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1、Test and Measurement for Typical Mechanical Engineering Parameters第6章 典型机械工程参数的测试了解机械振动、位移、压力和流量等工程参数的基本测量方法及相应的测试装置，重点掌握机械系统的力 学模型、机械振动的概念与种类、惯性式测振传感器的 工作原理及它们的结构。通过查阅资料，对其他工程参 数的测试也要有一定的了解。 机械振动的测试。重点难点机械振动的测试。学习目标学习重点与难点6.1 机械振动的测试6.2 位移的测试6.3 流体压力的测试6.4 流量的测试主要学习内容6.1 机械振动的测试Test and Measurement
2、 for Mechanical Vibration机械振动是工程技术中常见的物理现象。除了利用振动原理进行工作的机械以外，振动都是有害的。 振动能破坏机械的正常工作，加快机械的失效，降低 其寿命。振动本身以及由它引起的噪声，对人体的健 康也是有害的。通过对机械设备振动的测量，可以对 其工作状态进行实时检测，进行故障诊断，还可以为 改进其动态特性提供依据。1. 机械振动的概念机械振动（简称振动）：一种特殊的运动形式，指的 是机械系统的某些物理量（如振幅、振动速度、振动 加速度等）在一定数值附近随时间变化的关系。2. 振动测试的工作内容 振动系统基本振动参数的测试 振动系统动态特性的测试 振动信号
3、的分析 6.1.1 概述3. 机械振动的分类 按产生振动的原因分 按振动参数随时间的变化规律分 按振动自由度分 自由振动 受迫振动 自激振动 确定性振动（周期振动、非周期振动） 非确定性振动（随机振动） 单自由度振动 多自由度振动4. 机械系统的力学模型对于一般的机械系统来说，其力学模型通常可近 似为一个二阶的“质量-弹簧-阻尼”系统。 “质量-弹簧-阻尼”系统固有频率5. 机械系统的受迫振动 由作用在质量上的力所引起的受迫振动 振动方程为振动加速度振动速度振动系统动态特性测试的理论基础！振幅 由基础运动所引起的受迫振动 振动方程为基础相对大地（惯性参照系）的绝对运动 质量块相对大地的绝对运动
4、 质量块相对基础的相对运动 惯性式测振传感器测振的理论基础！1. 惯性式测振传感器的工作原理 加速度计当 时， 与被测振动的加速度成正比。 被测振动的振动位移传感器相对壳体的位移响应传感器相对大地的位移响应6.1.2 测振传感器 速度计 当 时， 与被测振动的速度成正比； 振幅计 当 时， 与被测振动的振幅成正比；2. 磁电式速度计 惯性式振动速度传感器 3. 应变式加速度计 4. 压电式加速度计 压电式加速度计的结构形式 压电式加速度计 常用的固定方式 压电式加速度计 的幅频特性曲线 压电式加速度计电容式加速度计力平衡伺服式加速度传感器剪切式压电加速度计三向加速度计微型加速度计1. 常用激振
5、方法 稳态正弦激振分点频激振和扫频激振，常用磁电式激振器、电液式激振器实现。 随机激振 用白噪声信号、伪随机信号或在实际工况记录下来的随机信号作为激振的信号源。 瞬态激振 分快速正弦扫描激振、脉冲激振和阶跃激振，其中以使用脉冲锤产生脉冲激振力的脉冲激振 最为常用。6.1.3 振动的激励2. 脉冲锤 3. 电动式激振器 4. 电磁激振器 5. 电液式激振器 阻抗头内有两个传感器一个是力传感器，用来测量施加在被测物体上的激振力；另一个是加 速度计，用来测量激振点处的响应。 测定机械点阻抗。激振器通过它对被测物体施加激振力，同时也用它测量激振力和被测物体在激振点 处的响应。1. 作用2. 组成6.1
6、.4 阻抗头阻抗头阻抗头1. 轿车的乘坐舒适性试验6.1.5 振动测试的应用示例2. 机械设备运行状态监测及故障诊断 车床主轴箱实时振动监测系统 减速机实时振动监测系统及振动测点布置图 3. 激振实验（动刚度实验） 位移是线位移和角位移的统称。位移测量在工程中应用很广，在工程中不仅经常要求精确地测量零部件的尺寸、形状和位置，而且扭矩、力 、速度、加速度、压力、流量等许多参量的测量也是以位 移测量为基础的。 6.2 位移的测试Test and Measurement for Displacement6.2.1 直线位移（位置）的测试常见的直线位移测量主要是用电感式（包括涡流式）传感器、电容式传感
7、器、感应同步器、光栅式传感器、磁 栅式传感器、容栅式传感器、激光干涉仪来实现。1. 几种常用的直线位移传感器 电阻应变式位移传感器 用于小位移测量（ 0.1m0.1mm）测量精度优于2%线性度0.1%0.5% 电感式位移传感器 常用于微小位移的精密测 量，其测量范围一般为几 毫米分辨率和测量精度可达 0.1m0.01m线性度一般优于0.5% 差动变压器差动螺线管电感传感器及测微仪线路电感测微仪涡流测微测振仪 电容式位移传感器 非接触测量，动态响应好 精度高，分辨率最高可达 0.1nm，精度最高可达1nm 线性好，优于0.5% 变极距式电容传感器（非接触式） 差动式电容传感器（接触式） 电容测微
8、仪扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆 光栅式位移传感器 数字式，测量 范围大，通过 细分分辨率可 达1m甚至更 高。 磁栅传感器 磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁栅与光栅的分辨率、精度相当，但磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。磁栅测量系统 容栅传感器 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它在具有电容式传感器优点的同 时，又具有多极电容带来的平均效应，而且采用闭环反馈 式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力 、提高了测量精度(5m)、极大地扩展了量程(可达1m)，是一种很有发展前途的传感器，已广泛
9、应用于量具、量仪和 机床数显装置。角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用。线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用。数显电子卡尺数显电子卡尺数显电子卡尺数显千分尺数显千分尺数显百分表、千分表量程 750mm分辨率 0.001mm 示值误差 0.0075mm 示值重复性 0.002mm (3) 测量力 13N 可调 测量滑架的最大速度1 米/秒底座测 头数显高度尺6.2.2 角位移（位置）的测试1. 角度基准角度块规多面棱体 精度：0.5“1“多齿分度盘 精度：0.1”圆光栅 精度：0.2”光电编码器圆感应同步器2. 角度的测量精密测角仪（分辨率
10、0.01”）光源准直透镜工作台物镜CCD摄像机零件影像测量仪激光干涉 小角度测量仪自准直仪自动尺寸分选系统 6.2.3 位移测试案例自动分选机电感式仿形铣床 物位的测量 电容式液位计 超声波液位计 射频电容式物位限位开关超声波液位开关智能型射频电容物位计射频电容物位计双联式液位计磁浮式液位计轴承外圈直径测量 数控机床上的光栅数显表数控机床上的光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装 在夹具的端部安装有光栅等位移传感器的数控机床的工况6.3 流体压力的测试Test and Measurement for Fluid Pressure流体压力的测量通常是以间接测量的形式进行的
11、，即先把压力通过弹性元件转换成位移（变形），然 后再对位移进行测量从而得到压力。随着科学技术的 发展，一些利用材料物理性质的新型物性型压力传感 器逐渐出现，为压力的测试提供了新的手段。6.3.1 弹性压力敏感元件普通压力表的结构 1. 应变式压力传感器6.3.2 压力传感器2. 压阻式压力传感器 压阻式绝对压力传感器压阻式压力传感器扩散硅压力变送器压阻式 高压传感器溅射薄膜压力传感器3. 电容式压力传感器 电容式差压传感器 高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器 各种电容式压力传感器 各种电容式压力传感器 各种电容式压力传感器 4. 霍尔式压力传感器 6.4
12、流量的测试Test and Measurement for Fluid Flow流量计的基本工作原理是通过某种中间转换元件或机构，将管道中流动的液体流量转换成压差、位移、力 、转速等参量，再按一定的关系换算成流量。常见的流 量计有容积式、面积式、速度式、节流式、电磁式等。流量的精确测量是一个比较复杂的问题。流动的介质可以是液体、气体、颗粒状刚体，或是它们的组合形 式。液流可以是层流或紊流、稳态的或瞬态的。流体特 性参数的多样性决定了对它的测量方法的多样性。1. 转子（浮子）流量计 智能型转子流量计双转子流量计2. 差压流量计 3. 椭圆齿轮流量计 智能型椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计4. 涡轮流
13、量计 传感器输出信号的频率 流量计常数 智能涡轮流量计涡轮流量计5. 弯管流量计 6. 其他流量计 电磁流量计翅片式流量计多普勒超声流量计机械振动的测试具有比较典型的意义。几乎所有的机械 系统都可以看成是二阶的“质量弹簧阻尼”系统。机械振动的测试以受迫振动为基础，惯性式测振传感器就是根据传 感器感受被测振动后的受迫振动而工作的。惯性式测振传感 器的结构参数满足不同的条件，可分别用来测量振动的加速 度、速度、振幅。除本章介绍的测试方法外，对于各种工程 参数的测试，现在已越来越多地使用一些现代新型传感器来 实现，如激光式位移传感器、光栅式位移传感器、超声波流 量计、红外测温计、CCD三维轮廓扫描仪等。应该注意的是，许多测试都是以间接的方式（二次甚至多次测量变换）实 现的。 本章小结
