机械工程测试技术（第3版）课件：典型测试系统设计实例

典型测试系统设计实例

典型测试系统设计实例10.1应变测量案例10.2温度测量案例10.3位移测量案例10.4噪声测量案例10.5结构模态分析案例

10.6旋转机械的网络化检测诊断重点：掌握一些实际的测试技术，对测试系统的设计有一个基本的概念，学会分析方法与设计思路

掌握测量系统设计方法了解噪声测量基本方法了解模态分析基本概念回顾测试系统的设计步骤（1）明确测试系统设计任务（2）测试系统总体方案设计（3）测试系统的详细设计a)测量精度设计b)测量方法的选择c)传感器的确定d)信号调理系统的确定e)测试系统的软件设计（4）测试系统的性能评定10.2温度测量案例10.2.1温度测量方法简介温度测量的特殊要求

所选择参数仅是温度的单值函数

选择参数与温度之间的函数简单、稳定、连续变化

测温介质能够迅速与被测介质达到热平衡，温度跟踪性好常见的测温方法利用热胀冷缩原理利用热电效应

利用物体导电率随温度变化的现象-热阻效应

利用物体热辐射强度随温度变化的现象-红外探测器原理10.2温度测量案例常用温度计及其使用范围10.2.2高速机车轴温测试系统10.2温度测量案例任务描述——温度测试背景高速、重载发展——支承轴承发热增多轴承磨损和产生缺陷——不正常发热增大重要性轴承温度升高后果：轻则热轴、固死造成机损，影响机车正常运转；重则造成疲劳破坏和热切轴，车毁人亡测试任务在线监测高速机车的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴箱轴承及空心轴承处的温度在控制室实时显示各测点的实际温度，进行声光报警和定位指示数据存储，随时调用10.2温度测量案例测试要求主要技术参数测温范围：-55～+125℃测温精度：±1℃（0～85℃）测温点数：38点（可根据不同车型而增减）报警温度：绝对温度（75℃）和相对温度（环境温度+55℃）供电电压：110VDC(波动范围：65-140VDC)；功耗小于15W其他要求抗干扰能力强、适应恶劣的工作环境、稳定可靠工作有完善的自检功能数据自动存储和查询防尘防水精度、实时性、可靠性哪个更重要？测试系统本身的可靠性最关键！10.2温度测量案例测试方案在线？离线？

必须实时在线检测温度，抗干扰能力强测试系统架构？计算机测量系统

传感器的选择

热敏电阻传感器？热电偶？红外监测仪？数字温度传感器？……1）半导体热敏电阻传感器测量误差大。PN结温度传感器容易老化、失效传感器的互换性差，需定期标定，工作量大两线制使测点到仪表的引线较长，引线误差较大连线多，环节多，每个测点到仪表均需连线、均需放大调理，使结构复杂传输弱小的模拟信号，抗干扰能力弱，测量结果的稳定性和可靠性差2）地面红外线机车轴温检测仪只能在机车通过监测点时监测轴箱轴承——无法全程监测不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度热电偶是否可以克服这些缺点？10.2温度测量案例

可见，传统的模拟型温度传感器精度低、抗干扰能力差。3）数字式温度传感器（DS1820温度传感器芯片）

原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器（振荡频率与温度之间有一个特定的关系）的脉冲计数，将温度信号直接转变为数字信号。

特征：无需外围器件，用9位二进制数字量形式输出温度值温度测量范围：-55-125℃，分辨率为0.5℃将温度转换为数字量的时间小于200ms采用串行单总线结构传输数据，即仅用一根数据线接收命令和传送数据测温误差：＜1℃用户可自定义永久的报警温度设置适合于工业现场的温度监测和控制，抗干扰能力强，能适应恶劣的工业环境，工作稳定可靠

优势：外围电路简单、精度高、对电源要求不高、抗干扰能力强。因此，选用数字式温度传感器10.2温度测量案例数据处理方案：检测计算机系统的选择工业控制计算机优点：功能强大、运算速度快、编程方便（采用高级计算机语言）、通用性强缺点：体积较大，价格也较高，常用于参量类型和数目较多、要求运算速度快的监测和控制任务单片计算机优点：结构简单、价格低廉、功能相对简单缺点：运行速度较慢和数据处理能力较弱，常用于参量类型和数目较少、要求运算速度不高、显示界面简单的小型监测和控制任务，其最典型的应用是自动（智能）监测仪表。ARM板的嵌入式计算机功能、速度、体积、价格均介于工业控制计算机和单片计算机之间。所有类型计算机均可完成任务；从成本、体积、计算性能要求等方面考虑，选择单片机。10.2温度测量案例测试系统的设计系统硬件构成图数据传输：接线盒与主机之间采用双总线传输，当一个有故障时，自动转换到另一个总线。

为了提高数据传输的可靠性和节省连线，将两根单总线连接成环形，所有传感器连接在环形总线上。10.2温度测量案例测试系统的设计软件设计程序核心是主机与传感器的单总线串行通信抗干扰设计（强干扰源多、电磁辐射严重）

系统电源抗干扰：输入端加滤波器磁环吸收（抑制高频）系统主板抗干扰：加粗电源线和地线地线有效接地机壳屏蔽主电路板与电源间加屏蔽钢板软件抗干扰：自动复位能力对于受到干扰的数据多次测量1）噪声测量基础噪声定义：物理定义：大量频率和相位各异的声音复合而成的无序合声。

实际定义：不需要的声音。噪声测量专用环境：

全消声室：六个面全有吸声材料。吸声本领特别强、室内声音主要是直达声而反射声极小的房间。

提供自由声场。

半消声室：五个面有吸声材料，地面没有吸声材料。

提供半自由声场。

混响室：吸声本领尽量低，室内声音经过多次反射形成声能分布均匀的房间。

提供扩散声场。10.4噪声测量案例10.4.1噪声测量方法简介声压P及声压级LP

声压P：声波作用于物体上的压力，单位是帕（Pa）听阈声压：人耳可听到的最弱声压，2

10－5

Pa痛阈声压：人耳感觉疼痛的声压，20Pa(听阈声压的100万倍

)声压级LP

——单位是分贝（dB）定义为：式中：P表示测量声压，P0表示基准声压（其值为听阈声压）。则：人耳可听声范围是0～120dB。2）噪声测量基本参数10.4噪声测量案例声强I及声强级LI声强I：单位时间内、垂直于声波传播方向上单位面积内所通过的能量，单位是W／m2

可见：声强为矢量。声强级LI

定义：式中，I表示测量声强，I0表示基准声强，取为10－12W／m2

10.4噪声测量案例声功率W及声功率级LW

声功率：声源在单位时间内发射出的总能量。定义：声功率为标量

声功率级是反映声源发射总能量的物理量，且与测量位置无关，因此它是声源特性的重要指标之一。声压级与测量位置有关吗？声功率级：

定义：

式中，W0表示基准声功率，取为10－12W

10.4噪声测量案例几种物理量的比较：声压或声压级测量优点：直接测量声压级，测量容易

缺点：测量结果受测量环境的影响和限制声功率测量优点：测量结果反映被测物实际发出的能量，可客观评价产品性能缺点：不能直接测得，只能通过声压级计算间接获得声强测量

优点：不受环境影响，能反映噪声的方向性，寻找噪声源缺点：需专用仪器，测量比较困难实际中究竟测量什么量？10.4噪声测量案例问题：如果已知声场中两个声源的声压级均为80分贝，则总声压级为多少？úûùêëé=å=niLwtotwiL110/10lg10总声压级与总声功率级合成方法为：

当噪声源是由两个或n个组成，总声压应该是两个或n个噪声源声压能量的叠加。声压合成方法为几何合成法：

3）噪声级的合成

根据上式可知，两个80分贝的声源合成的声压级为83分贝10.4噪声测量案例4）背景（本底）噪声的扣除本底噪声：在噪声测量时，即使所测量的声源停止发声，环境也存在着一定的噪声，称之为本底噪声。工程意义：只有从测量结果中扣除本底噪声后，才能得到所考察噪声的正确声压级值。扣除表：

注意：

若被测噪声源的声级高于本底噪声的声级10dB，则可忽略本底噪声的影响；若被测噪声源的声级与本底噪声相差3～10dB，则按上表进行修正；

若两者相差小于３dB，则测量结果无效。

两声压级算术差（dB）345678910扣除值△L（dB）3.002.301.701.250.950.750.600.4510.4噪声测量案例（a）在自由声场中(如果测量面是球面)，则有：

衡量机械产品噪声的最合理的量是声功率；声功率无法直接测量，只能通过测量声压级经计算而得到。5）机械产品声功率的测量与计算设有n

个测点，声压级平均值求法如下：式中，是在面积为S的测试球面上所测的多点声压级的平均值。10.4噪声测量案例注意：Kw为现场声学环境修正系数(小于3)。测量面半径要求足够大，通常约大于整个被测物尺度的2倍。（b）在半消声室或开阔地面测量，则：半球测量表面矩形测量表面10.4噪声测量案例

（c）在混响声场中测量被测声源声功率如下：

式中：V为混响室房间体积，T为混响时间。

混响室是测量机器声功率的理想环境,只要测量较少的点就能求得声功率,但在混响室中不能测量声源的指向性.混响时间定义为:在一定频带,房间内发一声音,等声音稳定后,突然切断声源,其强度衰减60dB时所需要的时间。其计算值为：式中：S为房间总面积，为各表面平均吸声系数，m为空气中声波传播的强度衰减常数。对于给定混响室，混响时间是确定的。10.4噪声测量案例噪声频谱测量的目的

找出噪声产生的原因噪声频谱的测量仪器频谱分析仪恒定频率带宽分析仪恒定频率百分比分析仪（噪声测量常用）测量各个频带的声压级在某一频带中，声音的声压级的累积称为该频带声压级讨论频带声压级时应该指明频带的宽度6）噪声的频谱测量10.4噪声测量案例中心频率频率范围中心频率频率范围31.522.4～451000710～14006345～9020001400～2800125905600250180～35580005600～11200500355～7101600011200～22400中心频率频率范围中心频率频率范围2522.4～28800710～90031.528～35.51000900～11204035.5～4512501120～14005045～5616001400～18006356～7120001800～22408071～9025002240～280010090～11231502800～355012511245001601405600200180～22463005600～7100250224～28080007100～9000310280～355100009000～11200400355～45012500112005601600014000710倍频程中心频率与频率范围1/3倍频程中心频率与频率范围10.4噪声测量案例10.4噪声测量案例例如：7）噪声的主观评价人耳对声音所感觉的强度取决于：

(1)声压大小

(2)声音的频率特征：人耳对高频声敏感,对低频声不敏感

根据人耳的这种特性，引入一个把频率和声压统一起来的、可以反映主观感觉的量，即响度及响度级：响度是人耳判别声音强度大小的量，单位是“宋”。响度级LS的单位是“方”,即：

以1kHz纯音的声压级作为基准，任何频率的声音听起来与该1kHz纯音一样响，那么这个声音的响度级就是这个1kHz纯音声压级分贝值。人耳判别声音大小的依据是什么？10.4噪声测量案例等响度曲线结论：

人而对低频声不敏感；对1000——5000Hz声很敏感。10.4噪声测量案例计权声压级：从等响度曲线出发，在声测量仪器中添加频率计权网络，使得仪器的输出能近似地表达人耳对声音响度的感觉。通常设置A、C两种计权网络

A计权可较好地模仿人耳对低频段(500Hz以下)不敏感、对1000～5000Hz敏感的特点。

C计权接近水平，有时表示总声压级。在噪声测量中，使用最广泛的是A声级，国际上已把A声级作为评价噪声的主要指标。

表示方法：dB(A)若一个噪声源分别采用A计权与C计权测量，测量结果相差较大，表明该声源低频声大还是小？10.4噪声测量案例声传感器的调理电路——声级计：功能：声级计不仅能直接测量声级，还能与多种辅助仪器配合进行频谱分析、记录噪声的时间特性等。组成：电容传声器、计权网络、检波电路放大器、衰减器、指示电表、电源等8）噪声测量仪器声传感器——电容传声器：组成：由一个非常薄的金属膜和与它相距很近的一个后极板组成，膜片和后极板相互绝缘，构成一个电容器。特点：电容传声器的灵敏度与膜片面积成正比，面积越大，灵敏度越高，但固有频率越低，频率范围越窄。优点：灵敏度高，频率响应平直，受电磁场和外界振动影响较小等，常用来进行精密声学测量；缺点：在较大湿度下电容传声器两极板间容易放电并产生电噪声，严重时无法使用、结构复杂、成本高；膜片又薄又脆，容易破损。

声级计（噪声计）工作方框图声压级计权声压级（声级）10.4噪声测量案例声级计校准器：活塞发声器活塞发声器是一种标准声源：产生频率为250Hz±2%

声压级为124dB的声音声压级精度为±0.2%声级校准器声级校准器也是一种标准声源：产生频率为1000Hz±2%

声压级为94dB的声音声压级精度为±0.3dB

精度较活塞发声器低噪声精密测量必须经常校准。10.4噪声测量案例10.4.2汽车悬架减震器异响声分析10.4噪声测量案例测试任务：背景悬架减震器是悬架系统中与弹性元件并联安装的减震器，作用是改善汽车行驶平顺性工作原理：当车身和车桥间受振动出现相对运动时，减震器内活塞上下移动，腔内油液反复地从一个腔经不同孔隙流入另一个腔内，利用流体阻尼作用衰减振动任务针对某车型出现的悬架减震器异响问题开展实验研究探索异响特征和异响形成的原因，为结构改进提供依据测试方案：

1）采取整车路试方式，先后测试数十个悬架减震器安装条件下的振动与噪声，每次测试更换安装不同编号悬架减震器2）测试内容包括主观评价与客观评价：

主观评价是依据驾乘人员对不同编号减震器下车内噪声进行主观判断，分为“正常”和“异响”2种状态；

客观评价是测试声压及加速度频谱进行分析。3）测试中除减震器外，其他均处于正常工作状态；此外，在对前悬架减震器进行测试中，后悬架减震器保持主观评价无异响。4）测试中要求道路及周边噪声干扰源少、周边没有大的声反射物。

5）分三种路面进行测试，即：500m以上的平直、干燥沥青路面或混凝土路面；带斜坡的坑洼路面（便于熄火滑行）；颠簸的土石路面。

10.4噪声测量案例10.4噪声测量案例测试系统设计：前置放大器前置放大器数据采集系统数据处理与分析异响主观评价声压传感器加速度传感器

测试系统设计：传声器选择：GRAS-46AE-26CA加速度传感器选择：PCB-ICP传感器布置位置：10.4噪声测量案例传感器编号位置类型数量1前悬架左侧减震器活塞杆顶端加速度传感器12前悬架右侧减震器活塞杆顶端加速度传感器13前悬架左侧减震器上支点车身侧加速度传感器14前悬架右侧减震器上支点车身侧加速度传感器15前悬架左侧下摆臂球头销附近加速度传感器16前悬架右侧下摆臂球头销附近加速度传感器17前悬架左侧减震器侧面10cm处声压传感器18前悬架右侧减震器侧面10cm处声压传感器19驾驶员右耳/副驾驶左耳附近声压传感器110发动机机舱内声压传感器1数据分析与处理：分析曲线可得如下结论车内声音的频域特性存在四个明显的频率段：20~60Hz；70~130Hz；170~300Hz；680~730Hz。有异响与无异响相比，这四个频段内频谱曲线明显升高，所以可以判定减震器的异响来自这四个频段。有异响时杆端加速度有效值高于无异响的杆端加速度有效值。同时，在频域中有异响与无异响相比，会在270Hz~300Hz左右出现一个峰值，从频响函数可以知道，270Hz~300Hz附近出现峰值与路面激励没有关系，是悬架系统的固有特性。初步判断异响中20Hz~60Hz频率成分为结构激励噪声；70Hz~130Hz频率成分是左右减震器旁声音传递进车内的；170Hz~300Hz频率成分为结构激励噪声。关于结构噪声产生的具体原因还需进一步深入开展研究。10.4噪声测量案例10.5.1模态分析方法简介模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在结构振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每个模态的模态参数：

固有频率、模态振型

模态质量、模态刚度、模态阻尼模态分析分类：计算模态分析：模态参数由有限元计算的方法获得

实验模态分析：模态参数通过实验方法获得（将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数）。主要介绍实验模态分析，即通过实验获得模态参数。10.5结构模态分析案例（1）预测结构动态响应已知输入，通过模态分析可以得到结构的响应为结构的动强度设计及疲劳寿命的估计服务（2）分析结构的动态特性分析模态参数，判断其动态特性是否满足要求对结构进行结构修改，使其满足动力特性要求（3）查找结构故障、振动原因结构的局部损伤将导致整个系统模态参数的变换通过检测模态参数实现对结构健康度的实时监控10.5结构模态分析案例模态分析的意义单自由度运动微分方程式为01234X/A

0.51/

n10.70.40.30.2问题：通过实验获得了幅频及相频图，可否知道其参数？1）单自由度系统通过富氏变换，可得到其动态放大比：f(t)x(t)kcm10.5结构模态分析案例实验模态分析方法简介幅频与相频曲线在小阻尼情况下，幅频曲线的峰值对应的频率为固有频率；相频曲线-90o对应的频率为固有频率。幅频曲线半功率点对应的频率满足：其中：为阻尼比为固有频率固有频率：从单自由度的幅频、相频曲线获得固有频率与阻尼比10.5结构模态分析案例多自由度运动微分方程式为mx1+x2x1211+2121+2频率频率幅度相位同样，可以利用实验结果，通过曲线拟合获得模态参数。2）多自由度系统引入坐标变换（目的是解耦）：设系统受简谐激励，可得

频响函数矩阵：其中，10.5结构模态分析案例实验获得频响函数模态分析Frequency单自由度模态系统Frequency曲线拟合(模式识别)kcmkcmkcm

模态分析思路输出结果模态频率、模态阻尼、模态振型模态质量、模态刚度10.5结构模态分析案例简支梁前5阶模态振型10.5结构模态分析案例3）实验模态的基本步骤频响函数测量模态参数估计测量系统建立悬挂、支撑形式网格划分激励方式选择激励位置确定响应位置确定

混叠现象-低通滤波泄漏-窗函数谱相关函数误差估计分量分析法导纳圆辨识方法正交多项式曲线拟合非线性优化参数辨识10.5结构模态分析案例（1）

测量系统的建立注意：结构的安装状态尽可能与工作状态一致

或者使其近似处于自由状态10.5结构模态分析案例a）悬挂、支承边界条件1悬挂或支撑点应该选择处于或接近尽可能多的模态的节点上2悬挂绳或支承装置要足够软，保证刚体共振频率低于第一阶弹性共振频率（通常要求小于10%）10.5结构模态分析案例b）结构划分网格网格节点为激励点或拾振点；根据精度要求、结构尺寸、实验成本等划分网格；在结构轮廓位置应有网格节点；对各个网格编号；将结构尺寸及编号输入计算机。10.5结构模态分析案例激励方法c）激励方法力锤优点：

设备简单，不会影响试件动态特性；缺点：

能量集中在短时间内，容易引起过载和非线性问题，数据一致性不易保证；激振器优点：可以采用多种多样的激励信号，数据一致性好；缺点：

设备麻烦，并且存在附加质量影响问题(特别是对轻型试件)；10.5结构模态分析案例用带力传感器的锤头在不同的点激励在一点测试响应计算激励点和测点的频响函数确定结构的模态FrequencyDistanceAmplitudeBeam一阶模态二阶模态三阶模态ForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceFrequencyDomainViewForceModalDomainViewAcceleration力锤激励示意图10.5结构模态分析案例

图1悬臂板（正弦激励）图2振动频率逐渐增加图4图3频响函数傅立叶变换正弦扫频激励示意图10.5结构模态分析案例激励点注意问题激励位置

激励点避免处于所测量任一阶模态的节点上，否则所测量信息中将会漏掉该阶模态激励数目

多通道输入更好的把输入能量分配到整个试件上（对大型试件尤为重要），并最大限度的减少因激励点刚好选在某阶模态节点上而漏掉该阶模态激励方向确信各个方向的模态都能激励出来，激励方向应该涵盖各个方向10.5结构模态分析案例响应点注意问题响应位置响应点尽量选择处于或接近尽可能多的重要模态的腹部，避免漏掉重要的模态信息；响应数目取决于所选频率范围、期望的模态数、试件上关心的区域、可用的传感器数量和时间；响应分布

感兴趣区域应该多布置响应点，同时响应点应该在某种程度上均匀分布，可以减少漏掉模态的机会，并能得到像样的结构线框动画10.5结构模态分析案例a）满足采样定律采集数据

采样频率大于等于感兴趣的最高频率的2倍以上。采样定律低通滤波

为避免混叠现象出现，采用截止特性陡峭的低通滤波器，滤除所有高于1/2采样频率的高频分量。（2）

频率响应函数的测量10.5结构模态分析案例b）选择适当窗函数减小泄露力信号响应信号

选择合适的窗函数可以减小采样时段边界的不连续性，从而减小泄漏。窗函数选择要兼顾好的幅值估计和频率分辨率。力窗指数窗力窗（1/4余弦）：用于力信号截取指数窗：

用于响应信号截取10.5结构模态分析案例（3）

模态参数估计主要方法

分量分析法

导纳圆辨识方法正交多项式曲线拟合非线性优化参数辨识根据精度及计算工作量选择适当方法进行参数识别。10.5结构模态分析案例10.5结构模态分析案例10.5.2机床模态分析实例测试任务：背景模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。任务利用实验模态分析方法研究某立式铣床的动态分析，在此基础上提出相应的结构改进方案，以提高其动态特性。测