工程測(cè)試技術(shù)(第四章)1

1、第四章 典型非電量參量的測(cè)量方法 4.1 振動(dòng)測(cè)量 振動(dòng)描述：位移，速度，加速度 4.1.1 振動(dòng)分類 自由振動(dòng)，受迫振動(dòng)，自激振動(dòng)線性振動(dòng)，非線性振動(dòng)確定性振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng) 4.1.2 振動(dòng)測(cè)量的類別 (根據(jù)測(cè)量工作目的不同分)（1）振動(dòng)基本參數(shù)測(cè)量在工作狀態(tài)下，對(duì)振動(dòng)著的結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量分析，測(cè)量振動(dòng)體上某點(diǎn)的振動(dòng)位移、速度、加速度、頻率等。目的：識(shí)別振動(dòng)狀態(tài)、尋找振源。（2）機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)測(cè)量激振被測(cè)對(duì)象，同時(shí)測(cè)出輸入激振力信號(hào)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。目的：獲取被測(cè)對(duì)象固有頻率、阻尼比、動(dòng)剛度、振型等。這類測(cè)量又稱：頻率響應(yīng)試驗(yàn)或機(jī)械阻抗試驗(yàn)（3）模擬環(huán)境振動(dòng)測(cè)量在規(guī)定條件下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行

2、振動(dòng)例行試驗(yàn)。目的：檢查設(shè)備的耐振壽命、性能穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)、制造、安裝的合理性。 4.1.3 振動(dòng)量的測(cè)量方法 電測(cè)法 LL/5L/5電荷放大器電荷放大器SCXI-1200數(shù)據(jù)采集模塊計(jì)算機(jī)脈沖錘加速度計(jì)1234567試材(木板)彈簧振動(dòng)方式測(cè)定木材強(qiáng)度的測(cè)試系統(tǒng)4.1.4 激振信號(hào) 穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)：最早采用，每次激振頻率單一；頻率可變。 隨機(jī)信號(hào)：一般由白噪聲信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，理論上在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有連續(xù)、等值功率譜。 瞬態(tài)信號(hào)：脈沖沖擊力；理想脈沖信號(hào)的頻譜包含所有頻率成份，且各頻率成份強(qiáng)度相同。4.1.5 激振器 激振器功率放大器信號(hào)發(fā)生器（1）電動(dòng)式激振器 當(dāng)線圈7通以激振信號(hào)電流時(shí)，所產(chǎn)

3、生的交變電動(dòng)力會(huì)通過頂桿輸出激振力。 工作頻率52000Hz （2）電磁式激振器 勵(lì)磁線圈3通以交變信號(hào)電流。 工作頻率500800Hz （3）電液式激振器 用于大型試件的激振 小型電動(dòng)激振器帶動(dòng)液壓伺服閥，從而驅(qū)動(dòng)活塞振動(dòng)。 工作頻率0100Hz（4）脈沖錘 4.1.6 振動(dòng)的基本參數(shù)振動(dòng)的幅值、頻率和相位是振動(dòng)的三個(gè)基本參數(shù)，稱為振動(dòng)三要素。幅值幅值。幅值是振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方。幅值是振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。法表示。頻率頻率。不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分析可以確定主要。不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振

4、源。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的措施。頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的措施。 相位相位。振動(dòng)信號(hào)的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點(diǎn)、測(cè)量振。振動(dòng)信號(hào)的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點(diǎn)、測(cè)量振型、旋轉(zhuǎn)件動(dòng)平衡、有源振動(dòng)控制、降噪等。對(duì)于復(fù)雜振動(dòng)的波形分析，各型、旋轉(zhuǎn)件動(dòng)平衡、有源振動(dòng)控制、降噪等。對(duì)于復(fù)雜振動(dòng)的波形分析，各諧波的相位關(guān)系是不可缺少的。諧波的相位關(guān)系是不可缺少的。 簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)是單一頻率的振動(dòng)形式，各種周期運(yùn)動(dòng)都可以用不同頻率的簡(jiǎn)諧運(yùn)是單一頻率的振動(dòng)形式，各種周期運(yùn)動(dòng)都可以用不同頻率的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的組合來(lái)表

5、示。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用位移函數(shù)動(dòng)的組合來(lái)表示。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用位移函數(shù)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；振動(dòng)角頻率，振動(dòng)角頻率，1/s,2/T2f；)cos()(tAty4.1.7 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng)質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng) 在外力 的作用下，質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)方程為 式中c為粘性阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，位移y(t)為振動(dòng)系統(tǒng)的輸出。 這是一個(gè)典型的一階振動(dòng)系統(tǒng)，其系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) H()、幅頻特性函數(shù) A()和相頻特性函數(shù)分別為式中 n固有圓頻率， 阻尼比，通常把振動(dòng)幅頻特性曲線A()上幅值最大處的頻率r 稱為位移共振頻率。4.1

6、.8 振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量 振動(dòng)參數(shù)：固有頻率，阻尼比，模態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)：一階模態(tài)、二階模態(tài)、三階模態(tài)、多階模態(tài)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有多階模態(tài)存在。每一階模態(tài)都有它確定的固有頻率、阻尼、質(zhì)量、剛度等。 一、固有頻率測(cè)定對(duì)拾振傳感器信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析或頻譜分析二、阻尼比測(cè)量（1）最大幅值法利用位移導(dǎo)納的幅頻特性曲線求固有頻率和阻尼率（比）。 rn2212（2）分量法頻率響應(yīng)函數(shù)分解為實(shí)部和虛部?jī)蓚€(gè)部分，利用實(shí)部頻率曲線求得固有頻率和阻尼率。 n12三、振動(dòng)模態(tài)測(cè)量激振與拾振方法：)()()(XYH)(Im)(Re)(22HHH)()()(Im)(Re)(HjeHHjHH頻率響應(yīng)函數(shù)分析：模態(tài)計(jì)算：求

7、虛部)(ImH案例：飛機(jī)模態(tài)分析案例：飛機(jī)模態(tài)分析4.3 位移測(cè)量 包括線位移測(cè)量和角位移測(cè)量。 4.3.1 測(cè)量方法分類 模擬式測(cè)量法：將位移量轉(zhuǎn)換成電模擬量。傳感原理包括電阻式、電感式、電容式、電渦流式等。 數(shù)字式測(cè)量法：將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖量輸出。主要用于精密位移測(cè)量。例如，光柵尺（直線）、編碼器（旋轉(zhuǎn)）。 4.3.2 常用位移傳感器 (1）電阻式位移傳感器 滑線電阻式位移傳感器：幾毫米幾十毫米，精度0.5%1% 應(yīng)變片式位移傳感器：幾微米幾毫米。 （2）電感式位移傳感器 螺管差動(dòng)型位移傳感器 杠桿式差動(dòng)變壓器位移傳感器（3）電渦流式位移傳感器利用線圈與金屬導(dǎo)體之間的電渦流效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)

8、量，因此要求被測(cè)體為導(dǎo)體。測(cè)量端面與被測(cè)體表面原始距離1mm。特點(diǎn)：靈敏度高，非接觸測(cè)量，測(cè)量精度不高。 （4）光纖位移傳感器物性型光纖位移傳感器(a)光纖長(zhǎng)度變化導(dǎo)致光相位變化；(b)光強(qiáng)變化；(c)相位與光強(qiáng)均變化結(jié)構(gòu)型光纖位移傳感器 (5）絕對(duì)值脈沖編碼器 通過讀取編碼盤上的圖案來(lái)表示軸的位置。 由二元信號(hào)“0”和“1”組成代碼，每一個(gè)代碼對(duì)應(yīng)編碼器的一個(gè)位置。 簡(jiǎn)單的直接編碼原理圖 圖712，圓形編碼器結(jié)構(gòu)示意圖，16個(gè)位置 讀碼原理：導(dǎo)電不導(dǎo)電電刷方法；透光不透光光電方法。 （6）光柵透射光柵：在玻璃表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋。反射光柵：在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔

9、相等分線紋。長(zhǎng)光柵，圓光柵圖716，透射光柵，100線/mm圖717，反射光柵，50線/mm目前光柵精度可達(dá)“微米”級(jí)，最好為0.1微米。 工作原理G1-長(zhǎng)光柵（標(biāo)尺光柵）G2-短光柵（指示光柵） 4.3.3 位移測(cè)量的工程應(yīng)用舉例 （1）回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量 （2）物位測(cè)量 4.4 速度測(cè)量 線速度，角速度4.4.1 速度測(cè)量方法分類 模擬式測(cè)量方法：利用與速度成一定關(guān)系的某種連續(xù)變化物理量來(lái)反映速度的大小。例如，離心式轉(zhuǎn)速計(jì) 計(jì)數(shù)式測(cè)量方法：數(shù)出在一定時(shí)間內(nèi)由運(yùn)動(dòng)物體發(fā)出的周期性信號(hào)數(shù)目。例如，電容式轉(zhuǎn)速傳感器、渦流式轉(zhuǎn)速傳感器等，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。 同步式測(cè)量方法：將被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)頻率

10、與已知頻率相比較，進(jìn)而求出轉(zhuǎn)速。例如，頻閃式測(cè)速方法。 4.4.2 常用的速度測(cè)量裝置 （1）離心式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量范圍3018000r/min (2）磁阻式磁電轉(zhuǎn)速傳感器 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)空氣隙變化磁阻變化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化 （3）光電式轉(zhuǎn)速傳感器 被測(cè)轉(zhuǎn)軸上涂有黑白相間的標(biāo)記。 （4）頻閃測(cè)速儀頻閃次數(shù)可在100150000次/分這種方法利用人的視覺暫留作用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。測(cè)量時(shí)，先在被測(cè)物體上畫上標(biāo)記；當(dāng)頻閃頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同或?yàn)檎稊?shù)、整分?jǐn)?shù)時(shí)，可以看到靜止的標(biāo)記。正確做法：先估計(jì)轉(zhuǎn)速，閃光頻率由高向低調(diào)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)靜止標(biāo)記時(shí)，說(shuō)明閃光頻率是轉(zhuǎn)速頻率的兩倍；再調(diào)低閃光頻率，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)一個(gè)靜止標(biāo)記時(shí)，閃光

11、頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同。 4.5 溫度測(cè)量 4.5.1 溫標(biāo) 衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度稱為溫標(biāo)。 國(guó)際開爾文溫度T（K），國(guó)際攝氏溫度t（） t（）T（K）273.15K 4.5.2 測(cè)溫方法分類 （1）按測(cè)溫原理和所用感溫元件不同，測(cè)溫方法分為膨脹式、壓力式、電阻式、熱電式和輻射式5類。 膨脹式溫度計(jì)：玻璃溫度計(jì)（200600），雙金屬溫度計(jì)（80600）。 壓力式溫度計(jì)：組成一個(gè)封閉系統(tǒng)，溫包放入被測(cè)介質(zhì)中，當(dāng)溫度變化時(shí)，封閉系統(tǒng)中的壓力隨之變化。80500 電阻式溫度計(jì)：利用金屬或半導(dǎo)體的電阻指隨溫度變化來(lái)顯示溫度值。200600 熱電式溫度計(jì)：利用金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，將溫度轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)輸出。27

12、11800 輻射式溫度計(jì)：通過檢測(cè)被測(cè)物體的熱輻射來(lái)確定溫度。（2）按測(cè)溫元件是否與被測(cè)物體接觸，分為接觸式測(cè)溫方法和非接觸式測(cè)溫方法。 4.5.3 熱電偶 鉑銠鉑熱電偶：型號(hào)WRP，01300 鎳鉻鎳硅熱電偶：型號(hào)WRN，0900 鎳鉻考銅熱電偶：型號(hào)WRK，0600 （2）熱電偶冷端溫度補(bǔ)償辦法一般測(cè)溫儀多是以冷端為0時(shí)刻度的，而使用式冷端溫度不同，所以需要進(jìn)行補(bǔ)償和校正。a.冷端冰點(diǎn)恒溫法 冷端放入0的冰水混合液體中b.計(jì)算校正法 用其它溫度計(jì)測(cè)出冷端溫度，然后從該熱電偶的分度表中查出應(yīng)當(dāng)加上的校正值。 c.補(bǔ)償電橋法 在熱電偶測(cè)量回路中串聯(lián)一補(bǔ)償電橋 電橋在0時(shí)已調(diào)平衡，a、b兩點(diǎn)電位

13、相等。 （3）熱電偶測(cè)量線路(a) 測(cè)量某點(diǎn)溫度(b) 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫差，兩相同熱電偶反向串聯(lián)(c) 測(cè)幾點(diǎn)溫度和，幾個(gè)相同熱電偶正向串聯(lián)(d) 測(cè)幾點(diǎn)平均溫度，幾個(gè)相同熱電偶并聯(lián)(e) 測(cè)量溫度偏差，在回路中接入與熱電勢(shì)反向的基準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)。 4.5.4 輻射式測(cè)溫方法 （1）熱輻射原理 物體輻射波長(zhǎng)從射線到無(wú)線電波，其中0.7740m紅外線和0.40.77m可見光部分能被其它物體吸收并轉(zhuǎn)換為熱量。 熱輻射多少與物體溫度有關(guān)，所以利用熱輻射可以測(cè)溫。 全輻射高溫計(jì)測(cè)量高溫和可見光范圍； 紅外測(cè)溫儀測(cè)量低溫和紅外線范圍。 （2）全輻射高溫計(jì)測(cè)溫范圍1002000黑體：能吸收全部落在該物體上輻射能的物

14、體。黑體具有全波長(zhǎng)輻射能力。灰體測(cè)量灰體溫度時(shí)，示值溫度低于被測(cè)真實(shí)溫度，需要修正。 （3）紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀 4.5.5 機(jī)床升溫測(cè)量 4.5.6 切削溫度測(cè)量 4.6 力測(cè)量 4.6.1 車削測(cè)力儀 4.6.2 銑削測(cè)力儀 4.6.3 鉆削測(cè)力儀 4.6.4 磨削測(cè)力儀 4.6.5 壓電晶體式測(cè)力儀 4.7 壓力測(cè)量 液體或氣體對(duì)容器或管道等的壓強(qiáng)。單位Pa=1N/m2 絕對(duì)壓力 表壓力指絕對(duì)壓力與大氣壓力值之差。 4.7.1 壓力敏感元件 彈簧管（波登管），膜片，波紋管 在波紋管彈性范圍內(nèi)，自由端的位移與作用壓力呈線性關(guān)系。 4.7.2 常用壓力傳感器 （1）膜片應(yīng)變片壓力傳感器 （

15、2）壓電式壓力傳感器 （3）其它壓力傳感器 4.7.3 壓力傳感器的安裝 “齊平”安裝，“管道容腔”安裝。 測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力時(shí)，前者效果好。 4.8 噪聲測(cè)量 （1）聲壓和聲壓級(jí) 聲壓（聲壓強(qiáng)）p空氣中有聲波傳播時(shí)的波動(dòng)壓強(qiáng)與沒有聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差值。 聲壓級(jí) 單位：分貝（dB） p0=20Pa為基準(zhǔn)聲壓，指人耳剛能聽到的1000Hz純音的聲壓，又稱為聽閾聲壓。（2）聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí) 聲強(qiáng)I在聲音傳播方向上，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的聲能量。單位W/m2 聲強(qiáng)級(jí) 單位：分貝（dB） I0=10-12 W/m2 為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，又稱聽閾聲強(qiáng)。 )/lg(200ppLp)/lg(100IILI（3）聲功率和

16、聲功率級(jí) 聲功率W聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出來(lái)的總能量。單位：瓦（W） 聲功率級(jí) 單位：分貝（dB） W0=10-12 W 為基準(zhǔn)聲功率（4）響度和響度級(jí) 聲壓級(jí)相同而頻率不同的聲音聽起來(lái)不一樣響。 響度N從人聽覺角度引出的與聲強(qiáng)、頻率和波形都有關(guān)的物理量。單位：宋（Sone） 規(guī)定1000Hz、聲壓比聽閾聲壓大40dB的純音的響度為1宋，且聲壓級(jí)每增加10 dB，響度增加1宋。 響度級(jí)LN單位：方（phon）。以1000Hz純音為基準(zhǔn)聲音，若噪音聽起來(lái)與該純音一樣響，則該噪音響度級(jí)的方值就等于該純音聲壓級(jí)的分貝值。 )/lg(100WWLW聲功率、聲強(qiáng)、聲壓間關(guān)系聲強(qiáng)測(cè)量（5）噪聲頻譜 4.8.2 常用噪聲測(cè)量?jī)x器 （1）傳聲器 傳聲器是聲電轉(zhuǎn)換裝置，有電容式、壓電式、動(dòng)圈式等。其中，以電容式性能最好。 （2）聲級(jí)計(jì)將傳聲器、指示器、電源、處理電路結(jié)合在一起，即組成測(cè)量聲壓的聲級(jí)計(jì)。計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)等響度曲線設(shè)計(jì)的一組具有不