第一章-测试技术4传感器校准与测试方案选择课件

1.6传感器的标定与校准1.6.1标定与校准的内容

灵敏度频率响应动态线性范围工作特性的标定与校准：极限加速度极限温度声灵敏度磁灵敏度环境特性的标定与校准：重量极性物理、几何参数的标定与校准：1可编辑课件PPT1.6.1.1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。2可编辑课件PPT1.6.1.3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。3可编辑课件PPT1.6.2传感器标定与校准的方法

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）4可编辑课件PPT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。5可编辑课件PPT图1.109读数显微镜振幅标定系统振动台放大器振动台控制系统读出装置频率计示波器传感器专用夹具读数显微镜支架6可编辑课件PPT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。7可编辑课件PPT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次测量的电阻分压互易法。⑴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；⑵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：

8可编辑课件PPT

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）9可编辑课件PPT图1.112两只加速度计的互易校准法振动台1号加速度计2号加速度计1号加速度计2号加速度计10可编辑课件PPT1.6.2.2“比较法”校准传感器“比较法”将被校准的传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；

（1.188）11可编辑课件PPT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，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）。12可编辑课件PPT图1.113“比较法”标定装置示意图放大器读出装置读出装置放大器记录仪标准振动台标准传感器被校准传感器标准测量系统被校测量系统13可编辑课件PPT1.6.2.3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电荷放大器定振装置差频振荡功率放大器电荷放大器XY记录仪14可编辑课件PPT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。

15可编辑课件PPT图1.115加速度计的频率响应特性曲线16可编辑课件PPT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传感器线性度曲线输入量输出量０理想曲线实际曲线17可编辑课件PPT1.6.3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。18可编辑课件PPT1.6.4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图1.117所示。图1.117静标定系统示意图数字电压表稳压电源测量电路传感器测试盘千分尺19可编辑课件PPT1.6.4.2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

20可编辑课件PPT1.7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：⑴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）；⑵根据测试对象，选择合适的仪器的种类与数量；⑶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；⑷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。21可编辑课件PPT1.7.2测试系统的选择测试系统的选择需注意以下几点：⑴性能稳定可靠；⑵足够的精度，能适应恶劣环境；⑶足够的动态特性，即响应快、抗干扰能力强；⑷多功能；⑸实际处理功能；⑹能长期存储数据；⑺低功耗，可用多种电源供电。22可编辑课件PPT1.7.2.1传感器的选择⑴根据所要测量的参数，选择传感器的型式；⑵根据所要测量的参数，确定传感器的安装方向；⑶安装方式；⑷尺寸与重量；⑸电缆：连接方式、长度、屏蔽等；⑹辅助装置；⑺最大运动界限；⑻最小运动界限；⑼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。23可编辑课件PPT1.7.2.2放大器的选择⑴输入特性：最大允许输入值单端输入（一端接传感器，一端接地）差动输入（两端均接传感器）输入方式直流耦合交流耦合输入耦合方式高阻输入低阻输入输入阻抗24可编辑课件PPT⑵放大特性：①增益范围及增益的稳定性；②带宽；③线性度。⑶输出特性①满足显示、记录设备的要求；②输出的稳定性。⑷其它特性①信噪比；②增益的温度系数；③抗干扰能力。25可编辑课件PPT1.7.2.3记录仪器的选择⑴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。⑵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。⑶信号的幅度、内阻、输出功率等⑷信号的通道数⑸记录精度26可编辑课件PPT1.7.3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、、27可编辑课件PPT测试系统框图如图1.120所示。图1.120测试系统框图１＃应变式加速度计２＃应变式加速度计３＃应变式加速度计５＃应变式加速度计４＃应变式加速度计低通滤波器动态应变仪磁带记录仪电池28可编辑课件PPT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。29可编辑课件PPT图1.121座椅振动自谱图30可编辑课件PPT图1.121座椅振动凝聚函数图31可编辑课件PPT图1.121座椅振动凝聚函数图32可编辑课件PPT图1.121座椅振动凝聚函数图33可编辑课件PPT由图1.121可以看出:⑴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。⑵左前轮与座椅的振动之间的凝聚函数的值在（）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。⑶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。

34可编辑课件PPT1.7.3.2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35可编辑课件PPT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36可编辑课件PPT图1.123立式钻床固有振型37可编辑课件PPT1.7.3.3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。多路电荷放大器双积分电路显示器报警器打印机显示器汽轮机发电机励磁机轴承轴承图1.124大型发电机组振动监测示意图38可编辑课件PPT1.7.3.4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39可编辑课件PPT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测点货车垂直振动客车垂直振动货车水平振动客车水平振动铁路道边81.5

dB78.5

dB90.5

dB84

dB一楼地面66.4

dB64.5

dB59.5

dB59

dB二楼地面

65

dB63.5

dB55

dB53.5

dB三楼地面65.5

dB64.5

dB54.5

dB54

dB40可编辑课件PPT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；41可编辑课件PPT图1.126火车振动频谱图垂直振动，测点三楼；42可编辑课件PPT图1.126火车振动频谱图水平振动，测点路基；43可编辑课件PPT图1.126火车振动频谱图水平振动，测点二楼44可编辑课件PPT1.7.3.5桥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。45可编辑课件PPT图1.127桥墩水下部位裂纹探测示意图缺陷放电炮用水箱（起振箱）压电加速度计电荷放大器数据记录仪频谱分析仪46可编辑课件PPT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47可编辑课件PPT1.7.3.6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：⑴保持激振力幅恒定，进行频率扫描，测量