出大，固有频率高等突出的优点。,20,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 3. 压电加速度计,21

7、,第5章 测试与传感技术的工程应用,结构说明： S弹簧；M质量块；B基座；P压电元件；R夹持环。,5.1.3 加速度测量 4. 电容式加速度计,22,第5章 测试与传感技术的工程应用,K-Beam电容加速度计 特点： 接触式用于振动测量； 低频段：0300Hz； 测量范围 （0.1mg50g）； 体积小、重量轻（8g）。,5.2 机械振动测试技术,5.2.1 振动测试系统 振动的危害 机械设备普遍存在振动现象。机器设备的振动是机械故障的主要原因。机械系统的剧烈振动，可能导致加工误差增大、动态应力增加、产生疲劳裂纹、结构强度下降、设备失灵，其后果严重影响机器设备的工作性能和寿命，甚至使设备破坏，

8、威胁安全生产。同时，强烈的振动噪声损害人的健康。 振动测试的目的 寻找振源，减小或消除振动； 测定结构或部件的动态特性，改进结构设计。,23,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.2.1 振动测试系统 1.压电式振动测试系统,测试振动冲击加速度或激励力，有时也可以通过 积分网络在一定的范围内获得振动速度和位移。 压电式传感器的输出阻抗很高，因此要求电压放大器和电荷放大器的输入阻抗要很高。 传感器可微型化、集成化、智能化。,24,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.2.1 振动测试系统 2.应变式振动测试系统,应变式加速度传感器、位移传感器和力传感器，配套使用的放大器一般用电阻应变仪。 具有良

9、好的低频特性，测试频率可从0Hz开始，但该测试系统的频率上限受到限制。,25,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.2.2 振动的激励方式与激振器,1激振方式 在测试机械设备或机械结构的振动力学参量或动态特性时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。 激振是使被测对象处于受迫振动状态的一种手段。 激励方式通常可以分为稳态正弦激振、瞬态激振和随机激振三种。实验模态分析中经常使用。,26,第5章 测试与传感技术的工程应用,1. 振动的激励方式 稳态正弦激励,稳态正弦激振是最普遍的激振方法。 工作原理：对被测对象施加一个稳定的单一频率正弦激振力，测定振动

10、响应与正弦力的幅值比与相位差。 为测得整个频率范围的频率响应，必须使激振的频率随时间而变化，这一过程称为扫频。必须采用足够缓慢的扫描速度，以保证结构处于稳态振动之中，对于小阻尼系统，尤其应该注意这一点。 优点：激振功率大，信噪比高，测试可靠性也较高； 缺点：获得足够精度的测试数据，需要很长的时间。,27,5.2.2 振动的激励方式与激振器,1. 振动的激励方式 瞬态激励,属于宽带激振法，可由激振力和响应的自谱和互谱求得系统的频响函数。 快速正弦扫描：激振信号频率在扫描周期 中呈线性地增大，但是幅值保持不变。激振函数为如下。 使用激振器。,28,5.2.2 振动的激励方式与激振器,1. 振动的激

11、励方式 瞬态激励,脉冲激振 使用力锤敲击试件，激振力接近函数，或近似于半正弦波。锤头垫越硬，脉冲宽度越小，频率范围越宽。改变锤头配重，调节激振力大小。,29,5.2.2 振动的激励方式与激振器,1. 振动的激励方式 瞬态激励,阶跃激振 阶跃激振属于宽带激振。 激振力来自一根刚度大、质量轻的弦。 试验时，在激振点处，弦的张力通过力传感器施加在试件上，产生初始变形，然后突然切断张力弦。因此相当于对试件施加了一个负的阶跃激振力。 在建筑结构的振动测试中被普遍应用。,30,5.2.2 振动的激励方式与激振器,1. 振动的激励方式 瞬态激励,随机激振 是一种宽带激振方法。一般用白噪声或伪随机信号发生器作

12、为信号源，经功率放大后，驱动激振器，再激励式件。与谱分析仪相配合，获得被测对象的频率响应。 优点：可以实现快速甚至实时测试，许多机械或结构在工作时受到的干扰力和动载荷往往具有随机性质，可用传感器通过分析仪器来实现在线分析。 缺点：所用的设备复杂，价格较昂贵。,31,5.2.2 振动的激励方式与激振器,2.激振器 电动式激振器,功率激振信号输入到线圈6，线圈6受到电磁力作用，带动顶杆12运动，传递激振力。,32,5.2.2 振动的激励方式与激振器,2.激振器 电磁式激振器,铁芯上绕有组直流线圈和一组交流线圈，构成了电磁铁。 工作时，电磁铁与试件组成闭合的磁回路，气隙中的交变磁场使试件承受交变的电

13、磁力，从而激起试件的振动。 优点：非接触激振，激振力大，工作频率范围宽。 缺点：波形失真大、振幅小。,33,5.2.2 振动的激励方式与激振器,2.激振器 电液式激振器,由信号发生器提供激振信号，操纵电液伺服阀，控制油路使活塞做往复运动，再经顶杆去激振试件。 优点：激振力大、行程大且结构紧凑。 缺点：高频特性差，一般适用于低频(0100 )激振。波形差，结构复杂，成本较高。,34,5.2.2 振动的激励方式与激振器,2.激振器 电液式激振器,35,现代振动测量中，电测法使用最普遍，技术最成熟。测试时，先用测振传感器检测振动的位移或速度、加速度信号并转换为电量。传感器是测试系统的核心组成部分。

14、激光具有波长稳定、能量集中、准直性好的优点，因此，激光测振技术已得到开发，并应用于某些特定情况下的测振。 机械式振动测量法，由于响应慢、测量范围有限而很少使用。,36,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,测振传感器的分类： 按测振参数分：位移、速度、加速度传感器。 按传感器与被测物位置关系分： 接触式有电阻应变式、电感式、压电式、磁电式； 非接触式有电容式、电涡流式和光学式等。 按测试参考坐标分：相对式、绝对式。,37,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,相对式测振传感器 传感器壳体固定在相对静止的物体上，以大地为参考基准

15、，活动的顶杆用弹簧以一定的初压力压紧在振动物体上，顶杆跟随被测振动件一起运动，和测杆相连的变换器将此振动量变为电信号，测量物体相对于大地的振动。 相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。 电感式位移传感器、磁电式速度传感器、电涡流式位移传感器等都属于相对式测振传感器。,38,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,绝对式测振传感器 可简化为图示的力学模型。传感器壳体紧固在被测振动件上，并同被测件一起振动，传感器内惯性系统受被测振动件运动的激励，产生同频率的受迫振动响应。,39,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,惯性式位

16、移传感器的正确响应条件 要使惯性式位移传感器 输出位移 能正确地反映 被测振动的位移量 ，则 必须满足下列条件： =（35）n = 0.60.7,40,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,惯性式加速度传感器的正确响应条件 要使惯性式位移传 感器输出量能正确 地反映被测振动的 加速度 ，必须满足 下列条件： =10-1n = 0.60.7,41,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用, 加速度计安装方式 共振频率与固定方式有关；钢螺栓固定31kHz；加云母垫片28kHz；永久磁铁7kHz；手持2kHz。,42,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,压电晶体阻抗头 用于激振试验，装在激振器与试件之间，同时测量激振点的力与加速度。,43,5.2.3 振动测量方式及测振传感器,频响函数的测量,44,5.2.4 机械系统的振动参数测试,第5章 测试与传感技术的工程应用,1. 幅值 振动强度的标志，用峰值、有效值、平均值等表示。 2. 频率 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。