工程测试技术(第四章)1

1、第四章 典型非电量参量的测量方法 4.1 振动测量 振动描述：位移，速度，加速度 4.1.1 振动分类 自由振动，受迫振动，自激振动线性振动，非线性振动确定性振动，随机振动 4.1.2 振动测量的类别 (根据测量工作目的不同分)（1）振动基本参数测量在工作状态下，对振动着的结构或部件进行实时测量分析，测量振动体上某点的振动位移、速度、加速度、频率等。目的：识别振动状态、寻找振源。（2）机械动力学特性参数测量激振被测对象，同时测出输入激振力信号和振动响应信号。目的：获取被测对象固有频率、阻尼比、动刚度、振型等。这类测量又称：频率响应试验或机械阻抗试验（3）模拟环境振动测量在规定条件下，对设备进行

2、振动例行试验。目的：检查设备的耐振寿命、性能稳定性，设计、制造、安装的合理性。 4.1.3 振动量的测量方法 电测法 LL/5L/5电荷放大器电荷放大器SCXI-1200数据采集模块计算机脉冲锤加速度计1234567试材(木板)弹簧振动方式测定木材强度的测试系统4.1.4 激振信号 稳态正弦信号：最早采用，每次激振频率单一；频率可变。 随机信号：一般由白噪声信号发生器产生，理论上在整个频率范围内具有连续、等值功率谱。 瞬态信号：脉冲冲击力；理想脉冲信号的频谱包含所有频率成份，且各频率成份强度相同。4.1.5 激振器 激振器功率放大器信号发生器（1）电动式激振器 当线圈7通以激振信号电流时，所产

3、生的交变电动力会通过顶杆输出激振力。 工作频率52000Hz （2）电磁式激振器 励磁线圈3通以交变信号电流。 工作频率500800Hz （3）电液式激振器 用于大型试件的激振 小型电动激振器带动液压伺服阀，从而驱动活塞振动。 工作频率0100Hz（4）脉冲锤 4.1.6 振动的基本参数振动的幅值、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。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。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。法表示。频率频率。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。不同的频率成分反映系统内不同的振

4、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。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。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。谐波的相位关系是不可缺少的。 简谐振动简谐振动是单一频率的振动形式，各种周期运动都可以用不同频率的简谐运是单一频率的振动形式，各种周期运动都可以用不同频率的简谐运动的组合来表

5、示。简谐振动的运动规律可用位移函数动的组合来表示。简谐振动的运动规律可用位移函数y(t)描述描述式中式中A位移的幅值，位移的幅值，mm；初始相位角，初始相位角，r；振动角频率，振动角频率，1/s,2/T2f；)cos()(tAty4.1.7 质量块受力产生的受迫振动质量块受力产生的受迫振动 在外力 的作用下，质量块m的运动方程为 式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，位移y(t)为振动系统的输出。 这是一个典型的一阶振动系统，其系统频率响应函数 H()、幅频特性函数 A()和相频特性函数分别为式中 n固有圆频率， 阻尼比，通常把振动幅频特性曲线A()上幅值最大处的频率r 称为位移共振频率。4.1

6、.8 振动参数的测量 振动参数：固有频率，阻尼比，模态机械结构的模态：一阶模态、二阶模态、三阶模态、多阶模态多自由度振动系统会有多阶模态存在。每一阶模态都有它确定的固有频率、阻尼、质量、刚度等。 一、固有频率测定对拾振传感器信号进行自功率谱分析或频谱分析二、阻尼比测量（1）最大幅值法利用位移导纳的幅频特性曲线求固有频率和阻尼率（比）。 rn2212（2）分量法频率响应函数分解为实部和虚部两个部分，利用实部频率曲线求得固有频率和阻尼率。 n12三、振动模态测量激振与拾振方法：)()()(XYH)(Im)(Re)(22HHH)()()(Im)(Re)(HjeHHjHH频率响应函数分析：模态计算：求

7、虚部)(ImH案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析4.3 位移测量 包括线位移测量和角位移测量。 4.3.1 测量方法分类 模拟式测量法：将位移量转换成电模拟量。传感原理包括电阻式、电感式、电容式、电涡流式等。 数字式测量法：将位移量转换成脉冲量输出。主要用于精密位移测量。例如，光栅尺（直线）、编码器（旋转）。 4.3.2 常用位移传感器 (1）电阻式位移传感器 滑线电阻式位移传感器：几毫米几十毫米，精度0.5%1% 应变片式位移传感器：几微米几毫米。 （2）电感式位移传感器 螺管差动型位移传感器 杠杆式差动变压器位移传感器（3）电涡流式位移传感器利用线圈与金属导体之间的电涡流效应来实现位移测

8、量，因此要求被测体为导体。测量端面与被测体表面原始距离1mm。特点：灵敏度高，非接触测量，测量精度不高。 （4）光纤位移传感器物性型光纤位移传感器(a)光纤长度变化导致光相位变化；(b)光强变化；(c)相位与光强均变化结构型光纤位移传感器 (5）绝对值脉冲编码器 通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置。 由二元信号“0”和“1”组成代码，每一个代码对应编码器的一个位置。 简单的直接编码原理图 图712，圆形编码器结构示意图，16个位置 读码原理：导电不导电电刷方法；透光不透光光电方法。 （6）光栅透射光栅：在玻璃表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹。反射光栅：在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔

9、相等分线纹。长光栅，圆光栅图716，透射光栅，100线/mm图717，反射光栅，50线/mm目前光栅精度可达“微米”级，最好为0.1微米。 工作原理G1-长光栅（标尺光栅）G2-短光栅（指示光栅） 4.3.3 位移测量的工程应用举例 （1）回转轴回转误差测量 （2）物位测量 4.4 速度测量 线速度，角速度4.4.1 速度测量方法分类 模拟式测量方法：利用与速度成一定关系的某种连续变化物理量来反映速度的大小。例如，离心式转速计 计数式测量方法：数出在一定时间内由运动物体发出的周期性信号数目。例如，电容式转速传感器、涡流式转速传感器等，将转速转换成脉冲信号。 同步式测量方法：将被测物体的运动频率

10、与已知频率相比较，进而求出转速。例如，频闪式测速方法。 4.4.2 常用的速度测量装置 （1）离心式转速计测量范围3018000r/min (2）磁阻式磁电转速传感器 齿轮转动空气隙变化磁阻变化感应电动势变化 （3）光电式转速传感器 被测转轴上涂有黑白相间的标记。 （4）频闪测速仪频闪次数可在100150000次/分这种方法利用人的视觉暂留作用来测量转速。测量时，先在被测物体上画上标记；当频闪频率与转速频率相同或为整倍数、整分数时，可以看到静止的标记。正确做法：先估计转速，闪光频率由高向低调节，当出现两个静止标记时，说明闪光频率是转速频率的两倍；再调低闪光频率，当第一次出现一个静止标记时，闪光

11、频率与转速频率相同。 4.5 温度测量 4.5.1 温标 衡量温度的标准尺度称为温标。 国际开尔文温度T（K），国际摄氏温度t（） t（）T（K）273.15K 4.5.2 测温方法分类 （1）按测温原理和所用感温元件不同，测温方法分为膨胀式、压力式、电阻式、热电式和辐射式5类。 膨胀式温度计：玻璃温度计（200600），双金属温度计（80600）。 压力式温度计：组成一个封闭系统，温包放入被测介质中，当温度变化时，封闭系统中的压力随之变化。80500 电阻式温度计：利用金属或半导体的电阻指随温度变化来显示温度值。200600 热电式温度计：利用金属导体的热电效应，将温度转换为热电势输出。27

12、11800 辐射式温度计：通过检测被测物体的热辐射来确定温度。（2）按测温元件是否与被测物体接触，分为接触式测温方法和非接触式测温方法。 4.5.3 热电偶 铂铑铂热电偶：型号WRP，01300 镍铬镍硅热电偶：型号WRN，0900 镍铬考铜热电偶：型号WRK，0600 （2）热电偶冷端温度补偿办法一般测温仪多是以冷端为0时刻度的，而使用式冷端温度不同，所以需要进行补偿和校正。a.冷端冰点恒温法 冷端放入0的冰水混合液体中b.计算校正法 用其它温度计测出冷端温度，然后从该热电偶的分度表中查出应当加上的校正值。 c.补偿电桥法 在热电偶测量回路中串联一补偿电桥 电桥在0时已调平衡，a、b两点电位

13、相等。 （3）热电偶测量线路(a) 测量某点温度(b) 测量两点间温差，两相同热电偶反向串联(c) 测几点温度和，几个相同热电偶正向串联(d) 测几点平均温度，几个相同热电偶并联(e) 测量温度偏差，在回路中接入与热电势反向的基准电动势。 4.5.4 辐射式测温方法 （1）热辐射原理 物体辐射波长从射线到无线电波，其中0.7740m红外线和0.40.77m可见光部分能被其它物体吸收并转换为热量。 热辐射多少与物体温度有关，所以利用热辐射可以测温。 全辐射高温计测量高温和可见光范围； 红外测温仪测量低温和红外线范围。 （2）全辐射高温计测温范围1002000黑体：能吸收全部落在该物体上辐射能的物

14、体。黑体具有全波长辐射能力。灰体测量灰体温度时，示值温度低于被测真实温度，需要修正。 （3）红外测温仪和红外热像仪 4.5.5 机床升温测量 4.5.6 切削温度测量 4.6 力测量 4.6.1 车削测力仪 4.6.2 铣削测力仪 4.6.3 钻削测力仪 4.6.4 磨削测力仪 4.6.5 压电晶体式测力仪 4.7 压力测量 液体或气体对容器或管道等的压强。单位Pa=1N/m2 绝对压力 表压力指绝对压力与大气压力值之差。 4.7.1 压力敏感元件 弹簧管（波登管），膜片，波纹管 在波纹管弹性范围内，自由端的位移与作用压力呈线性关系。 4.7.2 常用压力传感器 （1）膜片应变片压力传感器 （

15、2）压电式压力传感器 （3）其它压力传感器 4.7.3 压力传感器的安装 “齐平”安装，“管道容腔”安装。 测量动态压力时，前者效果好。 4.8 噪声测量 （1）声压和声压级 声压（声压强）p空气中有声波传播时的波动压强与没有声波传播时的静压强之差值。 声压级 单位：分贝（dB） p0=20Pa为基准声压，指人耳刚能听到的1000Hz纯音的声压，又称为听阈声压。（2）声强和声强级 声强I在声音传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能量。单位W/m2 声强级 单位：分贝（dB） I0=10-12 W/m2 为基准声强，又称听阈声强。 )/lg(200ppLp)/lg(100IILI（3）声功率和

16、声功率级 声功率W声源在单位时间内辐射出来的总能量。单位：瓦（W） 声功率级 单位：分贝（dB） W0=10-12 W 为基准声功率（4）响度和响度级 声压级相同而频率不同的声音听起来不一样响。 响度N从人听觉角度引出的与声强、频率和波形都有关的物理量。单位：宋（Sone） 规定1000Hz、声压比听阈声压大40dB的纯音的响度为1宋，且声压级每增加10 dB，响度增加1宋。 响度级LN单位：方（phon）。以1000Hz纯音为基准声音，若噪音听起来与该纯音一样响，则该噪音响度级的方值就等于该纯音声压级的分贝值。 )/lg(100WWLW声功率、声强、声压间关系声强测量（5）噪声频谱 4.8.2 常用噪声测量仪器 （1）传声器 传声器是声电转换装置，有电容式、压电式、动圈式等。其中，以电容式性能最好。 （2）声级计将传声器、指示器、电源、处理电路结合在一起，即组成测量声压的声级计。计权网络是根据等响度曲线设计的一组具有不同