ch6_对应第6～10章.ppt

机电工程学院,第六章 典型物理量的测量,本章学习要求：,1,、掌握典型物理量的测量原理及方法,2,、了解各种测量方法的工程应用,机械工程测试技术基础,1、,位移测量的应用,第六章 典型物理量的测量,3.1,位移测量,回转轴径向运动误差的测量,物位测量,类型,b,测量范围,精确度,性能特点,滑线电阻式,线位移,1300mm,0.1%,结构简单、使用方便、输出大、性能稳定,角位移,0,o,360,o,0.1%,分辨率较低，输出信号的噪声大，不宜用于频率较高时的动态测量,电阻应变片式,直线式,250,m,2%,结构牢固、性能稳定、动态特性好,摆角式,12,o,电感式,变气隙型,0.2mm,结构简单、可靠，仅用于小位移测量的场合,差动变压器型,0.08300mm,3%,分辨力较好、输出大，但动态特性不是很好,涡电流型,05000,m,3%,非接触式，使用简单、灵敏度高、动态特性好,电容式,变面积型,10,-3,100mm,0.005%,结构非常简单，动态特性好，易受温度、湿度等因素影响,变间隙型,0.01200,m,0.1%,分辨力很好，但线性范围小，其他特点同变面积型,霍尔元件型,1.5mm,0.5%,结构简单、动态特性好、温度稳定性较差,感应同步器型,10,-3,几米,2.5,m/250mm,数字式，结构简单、接长方便，适合大位移静动态测量，用于自动检测和数控机床,计量光栅,长光栅,10,-3,几米,3,m/1m,数字式，测量精度高，适合大位移静动态测量，用于自动检测和数控机床,圆光栅,0,o,360,o,0.5,o,角度编码器,接触式,0,o,360,o,10,-6,rad,分辨率好，可靠性高,光电式,0,o,360,o,10,-8,rad,6.1,位移测量,产品,线位移传感器,线位移传感器,磁敏测速传感器,超声波,液位计,雷达液位计,6.2,振动测试,机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。振动具有两面性：,（,1,）危害性：,如导致设备故障，或损害人体健康。,（,2,）可利用性：,如振动机械等。,第六章 典型物理量的测量,两类典型的,机械振动测试：,（,1,）寻找振源，减少或消除振动；用于设备状态监测与故障诊断。,（,2,）测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振能力。,一、概述,6.2,振动测试,1,、惯性式测振传感器的力学模型,二、惯性式传感器的力学模型,6.2,振动测试,（,1,）质量块受力所引起的受迫振动,图 单自由度系统,在质量块受力所,引起的受迫振动,2,、惯性式测振传感器的特性分析,其质量块,m,在外力,f,(,t,),作用下的运动方程为,6.2,振动测试,式中：,c,粘性阻尼系数；,k,弹簧刚度；,f,(,t,),激振力，为系统的输入；,z,振动位移，为系统的输出。,其频率响应,H,(,),和幅频特性,A,(,),、相频特性,(,),如下,（,2,）基础运动所引起的受迫振动,6.2,振动测试,图 单自由度系统,的基础激励,6.2,振动测试,6.2,振动测试,1,、分类,（,1,）按测振时拾振器是否与被测件接触分为,接触式（如磁电式速度传感器、压电式加速度计）,非接触式（如电容传感器、涡流传感器）,（,2,）按所测的振动性质分为,相对式,绝对式,三、振动测量传感器,6.2,振动测试,图示,（,1,）涡流位移传感器：,2,、结构,6.2,振动测试,图示,（,2,）磁电式速度计：,6.2,振动测试,S,是弹簧，,M,是质量块，,B,是基座，,P,是压电元件，,R,是夹持环。,图示,（,3,）压电式加速度计：,6.2,振动测试,（1,）直接测量参数的选择。传感器选择时应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得。,（,2,）要综合考虑传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标。,（,3,）要考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、校准等。,（,4,）对相位有严格要求的振动测试项目，除了应注意拾振器的相频特性外，还要注意放大器。,四、测振传感器的合理选择,6.2,振动测试,五、振动测量系统及其标定,1,、振动测量系统的组成,根据不同目的,（,1,）仅测量系统输出,如查找振源；故障诊断。,（,2,）同时测量输入输出,如模态分析；系统辨识。,2,、振动测量系统的分类,（,1,）最简单的振动测量系统,（,2,）测量记录系统,（,3,）加滤波器的测量系统,（,4,）频响函数测量系统,6.2,振动测试,6.2,振动测试,2,、测试系统的标定,（,1,）绝对法,（,2,）相对法,（,3,）校准器法,6.2,振动测试,（1,）振动量的峰值、有效值和平均值。,（,2,）总振级的测量与频谱分析。,六、基本振动参量的测量,电动机振动测量系统,示例：电动机振动测量,电动机振动频谱图,6.2,振动测试,示例：,外圆磨床工作台的横向振动测量,6.2,振动测试,产品,第六章 典型物理量的测量,6.3,声与声发射测量,0,、概述,一、声测量,声音,的本质是一种机械波动。受作用的空气会发生振动，当振动频率在,20,20000Hz,时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音。,声波的,频率、波长、速度、相位,等是声波的重要特性。,声波可以在一切弹性介质（如气体、固体和液体）中传播。其传播速度与声波的频率无关，只取决于介质本身的性质。,声学测量对于低噪声机器和设备的开发、振动问题的诊断以及声音记录与复现设备的设计和试验非常重要，对提高产品制造质量与设备的故障诊断具有重要意义。,6.3,声与声发射测量,1,、工程声学测量的有关概念,（,1,）声音,的波长、频率和声速,a,、波长,沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间的距离称为波长，用,表示，单位为,m,。,b,、频率,声源在一秒钟内振动的次数叫频率，记作,f,，单位为,Hz,。,c,、声速,一秒时间内声波传播的距离叫声波速度，简称声速，记作,c,，单位为,m/s,。,波长、频率和声速三者满足以下关系：,6.3,声与声发射测量,（,2,）声压与声压级,a,、声压（,p,）,声压是由于声波的存在而引起的压力增值。声波是空气分子有指向、有节律的运动。声压单位为,Pa,。,b,、声压级,声压级常用,Lp,表示，定义为：,式中,L,p,声压级，,dB,；,p,声压，,Pa,；,p,0,基准声压。,在空气中规定,p,0,为,210,-5,Pa,，该值是正常青年人耳朵刚能听到的,1000Hz,纯音的声压值。,6.3,声与声发射测量,（,3,）功率、强度和功率级,a,、声功率（,W,）,声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总声功率，单位为,W,。,b,、声强（,I,）,声强是指单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，单位为,W/s,2,。,c,、声功率级,声功率级常用,L,W,表示，定义为,式中,L,W,声功率级，,dB,；,W,声功率，,W,；,W,0,基准声功率，为,10,12W,。,6.3,声与声发射测量,（,4,）声音的叠加和相减,a,、噪声的叠加,声能量是可以代数相加的，设两个声源的声功率分别为,W,1,和,W,2,，那么总声功率,W,总,=,W,1,+,W,2,。而两个声源在某点的声强为,I,1,和,I,2,时，叠加后的总声强,I,总,=,I,1,+,I,2,。,但是，声压是不能直接相加的！,只有声压级可以相互叠加：,6.3,声与声发射测量,算例,例,两声源作用于某一点得声压级分别为,L,p,1,=96 dB,，,L,p,2,=93 dB,，,由于,L,p,1,L,p,2,=3 dB,，,查曲线得,L,p,=1.8 dB,，因此,L,p,总,96 dB+1.8 dB,97.8 dB,。,图,两噪声源的叠加曲线,L,p,1,L,p,2,/dB,L,p,/dB,掌握了两个声源的叠加，就可以推广到多声源的叠加，只需逐次两两叠加即可，而与叠加次序无关。,例如，有,8,个声源作用于一点，声压级分别为,70,、,75,、,82,、,90,、,93,、,95,、,100dB,，,它们合成的总声压级可以任意次序查图,7.1,的曲线两两叠加而得。任选两种叠加次序如下：,6.3,声与声发射测量,6.3,声与声发射测量,b,、噪声的相减,例,为测定某车间中一台机器的噪声大小，从声级计上测得声级为,104 dB,，,当机器停止工作，测得背景噪声为,100dB,，,求该机器噪声的实际大小。,解：由题可知,104dB,是指机器噪声和背景噪声之和（,Lp,），,而背景噪声是,100 dB,（,L,p,1,）。,L,p,L,p,1,=4 dB,，从图中可查得相应,L,p,2.2 dB,，,因此该机器的实际噪声噪级,L,p,2,=,L,p,-,L,p,=101.8 dB,。,图,背景噪声修正曲线,L,p,L,p,1,/dB,L,p,/dB,6.3,声与声发射测量,（,5,）响度和响度级,a,、响度,响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，响度的单位叫“宋”，,1,宋的定义为：声压级为,40dB,，频率为,1000Hz,，且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比这个大,n,倍，则声音的响度为,n,宋。,b,、响度级,定义,1000Hz,纯音声压级的分贝值为响度级的数值，任何其他频率的声音，当调节,1000Hz,纯音的强度使之与这声音一样响时，则这,1000Hz,纯音的声压级分贝值就定为这一声音的响度级值。响度级的单位叫“方”。,c,、响度与响度级的关系,根据大量实验得到，响度级每改变,10,方，响度加倍或减半。或 。响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。,6.3,声与声发射测量,图,等响曲线,(,又称,ISO,等响曲线,),附、噪声的频谱分析,6.3,声与声发射测量,将噪声的强度（声压级）按频率顺序展开，使噪声的强,度成为频率的函数，并考查其波形，称为噪声的频率分析,（或频谱分析）。,频谱分析的方法是使噪声信号通过一定带宽的滤波器，,通带越窄，频率展开越详细；反之通带越宽，展开越粗略。,以频率为横坐标，相应的强度（如声压级）为纵坐标作图。,经过滤波后各通带对应的声压级的包络线（即轮廓）叫噪声,谱。如图为一次实测的噪声频谱图。,6.3,声与声发射测量,实测噪声的频谱图,6.3,声与声发射测量,下表列出了,1,倍频程滤波器最常用的中心频率值（,f,m,），以及上、下截止频率。这是经国际标准化认定并作为各国滤波器产品的标准值。,表,常用,1,倍频程滤波器的中心频率和截止频率,中心频率,f,m,/Hz,上截止频率,f,2,/Hz,下截止频率,f,1,/Hz,中心频率,f,m,/Hz,上截止频率,f,2,/Hz,下截止频率,f,1,/Hz,31.5,44.547 3,22.273 7,1 000,1 414.20,707.100,63,89.094 6,44.547 3,2 000,2 828.40,1 414.20,125,176.775,88.387 5,4 000,5 656.80,2 828.40,250,353.550,176.775,8 000,11 313.6,5 656.80,500,707.100,353.550,16 000,22 627.2,11 313.6,6.3,声与声发射测量,2,、声测量传感器与仪器,（,1,）麦克风（又称为传声器）,a,、工作原理：,二次,传感器,电量,声音,机械量,膜片：初级传感器,b,、分类：,电容器式、压电晶体式、电动力式、炭精式等。,6.3,声与声发射测量,产品,6.3,声与声发射测量,（,2,）声级计,a,、工作原理：,声级计，又叫噪声计，是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音的声压级和声级的仪器，是声学测量中最常用的基本仪器，是一种主观性的电子仪器。,图,声级计工作方框图,6.3,声与声发射测量,b,、分类：,普通声级计,如国产,SJ,1,型，测量误差,3dB,。,精密声级计,如国产,ND1,型、,ND2,型、丹麦,B&K,公司的,2250,型声级计，测量误差,1dB,。,脉冲,声级计,供测量冲击等瞬态声音用。,AWA5633D,型声级计,AWA6270A,型声级计,AWA6270,型声级计,AWA6218C,型声级计,6.3,声与声发射测量,3,、声强测量与噪声源辨识,（,1,）声强测量,图,8-11,声强测量可提供声能量在声场的幅度与方向信息，声强测量技术可用于声功率确定、声吸收、声传递及噪声源定位等诸多领域。这种测量需使用一对面对面安装的相位高度匹配的传声器。,便携式声强测量系统,声强分析图谱,6.3,声与声发射测量,（,2,）噪声源识别,利用声强测量可以记录得到时域信号和互谱信号，并据此计算得到稳态声源的强度，由此进行噪声源的识别和定位。这对于低噪声机器设备的优化设计及声学故障诊断等应用均有重要意义。,6.3,声与声发射测量,1,、声发射测量传感器,二、声发射测量传感器与仪器,谐振式、宽频带、,差动式、电容式、非接触式光纤声发射传感器。,2,、声发射测量仪器,传感器、前置放大器、主放大器,、门槛值检测器、振铃计数器、事件计数器、能量处理器、振幅分析器、频率分析器。,图,8-14,第六章 典型物理量的测量,6.4,应变、力与扭矩测量,1,、应变的测量,应变电测法的测量系统主要由电阻应变片、测量电路、显示与记录仪器或计算机设备等组成，如图所示。,一、应变与应力的测量,电阻应变片,测量电路,显示与记录仪器,或计算机,应变测试框图,R,u,或,i,当构件受力变形时，粘贴于其上的应变片敏感栅随之变形，敏感栅电阻值发生相应按一定比例变化。通过测量电路转换为成比例的模拟信号，再经过分析处理最后得到应力、应变或其他物理量值。,6.4,应变、力与扭矩测量,应变测量装置及电路,电阻应变仪,6.4,应变、力与扭矩测量,2,、应力的测量,应力测量的原理实际上就是先测量受力物体的变形量，然后根据虎克定律换算出待测力的大小。因此仅适用于被测构件（材料）在弹性范围内的条件下的单向或双向应力状态下构件的受力研究。该方法具有结构简单、性能稳定等优点，比较广泛地应用于机械工程中研究机器零件的刚度、强度、设备的力能关系以及工艺参数等。,6.4,应变、力与扭矩测量,1,、弹性变形式力传感器,圆柱式电阻应变式、梁式拉压力传感器。,2,、差动变压器式力传感器,3,、压磁式力传感器,4,、压电式力传感器,二、力的测量,6.4,应变、力与扭矩测量,1,、应变片式扭矩传感器,2,、集流环式扭矩测量装置,3,、耦合式扭矩传感器,4,、其他,光电式、压磁式等,三、扭矩的测量,静态扭矩传感器,动态扭矩传感器,第六章 典型物理量的测量,6.5,流体参量的测量,中间转,换元件,压力,流量,机械量,传感器,电量,流体参量（压力、流量）测量装置的测量精确度不仅与传感器本身及由它所组成的测量系统的特性有关，而且还与由传感器、连接管道等组成的流体系统特性有关。,流体参量的测量原理：,6.5,流体参量的测量,0,、概述,一、压力的测量,（,1,）工程技术中所称的“压力”，实质上就是物理学中的,“压强”，是指介质垂直均匀作用于单位面积上的力。压,力常用字母,p,表示，其表达式为,p=F/S,式中,F,S,分别为作用力和作用面积。,（,2,）单位：,压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（,Pa,）。工程,界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、,“标准大气压”、“毫米汞柱”等。,6.5,流体参量的测量,6.5,流体参量的测量,（,3,）工业生产过程中压力测量的三种情况,a,、绝对压力,是指物体实际所承受的全部压力。,b,、表压力,表压力是一个相对压力，它以环境大气压力为参照点。实质上是绝对压力与环境大气压力的差压。,它们之间的关系为,p,表压,=p,绝对,-p,大气,在工程实际中，所说的压力通常是指表压，即压力表上的读数。,c,、负压（或真空度）,则是指真空表上的读数。,p,真空,=p,大气,-p,绝对,6.5,流体参量的测量,（4,）测量压力的仪表（按其转换原理分类）：,a、,弹性式压力表,弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成元件的位移来测量压力的。常见的有弹簧管压力表、波纹管压力表、膜片（或膜盒）式压力表。,b、,液柱式压力表,液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来测量压力的。这类仪表包括,U,型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。,c、,活塞式压力计,活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原理，将被测压力转换成活塞上所加珐码的重量进行压力测量的。这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到,0.05,0.2%,，所以普遍用作标准压力发生器或标准仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。,d、,压力传感器和压力变送器,压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、霍尔片式等多种形式。,6.5,流体参量的测量,1,、弹性式压力敏感元件,（1,）单圈弹簧管（波登管）,测量元件是一个弯成圆弧形的空心管子。其截面一般为扁圆形或椭圆形，管子自由端封闭，作为位移输出端，弹簧管的另一端固定，作为被测压力的输入端，当被测压力从输入端通入后，由于椭圆形截面在压力,p,的作用下将趋于圆形，因而弯成弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形。其自由端就从,B,移到,B。,从而将压力变化转换成位移量，压力越大，位移量越大。,弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。,一般弹簧管压力计的测压范围为,-10,5,+10,9,Pa；,精确度最高可达,0.1,。,6.5,流体参量的测量,（2,）波纹管,在波纹管中引入压力时，其自由端产生伸缩变形，可以得到较大的线位移，但压力,位移特性的线性不如弹簧管。,（,3,）膜片,单膜片测压元件主要用于低压的测量，一般使用金属膜片，但也有橡胶膜片。膜片式压力计的优点是：可测微压和粘滞性介质压力。,（,4,）膜盒,广泛应用于测量差压。其中：硬芯用于实现输出机械位移或力；硅油用于传递压力和对膜片起过载保护作用。,6.5,流体参量的测量,2,、常用压力传感器,（,1,）应变式压力传感器,包括平膜片式压力传感器、,圆筒式压力传感器、组合式压力传感器等。,扩散硅压力变送器,6.5,流体参量的测量,（,2,）压阻式压力传感器,6.5,流体参量的测量,（,3,）其他,压电式、电容式、霍尔式、电感式、光电式等,灵敏度,频响,体积,价格,重复性,线性,环境,压电式,电阻式,电位器式,应变式,锰铜式,硅式,半导体应变,压阻式,电容式,电感式,谐振式,光纤式,6.5,流体参量的测量,主要考虑类型、测量范围和测量精度三个方面：,（1,）类型的选择：,a、,被测介质的物理化学性质，如温度高低、粘度大小、脏污程度、腐蚀性，是否易燃易爆、易结晶等。,b、,生产过程对压力测量的要求，如被测压力范围、精确度以及是否需要远传、记录或上下限报警等。,c、,现场环境条件，如高温、腐蚀、潮温、振动、电磁场等不利影响。,3,、压力测量仪表的选择和使用,6.5,流体参量的测量,（2,）仪表量程的选择：,a、,被测压力较稳定：最大工作压力不应超过,3/4,仪表满量程。,b、,被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过,2/3,仪表满量程。,c、,为保证测量准确度：最小工作压力不应低于,1/3,满量程。,d、,优先满足最大工作压力条件。,（,3,）仪表精度的选择：,压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。,6.5,流体参量的测量,4,、压力测量装置的定度（校验）,定度（校验）,就是将被校验压力装置和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校装置对于标准装置的读数误差不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校装置合格。,常用的校验仪器,活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有,0.02、0.05和0.2,级，可用来校准,0.25,级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为,60,MPa。,6.5,流体参量的测量,压力发生部分,（1,）取压口的选择,a、,在管道或烟道上取压,b、,测量流动介质的压力,c、,测量液体介质的管道,上取压,6.5,流体参量的测量,（2,）导压管的铺设,导压管是传递压力、压差信号的。,（,3,）压力、压差计的安装,6.5,流体参量的测量,二、流量的测量,流量：流体单位时间通过管道的数量。,质量流量：,M,kg/h,体积流量：,Q,m3/h,0,、概述,（,1,）差压式流量计,节流式、弯管式等。,（,2,）转子流量计,（流量位移转换法）,（,3,）电磁流量计,（流量力转换法）,（,4,）涡轮流量计,（流量转速转换法）,1,、常用的流量计,体积流量,6.5,流体参量的测量,（,5,）容积式流量计,（流量转速转换法）,椭圆齿轮型、腰形转子型、螺旋转子型等。,（,6,）涡街流量计,（流量频率转换法）,（,7,）电磁流量计,（,8,）超声波流量计,（流量转速转换法）,（,9,）相关流量计,（流量转速转换法）,2,、质量流量检测方法,（,1,）直接式质量流量计,（,2,）间接式质量流量计,6.5,流体参量的测量,流体参量测量产品,压力传感器,流量计,作业习题：,无,第六章 典型物理量的测量,