常见机械信号的测量

《现代测试技术》

3常见机械信号的测量

掌握常见位移测量传感器的原理、应用了解电动式速度测量技术了解压电加速度测量技术掌握噪声测量技术本章的学习要求：

3.1概述机械信号:位移,速度,加速度,噪声等强烈的振动→机器失效或破坏→检测→产品质量客观评价与预警刀具的运动量加工精度控制的保证阀的开度机器工作控制的保证机器的热态和冷态胀差设备调整的原始依据齿轮箱的振动运转状态监测的依据

▲位移：物体上某点在两个不同瞬间的位置变化量测量意义：零部件的位移，许多参数（力、压力、扭矩、温度、流量、物位等）转换为位移来测试分类：线位移和角位移测量要素：大小，方向测量系统组成：位移传感器、测试电路、终端显示测量方法：电感式、电容式、涡流式、应变式、霍尔式、压电式、光栅式、感应同步器和磁栅等3.2位移的测量3.2.1电位器式位移传感器电位计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起输出电阻的改变。特点：结构简单、性能稳定、可靠，但精度低，动态响应差。且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，引入噪声。灵敏度：

应用：可用来测位移及可变成位移的物理量。

为常数，因此，具有良好的线性。

电阻式传感器可分为电位计式和应变式。参量型传感器3.2.2电阻应变式位移传感器组合式位移传感器（见教材58页）3.2.3电容式传感器

1.变换原理

将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2.分类

a)极距变化型+++c)介质变化型b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型3.灵敏度

a)极距变化型传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器

平板电容器传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型

直线位移型b)角位移型

传感器灵敏度角位移型c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。4.电容式传感器的应用振动测量

旋转轴的偏心量的测量

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型3.2.4.电感式传感器1.可变磁阻式(自感型)原理:电磁感应

W:线圈匝数；

L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁(1).间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0

、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，L与δ的双曲线关系

传感器灵敏度：(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构当μ0

、δ

固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度L与A0的线形关系=常数(3).螺线管型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。(4).差动型变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度1）工作原理：利用被测量改变两个线圈的互感，变压器输出端（次级线圈）的耦合电压跟随被测量变化。2）输出特性：在初级线圈加一激励电压ei，次级由两个独立的线圈组成，并将两个线圈反串串接，这时次级输出：（5）差动变压器工作原理:互感现象.应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,

应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量

~案例：张力测量▲当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为1）高频反射式2）低频投射式3.2.5电涡流式传感器

1.工作原理：通常交变磁通借助于通过交变电流的线圈来产生，设线圈产生的磁通为Φ1，Φ1作用在导体中产生的电涡流同样产生磁通Φ2，且与Φ1方向相反。由于Φ2对线圈的反作用，导致线圈的阻抗发生变化。参量型传感器

Z=f（δ，μ，ρ，f以及表面状况……）

δ-距离，μ-磁导率，ρ-电导率，f-频率,……

如果这些参数中有某个发生变化，线圈阻抗便会发生变化，通过测线圈的阻抗，便能测定相应的物理量。

②线圈的等效阻抗将产生电涡流的导体看作是一个封闭回路，根据等效电路可列出回路方程：

参量型传感器由上式可看出：原线圈阻抗Z0=R1+jωL1由于电涡流的影响,Z1变成Z1=(R1+kR2)+jω(L1-kL2)式中：kR2:涡流反射电阻，

kL2:反射电感参量型传感器原线圈的等效阻抗Z变化：例1.高频反射式（集肤效应）高频反射式涡流传感器δ例2.低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律③谐振回路法测量原理

谐振法电路就是利用线圈电感与一个电容器相并联，组成一个并联谐振回路，这时，谐振回路的复阻抗为：参量型传感器Z的幅频特性当线圈靠近导体时，由于涡流反射电感的作用，使线圈的等效电感发生变化，其变化情况分两种：a.被测导体为非导磁体：

参量型传感器谐振频率ω0，即输入电流频率为ω0时，谐振回路阻抗值为最大。b.被测导体为导磁体：δ↓M↑

L↓Z↓δ↓M↑

L↓Rm↓L↑↑Z↓参量型传感器↑电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导率、电导率不同，也会导致灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行标定。电涡流传感器通常可用来测量：①位移、振幅；②转速；③表面裂纹、厚度；④材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。2.应用3.应用特点线圈厚度小，灵敏度高；外径大，测量范围大，但灵敏度低；被测对象的材质对灵敏度的影响：电导率高，灵敏度高；磁导率高，灵敏度小，因而必须先进行消磁处理。被测体形状对灵敏度的影响：被测体的表面积应大于线圈的表面积。

参量型传感器4.涡流式传感器的应用举例案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量构件振幅的测量构件振型的测量轴心轨迹的测量其中，n为转轴的转速；f为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。案例:转速的测量案例：测厚案例：零件计数案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.2.6感应同步器（课堂自学）3.2.7光栅位移测量（课堂自学）3.2.8光学轴编码位移测量（课堂自学）3.3电动式速度测量技术

磁电式传感器是把运动速度转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

2.分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.动圈式传感器

l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。4.磁阻式传感器

5.磁电传感器的应用测速电机磁电式测速传感器测频数测转速偏心测量振动测量▲3.4压电加速度测量技术

1.压电传感器原理

1）原理某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。线加速度是指物体质心沿其运动轨迹方向的加速度，是描述物体在空间运动本质的一个基本量。线加速度的单位是m/s2，而习惯上常以重力加速度g作为计量单位。对于加速度，常用惯性测量法，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。压电效应式中，q为电荷[量]；D为压电常数，与材质及切片方向有关；F为作用力。q=DFea：开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；Ca

为压电晶片的电容。2）

测量电路

等效电荷源

Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配

电压放大器电荷放大器(1).主要作用放大器的输入电压：系统的输出电压为：

系统的灵敏度为：当电缆长度变化时，Cc变化，ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难(2).电压放大器q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推导(3).电荷放大器3）

压电传感器的应用压力变送器加速度计，力传感器

压电式压力传感

压电式压力传感器特性

阻抗头的结构原理图

阻抗头的安装结构

▲牵连运动：和被测运动体一起运动惯性运动：质量体相对于运动体的运动2惯性式加速度计的工作原理由牛顿运动定律，有：经整理后得：坐标x表示传感器基座的位移坐标y表示质量块相对于传感器基座的位移该物理模型是一个典型的二阶线性测量系统，引入无阻尼固有圆频率ωn及无阻尼阻尼比ξ：以待测物体的加速度a为激励，以质量块的相对位移y为响应，对上式取拉氏变换，有：频率响应函数为拉氏传递函数Ha（S）为：幅频特性为:相频特性为:结论：

惯性式加速度计必须工作在低于其固有频率的频域内。因此，惯性式加速度计有尽可能宽的工作频域，它的固有频率应尽可能高一些，也就是弹簧的刚度k应尽可能大一些，质量m应尽可能小。

1)压电加速度计是一种惯性式传感器，它的输出电荷与被测的加速度成正比1)结构特点：基座：加厚基座或刚度较大的材料；质量块m：具有一定的重量，以提高传感器的灵敏度；引线：直接焊接在晶体表面的金属片上，一般采用镀银电极；预加载荷：由硬弹簧、螺栓、螺母对质量块、晶片预加载荷3压电加速度计被测加速度amaF(惯性力)QU等效质量块m晶片电荷放大器2)工作原理应变式加速度计是以应变片为机——电转换元件的加速度传感器。R1R2R4R3UscUsraR1R2被测加速度amaεΔRΔU等效质量块m电桥等强度梁应变片4应变式加速度计3.5噪声测量技术3.5.1噪声测量的物理量1、噪声的定义指声音强弱和频率变化都杂乱无章、没有规律的声音，即不协调的声音称为噪声。噪声是一定频率范围内的机械振动在弹性介质中传播的声波。

噪声是声波的一种，具有声波的一切特性。其波长、声速和频率的关系如下：声音按频率可分为：次声、可听声、超声、特超声。·次声：频率低于20Hz的声音；·可听声：人耳可听到的声音，频率为20Hz

到20000Hz；·超声：声波的频率高到超过人耳听觉范围的频率极限，人们觉察不到的声波；·特超声：高于超声频率上限的超高频声波如300MHz、500MHz、1000MHz的声波。2、声压、声强和声功率

1）声压声压是指有声波时，媒质的压力对静压（没有声波时媒质的压力）的变化量，通常以其均方根值来表示。声压记为P，单位为牛/米2（N/m2）即帕（Pa）。听阀声压：正常人双耳能听到的1000Hz的纯音的声压为2×10-5Pa基准声压：2×10-5Pa2)声强声场中某一点处的声强定义为一个与指定方向（声波由声源该点的传播方向）相垂直的单位面积上、每单位时间内传过的声能。以I表示，其单位为瓦/米2（W/m2）听阈声压的声强为10-12W/m2，以此值作为基准声强。

3）声功率声功率是声源在单位时间内发射出的总能量，通常用W表示，单位为瓦（W）。取10-12W作为基准声功率。3、声级和分贝通常声压、声强和声功率以分贝表示，分贝表示的量与选定的基准量有关。1）声压级（Lp）

式中，p0为基准声压（p0=2×10-5Pa）。2）声强级（LI）

式中，I0为基准声强（I0=10-12W/m2）。3）声功率级（LW）式中，W0为基准声功率（W0=10-12W）。4）分贝的加、减和平均①分贝加法通常情况下，声源不是单一的，而总是有多个声源同时存在的。因此，就有声级的合成问题，声级的合成用分贝加法来进行。在各声源发生出声波互不相干的情况下，若相加的声压级分别为Lp1，Lp2，…，Lpn，可得

►总的声压级Lpt为:

式中，Lpi为第i个声源的声压级（dB）。

►声强级的求和公式：

LI

t为总的声强级（dB）；LIi为第i个声源的声强级（dB）。声功率级的求和公式：

LWt为总的声功率级（dB）；

LWi为第i个声源的声功率级（dB）。②分贝减法在某些情况下，需要从总的测量结果中减去被测声源以外的声音，如本底噪声的影响，以确定单独由被测声源产生的声级，这就要进行分贝相减的计算。③分贝的平均值分贝平均值的求法由分贝求和法而来，即

式中，n­为测点数目；Lpi为第i点测得的声压级为测点数目为n点的平均声压级。4、声级计的计权网络、A声级在声学测量仪器中，声级计的“输入”信号是噪声客观的物理量声压，而“输出”信号，不仅是对数关系的声压级，而且最好是符合人耳特性的主观量响度级。为使声级计的“输出”符合人耳特性，应通过一套滤波器网络造成对某些频率成分的衰减，使声压级的水平线修正为相对应的等响曲线。故一般声级计中，参考等响曲线设置计权网络A、B、C三种，对人耳敏感的频域加以强调，对人耳不敏感的频域加以衰减，就可直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主客观量趋于一致。 A计权网络是效仿倍频等响曲线中的40方曲线设计的，较好地模仿了人耳对低频段（500赫以下）不敏感，对1000~5000赫声敏感的特点。用A计权测量的声级叫做A声级，记作分贝（A），或dBA。►

B计权网络是效仿70方等响曲线，低频有衰减 C计权网络是效仿100方等响曲线，在可听频率范围内，有近乎平直的特点，让所有频率的声音近乎均同通过，基本上不衰减，因此C计权网络代表总声压级。声级计的读数均为分贝值。显然，选用C计权网络测量时，声压级未经任何修正（衰减），读数仍为声压级的分贝值。而A档和B档的计权网络，对声压级已有修正，故它们的读数不应是声压级，但也不是响度级，其读数应称声级的分贝值。上图所示为A、B、C计权网络的衰减曲线。3.5.2噪声测量仪器1传声器传声器是将声信号转换成相应的电信号的一种声电换能器。

1、传声器的种类和结构

传声器按其变换原理，可分成电容式、压电式和电动式等类型，其中电容式传声器在噪声测试中的应用最为广泛。1)电容式传声器的结构张紧的膜片与其靠得很近的后极板组成一电容器。在声压的作用下膜片产生与声波信号相对应的振动，使膜片与不动的后极板之间的极距改变，导致该电容器容量的相应变化。因此，电容式传声器是一极距变化型的电容传感器。运用直流极化电路输出一交变电压，此输出电压的大小和波形由作用膜片上的声压所决定。2)压电式传声器的结构如右图所示：压电式传声器主要由膜片和与其相联的压电晶体弯曲梁所组成在声压的作用下，膜片位移，同时压电晶体弯曲梁产生弯曲变形，由于压电材料的压电效应，使其两表面生产相应的电荷，得到一交变的电压输出。3)电动式传声器的结构如右图所示：电动式传声器，又称动圈式传声器在膜片的中间附有一线圈（动圈），此线圈处于永久磁场的气隙中，在声压的作用下，线圈随膜片一起移动，使线圈切割磁力线而产生一相应的感应电动势。2.传声器的参数

1）灵敏度传声器灵敏度S由下式表示：

S=电量输出/机械量输入，习惯上常把传声器的灵敏度级LS简称为“灵敏度”，灵敏度LS由下式确定：

u为传声器的输出电压（V）；p为作用在传声器上的有效声压（Pa）；u0、p0为分别为基准电压和基准声压。（常取u0/p0=1V/Pa）。

灵敏度又分声场灵敏度和声压灵敏度两种。声压灵敏度是输出电压与传声器放入声场后实际作用于膜片上的声压之比；声场灵敏度是指输出电压与传声器放入声场前所在位置的声压之比。2）频率响应特性传声器的频率响应特性是指传声器灵敏度对被测噪声的频率响应。传声器的理想频响特性是在20Hz~20kHz声频范围内保持恒定。3）动态范围传声器的过载声压级与等效噪声声压级之间的范围称为动态范围。4）指向性传声器的响应随声波入射方向变化的特性称为传声器的指向性。5）非线性失真当被测声压超出传声器正常使用的动态范围时，输出特性将呈非线性，产生非线性失真。6）输出阻抗传声器种类不同，其输出阻抗也不同，这就要求后接电路有相应的处理方式。如电容式传声器输出阻抗很高，应经阻抗变换或用高输入阻抗的前置放大电路来匹配；而电动式传声器的输出阻抗较低，可直接与一般电压放大器连用。2声级计

1）声级计的分类►按用途声级计可分为：一般声级计、脉冲声级计、积分声级计和噪声暴露计（又称噪声剂量计）等►按其精度可分为四种类型：

0型声级计作为实验室用标准声级计；

1型相当于精密声级计；

2型作为一般用途声级计；

3型作为普级型声级计。 2）声级计的工作原理声级计主要由传声器、输入级、放大器、衰减器、计权网络，检波电路和电源等部分组成。声信号通过传声器转换成交变的电压信号，经输入衰减器、输入放大器的适当处理进入计权网络，以模拟人耳对声音的响应，而后进入输出衰减器和输出放大器，最后通过均方根值检波器检波输出一直流信号驱动指示表头，由此显示出声级的分贝值。 声级计的指示表头一般有“快”、“慢”两档，根据测试声压随时间波动的幅度大小来作相应选择。输入级是一阻抗变换器，用来使高内阻抗的电容传声器与后级放大器匹配。要求输入级的输入电容小和输入电阻高。但当输入信号较大时，又需要对信号进行衰减，使电表指针得到适当的偏转。为了插入滤波器和计权网络，故衰减器和放大器分成两级，即输入衰减器、输入放大器和输出衰减器、输出放大器等。 计权网络是模拟人耳对不同声音的反应而设计的滤波线路。国际电工委员会651号文件规定，声级计最少带有A、B、C三个计权网络中的一个，并对A、B、C网络的频率特性和允许误差做了明确规定。当计权网络开关放在“线性”时，声级计是线性频率响应，测得的是声压级。当放在A、B或C位置时，计权网络插入在输入放大器与输出放大器之间，测得相应的计数声级。3、声级计的使用

►声级计的校准：

一般声级计自身能产生一个标准的电信号用