第一章-测试技术4传感器校准与测试方案选择PPT课件

1、1,1.6传感器的标定与校准,1.6.1标定与校准的内容,2,1.6.1.1 灵敏度的标定与校准 传感器在一定频率与环境下，输出量（电压、电荷等） 与输入量（位移、速度、加速度等）之比。 1.6.1.2频率响应的标定与校准 频率响应是传感器的灵敏度随频率变化的关系，在振动 输入幅值不变的情况下，用传感器的输出与频率变化的关系 来表示。即横坐标表示频率，纵坐标表示灵敏度,3,1.6.1.3 线性度的标定与校准 线性度：在某一频率下，传感器的灵敏度随振动输入量 大小而变化的规律。 若横坐标表示输入，纵坐标表示灵敏度，则理想传感器 或测量系统的线性度应是一条过原点的直线,4,1.6.2传感器标定与校

2、准的方法 绝对法和比较法 1.6.2.1 “绝对法”校准传感器 电磁标准振动台（不受周围环境的影响）给出位移、速 度、加速度、频率，并由相应的标准测量系统，测得固定在 振动台上的传感器的输出电压等，进而计算出灵敏度。 一个需校准的加速度计的输入加速度为 输出电压为: 则加速度计的电压灵敏度为,1.179,1.180,1.181,5,与容易测量，关键是振幅（微幅，几微米）的测 定。 一读数显微镜振幅标定法 方法简单、方便、可靠、直观，有一定的精度，是工程 中较为实用的标定方法。缺点是不能进行连续标定、标定速 度慢，在低频区（）容易受电磁振动台的窜动干扰 影响，在高频区（）又受到由于振幅减小（当保

3、持 加速度或速度为定植时），读数显微镜的读数误差比例相对 增加的限制。 这种方法要求选用综合性能较好的振动台，并要求安装 在较大质量且与能够避免外界振动干扰的基础上。 读数显微镜振幅标定系统如图 1.109 所示,6,图1.109读数显微镜振幅标定系统,7,标定时，传感器安装在专用夹具上。对于多个传感器同 时标定时，传感器需紧靠专用夹具周围安装，以避免振动台 台面上各点的振动不同。 标定时，还需注意台面的水平度误差、读数显微镜的仰 角误差、读数显微镜的旋转角误差，一般应控制在左右,8,二互易法 适用于磁电式、压电式传感器的标定与校准。这是一种 绝对校准法。具体方法很多，这里介绍两只传感器进行二

4、次 测量的电阻分压互易法。 将两只加速度计用刚性支架以“背靠背”方式安装在 振动台上，如图1.112 所示。测量两只加速度计在激振频率 为时的输出电压和的比值； 将两只加速度计直接以“背靠背”方式连接在一起， 如图1.112 所示。以某一只加速度计作为激振器，通过分压 器电阻输入频率为的电流，测量第二只加速度计在受 振时产生的输出电压 。 进而按下两式可求得 和,9,若将代入式（1.186），可得 式中、两个加速度计的质量； 振动台的频率； 电阻值,1.185,1.186,1.187,10,图1.112两只加速度计的互易校准法,11,1.6.2.2 “比较法”校准传感器 “比较法”将被校准的传

5、感器与已知的标准传感器相比 较而得到被校准传感器的灵敏度和频率特性曲线的方法。 标准传感器的灵敏度及频率特性曲线必须是由“绝对法”最 高校准技术获得的。标准传感器的传感元件通常是由石英晶体 （性能稳定）制成。 “比较法”校准传感器的方法是将被校准传感器和标准传感 器同时安装在标准振动台上，承受相同的振动，然后测出它们 的输出信号。被校准传感器的灵敏度为： 式中标准传感器的灵敏度； 标准传感器的输出电压,12,被校准传感器的输出电压。 改变频率，重复上述过程，则可得到被校准传感器的频 率特性曲线。 进行校准时，将被校准传感器与标准传感器“背靠背”地 安装在一个托架上，再将托架安装在标准振动台上，

6、保证两 个传感器承受相同的振动，但其相位则相反，校准系统如图 1.113 所示。 这种方法具有校准速度快、操作方便等优点。精度取决 于标准传感器的精度和性能（二级精度,13,图1.113“比较法”标定装置示意图,14,1.6.2.3 频响曲线和线性度的校准 一频响曲线校准 频率响应曲线是指传感器的灵敏度随频率的变化情况。 频率响应曲线的校准也是在标准振动台上进行，其校准装置 如图 1.114 所示。 图1.114频率响应曲线校准装置示意图,15,被校准传感器与标准传感器（“背靠背”固定）接受相同 的振动，同时记录两个传感器的振动信号。 图中差动振荡器的目的是保证标准振动台以恒加速度振 动。固定

7、振动台的振动的幅值（标准量级），改变振动台的 振动频率，测量出被校传感器在不同频率下的输出量，再换 算成灵敏度，即 被校加速度计的频率响应特性曲线如图 1.115 所示,16,图1.115加速度计的频率响应特性曲线,17,二线性度校准 线性度是指传感器的灵敏度随输入振动量的大小变化的 情况。线性度的校准也是在标准振动台上进行的。在一定的 频率（一般选），逐点改变输入量，测出输出量即可。 线性度曲线如图 1.116 所示。 图1.116传感器线性度曲线,18,1.6.3力传感器的动态标定方法 力传感器的动态灵敏度与动态力测试系统的频率特性需 在动态下进行标定。 1.6.3.1 正弦激励法 力传感

8、器的频率响应用正弦激励法校准。方法是将力传 感器安装在标准振动台上，在力传感器顶部安装一个重块， 以恒定的加速度在不同的频率下激励力传感器，并记录下力 传感器的输出，即为该力传感器的频率响应。 1.6.3.1 冲击力法 这种方法是将力传感器安装在基础上，落锤上安装有加 速度计，落锤自由下落，撞击力传感器，并记录加速度计与 力传感器的响应，即可求得力传感器的灵敏度。 用谱分析的方法，可以测出力传感器的谐振频率与频率 响应,19,1.6.4电涡流传感器的静态标定方法 1.6.4.1 静标定系统 该系统由静校器、测量电路、高稳定度稳压电源、数个 电压表、被测导体及被校传感器组成。静标定系统示意图如

9、图 1.117 所示。 图1.117静标定系统示意图,20,1.6.4.2 静标定方法 将被校准传感器固定于静校器上，并将传感器输出送到 测量电路中。被测导体（测试盘）和静校器的千分尺相连， 旋动千分尺，被测导体和传感器之间便有相对位移。 被测导体和传感器端面 接触时，然后反转千 分尺，记下不同值时，传 感器的输出电压读数。根据 测得的数据，可绘出 特性曲线，如图 1.118 所示。 图1.118特性曲线,21,1.7 测试方案制定与测试系统选择,1.7.1测试方案的制定 步骤如下： 根据所要研究、解决问题的性质与要求，来确定测 试的详细内容和方法，选定测试条件（现场、实验室）； 根据测试对象

10、，选择合适的仪器的种类与数量； 根据测试的要求，确定测试系统，选择合适的记录 设备，作好测量前的准备工作，如环境温度、电源参数、仪 器型号、通道号、衰减档等都需作详细的记录； 确定整个测试方案及绘制框图，并进行测量系统的 标定与校准,22,1.7.2测试系统的选择 测试系统的选择需注意以下几点： 性能稳定可靠； 足够的精度，能适应恶劣环境； 足够的动态特性，即响应快、抗干扰能力强； 多功能； 实际处理功能； 能长期存储数据； 低功耗，可用多种电源供电,23,1.7.2.1 传感器的选择 根据所要测量的参数，选择传感器的型式； 根据所要测量的参数，确定传感器的安装方向； 安装方式； 尺寸与重量；

11、 电缆：连接方式、长度、屏蔽等； 辅助装置； 最大运动界限； 最小运动界限； 灵敏度、横向灵敏度、频率范围、相位特性、使用 温度范围、抗干扰能力等,24,1.7.2.2 放大器的选择 输入特性： 最大允许输入值,25,放大特性： 增益范围及增益的稳定性； 带宽； 线性度。 输出特性 满足显示、记录设备的要求； 输出的稳定性。 其它特性 信噪比； 增益的温度系数； 抗干扰能力,26,1.7.2.3 记录仪器的选择 频率 冲击波：采用高速瞬态波形记录仪器或带扫描变换器的 波形记录仪； 低频振动：采用盒式磁带模拟数据记录仪。 信号持续时间 瞬变信号持续时间短，可采用高速瞬态波形记录仪器或 带扫描变换

12、器的波形记录仪； 超低频信号持续时间长，若信号持续时间长而变化又较 快时，采用大容量的瞬态记录仪、DR方式磁带记录仪等。 信号的幅度、内阻、输出功率等 信号的通道数 记录精度,27,1.7.3典型测量与监测系统 1.7.3.1 车辆的振动测试与分析 收割机在土路上以的最高速度行驶时，四个车 轮振动对座椅振动的影响如何？ 测振传感器选用应变片式加速度计，测点布置如下图。 图1.119测点布置图 1、2、3、4、5应变式加速度计,28,测试系统框图如图1.120所示。 图1.120测试系统框图,29,将磁带记录仪记录的加速度信号输送到频谱分析仪 中进行自谱、互谱、传递函数及凝聚函数分析，其自谱与凝

13、 聚函数如图 1.121 所示。 座椅振动加速度的自谱如图1.121 所示。由图可见，座 椅振动的频率主要在以下。凝聚函数如图1.121 所示， 图中： 右后轮与座椅振动之间的凝聚函数； 左前轮与座椅振动之间的凝聚函数； 右前轮与座椅振动之间的凝聚函数,30,图1.121座椅振动自谱图,31,图1.121座椅振动凝聚函数图,32,图1.121座椅振动凝聚函数图,33,图1.121座椅振动凝聚函数图,34,由图1.121可以看出: 右后轮与座椅的振动之间的凝聚函数的值都 在左右。说明座椅的振动主要不是由右后轮振动引起。 左后轮振动对座椅振动的影响很小，故在图中未画出。 左前轮与座椅的振动之间的凝

14、聚函数的值在 （）的频率范围内较大，达以上，即在这个 频率范围内左前轮振动对座椅振动的影响较大。 右前轮与座椅的振动之间的凝聚函数的值在 （）和（）的频率范围内较大，也达到 以上，即在这两个频率范围内右前轮振动对座椅振动的 影响也较大,35,1.7.3.2 机床结构的动态特性实验 机床振动会影响动态精度和被加工零件的质量，降低生 产效率和刀具的耐用度。强烈振动会降低机床的使用性能。 通过动态实验，可了解其动态特性，寻找出防止和消除机床 振动的方法和提高抗振性的途径。 立式钻床脉冲激励法的实验框图如图 1.122 所示。 测得的谐振频率与振型图如图 1.123 所示,实验方法,稳态 正弦激励,脉

15、冲激励,具有激励能量集中、精度高、模态分辨率强等优点，但所需实验时间长,具有方法简单、实验设备少、实验时间短、频响宽等优点，相对而言精度略差一点,36,图1.122脉冲激励法测试系统框图 1立式钻床；2冲击锤；3加速度传感器；4电荷放大器；5分析仪；6绘图仪,37,图1.123立式钻床固有振型,38,1.7.3.3 大型汽轮发电机组的振动监测 对于一些汽轮机、发电机、风机、球磨机等机组，在发 生故障前的一段时间内，必然产生异常振动现象，因此配备 一套振动监测系统能及时发现机组在运行中的异常振动，排 除隐患，防止事故。图 1.124 是某电厂大型汽轮发电机组振 动监测示意图,39,1.7.3.4

16、 环境振动测量分析 火车驶过时引起地表振动，对两边建筑物的影响可用加 速度传感器进行测量，测点布置如图1.125所示,图1.125火车引起地表振动的监测点分布图,40,表1.21给出了火车引起周围环境振动的幅频特性。 表1.21火车激起环境振动的加速度值,41,由表可知：客车比货车激起的振动加速度小。经频谱分 析，振动的主要能量集中在，其频谱如图1.126 所示,图1.126火车振动频谱图 垂直振动，测点路基,42,图1.126火车振动频谱图 垂直振动，测点三楼,43,图1.126火车振动频谱图 水平振动，测点路基,44,图1.126火车振动频谱图 水平振动，测点二楼,45,1.7.3.5 桥

17、墩水下部位裂纹探测 铁路、公路桥梁桥墩的检测对保证交通安全是十分重要 的。但桥墩水下和地表以下部位的缺陷是很难直接发现的， 用压电加速度计来检测桥墩的振动，并进行谱分析，则可较 准确地判断桥墩的内部缺陷。图1.127 为桥墩水下部位裂纹 探测示意图。 用放电炮的方式通过水箱使桥墩承受一个垂直方向的激 励，用压电加速度计测量桥墩的响应，经电荷放大器、数据 记录仪，送入频谱分析仪。经频谱分析后，可判定桥墩有无 缺陷,46,图1.127 桥墩水下部位裂纹探测示意图,47,无缺陷的桥墩相当于一个坚固的整体，即相当于一个质量 块，其桥墩的力学系统是一个单自由度系统，振动只有一个谐 振点，其加速度响应曲线

18、为单峰，如图 1.127 所示；有缺陷 时，桥墩的力学系统变得十分复杂，相当于两个或多个自由度 系统，具有多个谐振频率点，加速度曲线为双峰或多峰，如图 1.127 所示,图1.127、桥墩水下部位裂纹探测示意图,48,1.7.3.6 稳态正弦波频率扫描试验 用实验方法研究复杂结构动力特性，有两类方法： 保持激振力幅恒定，进行频率扫描，测量结构最大 响应时，各阶共振频率和各阶振型； 在激振频率扫描时，同时测量激振力和响应，根据 它们的幅值和相位得出频率响应函数，然后进行数据处理， 也称机械阻抗测试。 这里只简单介绍前一种方法，其测试系统如图 1.128 所示。 试验时，信号发生器产生稳态正弦信号，经过功率放大 器使激振器产生一定频率的激振力。可移动传感器可检测各 点的振动信号。 试验时，需控制激振频率和激振力幅值这两个量,49,图1.128稳态正弦扫描试验系统框图,50,激振频率的控制可以手动，也可以用仪器实现连续扫描 或间断步进扫描。扫描的速度不能快，一般在远离共振点处 扫描速度快一些，而在共振点附近扫描速度慢一些，以提高 分辨频率的能力。 激振力幅值的控制通常有两种办法：直接控