中北大学5测试与传感技术的工程应用.ppt

中北大学机械工程与自动化学院2011年3月,1,机械工程测试技术,2,5.1 位移、速度、加速度测量技术5.2 机械振动测试技术5.3 声学测试技术5.4 温度测试技术5.5 应变、压力、流量等的测量5.6 测试系统的小准,机械工程测试技术,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1 位移、速度、加速度测量技术,5.1.1 位移测量包括：线位移测量；角位移测量。诸如力、压力、扭矩、速度、加速度等参数，大都是以位移测量为基础、通过位移间接测量的。位移是向量，位移测量既要确定其大小，还应确定其方向。位移对时间的一次、二次导数，即速度、加速度。测量时，应选择恰当的测量点、测量方向和测量系统；其中，传感器的选择，对测试精度影响很大。,3,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1 位移、速度、加速度测量技术,4,位移测量 1.滑线电阻式位移传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,5,位移测量 2.电阻应变式位移传感器当测点位移传递给测杆 5后，测杆带动弹簧4 伸长，并使悬臂梁1产 生变形。测点位移x，弹簧位移x1，悬臂梁1自由端位移x2，x=x1+x2。悬臂梁的刚度为k1，弹簧刚度为k2，一般取k1/k210，YWB10型(量程10mm)。,6,位移测量 2.电阻应变式位移传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,位移测量 3.电感式位移传感器,差动变压器式位移传感器,7,第5章 测试与传感技术的工程应用,说明：,位移的测量,3.电感式位移传感器差动变压器式位移传感器,8,第5章 测试与传感技术的工程应用,位移的测量 4.电容式位移传感器,多数采用可变极间距离的平板电容器。结构特别简单，能实现非接触式测量，对所测物体不施加负载，且灵敏度高，分辨力好，能检测0.01m 甚至更小的位移，动态响应性能也好。,9,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.1 位移测量 5.光电脉冲编码式位移传感器,10,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.1 位移测量 6.电涡流式,回转轴径向运动误差的测量,11,第5章 测试与传感技术的工程应用,特点：非接触测量；灵敏度高8mV/m；测量范围（0.510）mm；,5.1.1 位移测量,7.位移测量举例 液位测量,12,第5章 测试与传感技术的工程应用,假设：液体介质导电率很小。,5.1.2 速度测量 1.平均速度法,适合于测量速度比较平稳的运动物体速度。线圈靶 子弹速度测量 电磁感应原理 子弹磁化每组线圈两层，内层直流励磁，外层感应线圈子弹飞过线圈时的磁感应信号e用于启动脉冲计数。,13,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 1.平均速度法,天幕靶 子弹速度测量 光学法天幕靶是一种光电靶，以自然光或人工光为光源。天幕靶对弹丸材料没有特殊要求，对弹丸飞行没有干扰。,14,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 2.离心式转速计,由于质量块的位移量与回转轴角速度 的平方成正比，因此，刻度盘的刻度是不均匀的。离心式转速计可用于测量3018000 r/min或更高的转速，指示精度可达1%。,15,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 3.磁电式速度计,动圈式磁电速度计线圈中产生的电动势与线圈的运动速度成正比。测量时，顶杆推动线圈在磁场中的运动。传感器壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一个试件，两个试件之间的相对运动速度通过传感器转换为相应的电压输出。,16,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.2 速度测量 4.光电式转速计,光电式测速方法也是属于计数式测量方法。在被测转轴上涂有黑白相间的标记，当转轴以某种速度转动时，根据标记的等分数和单位时间内输出的脉冲数即可求出转速。,17,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 1.惯性式加速度计,以待测物体的加速度为激励，以质量块的相对位移为响应取拉氏变换,18,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 2.应变式加速度计,等强度悬臂梁，质量块，应变片，对称差动电桥。,19,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 3.压电加速度计,一种惯性式传感器，输出电荷与被测加速度成正比。属于发电型传感器，使用时不需外加供电电源，能直接把振动的机械能转换成电能。具有体积小，重量轻，输出大，固有频率高等突出的优点。,20,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.1.3 加速度测量 3.压电加速度计,21,第5章 测试与传感技术的工程应用,结构说明：S弹簧；M质量块；B基座；P压电元件；R夹持环。,加速度测量 4.电容式加速度计,22,第5章 测试与传感技术的工程应用,K-Beam电容加速度计特点：接触式用于振动测量；低频段：0300Hz；测量范围（0.1mg50g）；体积小、重量轻（8g）。,5.2 机械振动测试技术,5.2.1 振动测试系统振动的危害 机械设备普遍存在振动现象。机器设备的振动是机械故障的主要原因。机械系统的剧烈振动，可能导致加工误差增大、动态应力增加、产生疲劳裂纹、结构强度下降、设备失灵，其后果严重影响机器设备的工作性能和寿命，甚至使设备破坏，威胁安全生产。同时，强烈的振动噪声损害人的健康。振动测试的目的 寻找振源，减小或消除振动；测定结构或部件的动态特性，改进结构设计。,23,第5章 测试与传感技术的工程应用,振动测试系统 1.压电式振动测试系统,测试振动冲击加速度或激励力，有时也可以通过 积分网络在一定的范围内获得振动速度和位移。压电式传感器的输出阻抗很高，因此要求电压放大器和电荷放大器的输入阻抗要很高。传感器可微型化、集成化、智能化。,24,第5章 测试与传感技术的工程应用,振动测试系统 2.应变式振动测试系统,应变式加速度传感器、位移传感器和力传感器，配套使用的放大器一般用电阻应变仪。具有良好的低频特性，测试频率可从0Hz开始，但该测试系统的频率上限受到限制。,25,第5章 测试与传感技术的工程应用,振动的激励方式与激振器,1激振方式在测试机械设备或机械结构的振动力学参量或动态特性时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。激振是使被测对象处于受迫振动状态的一种手段。激励方式通常可以分为稳态正弦激振、瞬态激振和随机激振三种。实验模态分析中经常使用。,26,第5章 测试与传感技术的工程应用,1.振动的激励方式 稳态正弦激励,稳态正弦激振是最普遍的激振方法。工作原理：对被测对象施加一个稳定的单一频率正弦激振力，测定振动响应与正弦力的幅值比与相位差。为测得整个频率范围的频率响应，必须使激振的频率随时间而变化，这一过程称为扫频。必须采用足够缓慢的扫描速度，以保证结构处于稳态振动之中，对于小阻尼系统，尤其应该注意这一点。优点：激振功率大，信噪比高，测试可靠性也较高；缺点：获得足够精度的测试数据，需要很长的时间。,27,振动的激励方式与激振器,1.振动的激励方式 瞬态激励,属于宽带激振法，可由激振力和响应的自谱和互谱求得系统的频响函数。快速正弦扫描：激振信号频率在扫描周期 中呈线性地增大，但是幅值保持不变。激振函数为如下。使用激振器。,28,振动的激励方式与激振器,1.振动的激励方式 瞬态激励,脉冲激振 使用力锤敲击试件，激振力接近函数，或近似于半正弦波。锤头垫越硬，脉冲宽度越小，频率范围越宽。改变锤头配重，调节激振力大小。,29,振动的激励方式与激振器,1.振动的激励方式 瞬态激励,阶跃激振阶跃激振属于宽带激振。激振力来自一根刚度大、质量轻的弦。试验时，在激振点处，弦的张力通过力传感器施加在试件上，产生初始变形，然后突然切断张力弦。因此相当于对试件施加了一个负的阶跃激振力。在建筑结构的振动测试中被普遍应用。,30,振动的激励方式与激振器,1.振动的激励方式 瞬态激励,随机激振 是一种宽带激振方法。一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，经功率放大后，驱动激振器，再激励式件。与谱分析仪相配合，获得被测对象的频率响应。优点：可以实现快速甚至实时测试，许多机械或结构在工作时受到的干扰力和动载荷往往具有随机性质，可用传感器通过分析仪器来实现在线分析。缺点：所用的设备复杂，价格较昂贵。,31,振动的激励方式与激振器,2.激振器 电动式激振器,功率激振信号输入到线圈6，线圈6受到电磁力作用，带动顶杆12运动，传递激振力。,32,振动的激励方式与激振器,2.激振器 电磁式激振器,铁芯上绕有组直流线圈和一组交流线圈，构成了电磁铁。工作时，电磁铁与试件组成闭合的磁回路，气隙中的交变磁场使试件承受交变的电磁力，从而激起试件的振动。优点：非接触激振，激振力大，工作频率范围宽。缺点：波形失真大、振幅小。,33,振动的激励方式与激振器,2.激振器 电液式激振器,由信号发生器提供激振信号，操纵电液伺服阀，控制油路使活塞做往复运动，再经顶杆去激振试件。优点：激振力大、行程大且结构紧凑。缺点：高频特性差，一般适用于低频(0100)激振。波形差，结构复杂，成本较高。,34,振动的激励方式与激振器,2.激振器 电液式激振器,35,现代振动测量中，电测法使用最普遍，技术最成熟。测试时，先用测振传感器检测振动的位移或速度、加速度信号并转换为电量。传感器是测试系统的核心组成部分。激光具有波长稳定、能量集中、准直性好的优点，因此，激光测振技术已得到开发，并应用于某些特定情况下的测振。机械式振动测量法，由于响应慢、测量范围有限而很少使用。,36,振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,测振传感器的分类：按测振参数分：位移、速度、加速度传感器。按传感器与被测物位置关系分：接触式有电阻应变式、电感式、压电式、磁电式；非接触式有电容式、电涡流式和光学式等。按测试参考坐标分：相对式、绝对式。,37,振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,相对式测振传感器 传感器壳体固定在相对静止的物体上，以大地为参考基准，活动的顶杆用弹簧以一定的初压力压紧在振动物体上，顶杆跟随被测振动件一起运动，和测杆相连的变换器将此振动量变为电信号，测量物体相对于大地的振动。相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。电感式位移传感器、磁电式速度传感器、电涡流式位移传感器等都属于相对式测振传感器。,38,振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,绝对式测振传感器 可简化为图示的力学模型。传感器壳体紧固在被测振动件上，并同被测件一起振动，传感器内惯性系统受被测振动件运动的激励，产生同频率的受迫振动响应。,39,振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,惯性式位移传感器的正确响应条件要使惯性式位移传感器输出位移 能正确地反映被测振动的位移量，则必须满足下列条件：=（35）n=0.60.7,40,振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,惯性式加速度传感器的正确响应条件要使惯性式位移传感器输出量能正确地反映被测振动的加速度，必须满足下列条件：=10-1n=0.60.7,41,振动测量方式及测振传感器,第5章 测试与传感技术的工程应用,加速度计安装方式 共振频率与固定方式有关；钢螺栓固定31kHz；加云母垫片28kHz；永久磁铁7kHz；手持2kHz。,42,振动测量方式及测振传感器,压电晶体阻抗头 用于激振试验，装在激振器与试件之间，同时测量激振点的力与加速度。,43,振动测量方式及测振传感器,频响函数的测量,44,机械系统的振动参数测试,第5章 测试与传感技术的工程应用,1.幅值 振动强度的标志，用峰值、有效值、平均值等表示。2.频率 通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。3.相位 利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。研究振动对机加工精度的影响时，测量振动位移；研究振动引起的声辐射时，测量振动速度；考虑机械损伤时，则主要测量振动加速度。,45,机械系统的振动参数测试,第5章 测试与传感技术的工程应用,振动测量系统,46,机械系统的振动参数测试,第5章 测试与传感技术的工程应用,1.金属切削机床的振动试验国家标准及相应规范：以下项目为评定机床等级的主要指标。绝对振动及相对振动试验 例如：外圆磨床，要求测试空运转时砂轮架及头架沿水平方向的绝对振动速度；砂轮架及头架间沿水平方向的相对振动位移峰-峰值。可分别使用压电晶体加速度计和电涡流位移计。,47,振动测试的应用,第5章 测试与传感技术的工程应用,1.金属切削机床的振动试验国家标准及相应规范：以下项目为评定机床等级的主要指标。激振试验 例如：对车床主轴，在夹持轴状零件的悬置端，作激振试验，如图(a)所示。获得机床主轴在激振点的动柔度曲线；,48,1.金属切削机床的振动试验激振试验 例如：在卧式铣床主轴与工作台间进行相对激振试验，如图(b)所示，获得主轴与工作台间的相对动柔度曲线。,49,1.金属切削机床的振动试验抗振性切削试验按机床设计性能选择各种刀具、被加工材料和不同的切削用量进行切削加工。在振动敏感位置安装绝对式拾振器监测振动。一般以产生颤振的极限切削宽度作为机床抗振性指标。,50,振动测试的应用,第5章 测试与传感技术的工程应用,2.振动监测及诊断在机械设备故障诊断技术中，振动监测仍然是最常用的方法之一。燃气轮机、压缩机等，测试机组壳体、基础处的绝对振动，或测试转子对机壳间的相对振动，并进行专门分析，可以发现转子不平衡、装配件松动或轴承烧伤、基座变形、转轴裂纹等多种故障。滚动轴承，一般在轴承座上安置加速度计，可分析轴承滚动体或滚道表面剥落、点蚀、划痕、裂纹及保持架严重磨损或断裂等失效原因，并作出判断。齿轮箱，敏感部位的振动测试及分析，可对各个齿轮的齿面剥落、齿面裂纹、齿根断裂、齿面点蚀、擦伤等故障作出判断。,51,振动测试的应用,3.查找振源及振动传递路径识别例1：某大型水电站，在某一发电工况下，其厂房产生强烈振动。例2：某大型钢厂，热连轧机组，轧制薄钢板时，发生剧烈振动。,52,振动测试的应用,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.3 声学测试技术 0.概述,声音是由声源的机械振动产生的，声源的振动状态，通过介质向四周传播就形成声波。一切弹性介质都可以传播声音，如空气、固体、液体。声波的传播过程是介质质点的振动传播过程，声波所及区域称为声场。,53,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.3 声学测试技术 0.概述,声学测量：低噪声机器和设备的开发，振动问题的诊断以，声音记录与复现设备的设计与实验。大型火箭和喷气式飞机的发动机，排气所产生的较大声波，造成发动机叶片的振动，足以引起疲劳损坏，也称为声学疲劳。声音的水中传播已被应用到水下方向和范围探测：声纳技术。研究开发低噪声水下军事器械，可以实现潜艇等更有效的保护。声学研究对于提高产品制造质量与设备的故障诊断具有重要意义。,54,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.3 声学测试技术 0.概述,声音的波长、频率和声速 f=c波长：声源振动一周声波传播的距离；频率：声源每秒振动的次数，Hz；人耳听域：2020000Hz声速：声音传播的速度；c 与介质温度和材质有关。如室温下，空气中声速345m/s;钢6300m/s；水1481m/s。,55,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.3 声学测试技术 0.概述,声压 p：声场中某点处的瞬时气压与平均气压的差为声压。单位Pa。可使用声级计测量。声压级 Lp：声场中某点处声压p1与参考声压p0之比。,56,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.3 声学测试技术 0.概述,典型声压 p 和声压级 Lp 正常听觉人耳，能够忍受的最大声压与能够辨别的最轻声压之比约87：1。,57,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.3 声学测试技术 0.概述,声压级的合成 空间某点的两个纯音声波，合成的瞬时声压等于两者之和；合成均方声压由下式计算。,58,声压级和响度级 自由场等响曲线 人耳对声音的主观感觉与客观量度不同。对于仪器测量的频率不同但声压级相同的声音，人听起来是不一样的。如图，同一曲线上各频率声音的响度一样，但声压级不同。,59,声学测量传感器与仪器,1.传声器(麦克风)电容式传声器压电晶体传声器 将一个悬臂梁通过压电元件连接到膜片上，通过弯曲作用,使膜片和压电元件间接触受压，产生声压信号。,60,第5章 测试与传感技术的工程应用,声学测量传感器与仪器,电动力式传声器 膜片振动，使线圈相对磁场运动，产生感生电压。炭精式传声器二次传感器由小盒炭粒组成，该炭粒的电阻随着膜片所感受应到的声压而变化。其有限的高频和低频响应使之不能用于严格的声音测量。,61,第5章 测试与传感技术的工程应用,声学测量传感器与仪器,2.声级计测量噪声的便携式仪器；计权网络是电子滤波器；A、B、C 三种可选择；声级计原理框图和测量信号如图。,62,声学测量传感器与仪器,2.声级计计权网络：电子滤波器；有A、B、C 三种可选择；计权网络的频率特性如图，频率范围20Hz-10kHz。,63,声音的测量与分析方法,噪声测量的目的：观察噪声的强度是否超出有关的标准。比较同类或不同类型机器或车间的噪声。测定距高噪声源一定距离的噪声。分析噪声成分，了解声源的特性。噪声测量的主要内容：A声级、倍频程噪声频谱、1/3倍频程频谱、声功率及其方向特性。,64,第5章 测试与传感技术的工程应用,声音的测量与分析方法,一般的现场测量测量环境对噪声测量的影响很大，因为相同的声源在不同的环境中所形成的声场是完全不一样的。测量时应使传声器尽量靠近机器设备的声辐射面，以减少本底噪声和反射声的干扰。近声场测量法：将传声器置于距机器1m，距地面1.5m的地方来测量。应在机器设备周围选几个不同位置进行测量，取其中A声级最大的。,65,第5章 测试与传感技术的工程应用,工业和环境噪声的测试与分析,1.声强的测量声波在空气介质中传播的过程中，空气微粒的压力和速度会围绕固定位置振荡。定义：,66,工业和环境噪声的测试与分析,2.声功率 W、声强 I 和声功率级 LW 之间的关系,67,第5章 测试与传感技术的工程应用,5.4 温度测试技术 温度测量概述,1.温度的基本概念开尔文 T(K)温度与摄氏温度 t()之间的关系为:T(K)=t()+273.162.温度的测量原理物体的很多物理特性，如电导率、热电势等，都与温度有关，可以通过测量特性参数的变化间接测量物体的温度。用来判断温度变化的物质称为测温物质。,68,第5章 测试与传感技术的工程应用,温度测量概述 3.测温方法分类,69,常用的温度测量方法 1.热电偶测温,70,由于纯铂丝的物理、化学性能稳定，熔点较高、易提纯，所以目前常将纯铂丝作为标准电极。（1）常用标准化热电偶及其特点铂铑10铂热电偶：性能稳定，准确；热电势较低，价格贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体中。铂铑30铂铑6热电偶：较具更高的稳定性，测量温度可达1800，热电势较低，不需要进行补偿。镍铬镍硅热电偶：热电势较高，具有较好线性、较强的抗腐蚀性，稳定性稍差，测量精度不高。镍铬康铜热电偶：热电势较高，价格低，高温下易氧化，适于低温和超低温测量。,常用的温度测量方法 1.热电偶测温,71,（2）热电偶冷端的温度补偿根据热电偶的测温原理，只有当热电偶参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。大多数情况下，显示仪表是通过补偿导线，将热电偶的参考端引至恒温或温度波动较小的地方应用的，采用某两种导线组成的热电偶补偿导线，在一定温度范围内(0100)，具有与所连接的热电偶相同的热电性能。不同的热电偶要配接不同的导线，不能用错。,常用的温度测量方法 2.热电阻测温,72,热电阻温度计是利用金属导体或半导体的感温电阻，把温度的变化转换成电阻值变化的传感器。工业上，被广泛地用于低温及中温范围内的温度测量。(-200500)目前，应用较为广泛的热电阻材料为铂和铜。常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂热电阻 贵金属，性能非常稳定，测温范围(-200650)铜热电阻 价格便宜，灵敏度高，测温范围（-50150）,常用的温度测量方法 3.半导体热敏电阻,73,热敏电阻是利用半导体的电阻值随着温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。优点：灵敏度高、体积小、热惯性小、响应速度快；缺点：互换性和稳定性较差，非线性严重，且不能在高温下使用。分类：正温度系数(PTC)，临界温度系数(CTR)，负温度系数(NTC)等。PTC热敏电阻。当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。主要用于彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制等。CTR热敏电阻。在某个温度值上，电阻值急剧变化。主要用于制作温度开关。,74,NTC热敏电阻。具有很高的负电阻温度系数，广泛地应用在自动控制及电子线路的热补偿线路中，特别适于-100300温度范围的测量。,常用的温度测量方法 4.机械温度传感器,75,双金属温度计 属于机械温度传感器，是一种固体膨胀式温度计，它是由两种线膨胀系数不同的金属薄片焊接在起制成的。其结构简单，使用广泛。可将温度变化转换成机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置，尤其是开关的“通断”控制。,原理：将其一端固定，如果温度升高，下面的金属B因热膨胀而伸长，上面的金属A却几乎不变，致使双金属片向上翘。温度越高，则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲角越大。,常用的温度测量方法 4.机械温度传感器,76,螺旋形双金属温度计 感温元件通常绕成螺旋形，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，双金属片因受热或冷却的作用，使感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上，直接显示出温度的变化。,5.5 应变、应力、流量等的测量,在机械工程中，应变、应力的测量非常重要。通过应变、应力的测量，可以分析和研究零件或结构的受力状态或工作状态，验证设计计算的正确性，确定整机工作过程的负载谱，研究物理现象的机理。将应变片粘贴在被测件上和电阻应变仪以及数据采集仪器构成测试系统，测量构件的表面应变，进而确定构件表面的应力状态。,77,应变的测量,5.5 应变、应力、流量等的测量,静态电阻应变仪，可测量200Hz以下的低频动态量。动态电阻应变仪，可测量02000Hz范围的动态量。若测量020000Hz的动态过程和爆炸、冲击等瞬时动态变化过程，则采用超动态电阻应变仪。目前我国生产的电阻应变仪大多采用调幅放大电路，由电桥、前置放大器、功率放大器、相敏检波器、低通滤波器、振荡器和稳压电源等单元组成。,78,应变的测量,应变的测量,1.应变仪的电桥特性,79,应变的测量2.电阻应变片的布片和接桥方法,80,应变的测量 2.电阻应变片的选择及应用,试件测试要求 精度 康铜丝 半导体 试验环境 湿度 防潮 应变片粘贴 清理、上胶、粘合、加压、固化应力的测量 研究构件刚度、强度、设备的力能关系；应力状态与应力计算单向应力状态,81,第5章 测试与传感技术的工程应用,应变的测量 3.在平面应力状态下主应力的测定,主应力方向已知 例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体。只需沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片，再采取温度补偿措施，就可以测出主应变1 和2。按下式计算主应力。,82,第5章 测试与传感技术的工程应用,应变的测量 3.在平面应力状态下主应力的测定,主应力方向未知 贴应变花。对于平面应力状态，如能测出某点三个方向的应变1、2 和 3，就可以按已知公式计算该点主应力的大小和方向。,83,第5章 测试与传感技术的工程应用,影响应变测量精确性的因素及其消除方法减少贴片误差 测量单向应变时，应变片轴线与主应力方向一致，否则有误差。应变片的参数应当与实际工作环境条件相符合。排除测量现场的电磁干扰测点的选择和布置目的：正确了解结构的受力情况，应力分布情况。原则：以最少测点达到足够真实反映结构受力状态。预先对结构作受力分析，选择应力最大的危险位置布置测点；应力集中区多布置测点；在过渡段上均布57个测点，了解应力分布规律。利用结构与载荷的对称性，减少测点数；设置已知应力测点，以监视测试结果的正确性；动态测试时，应注意应变片的频响特性。,84,应变的测量应用举例：粘贴应变片梁测力,85,应变的测量应用举例：应变式扭矩测量,86,工作原理旋转轴承受的扭矩载荷，单位：Nm。在扭矩作用下旋转轴表面的主应变，与扭矩M成正比。转轴表面的剪切应力。主应变。,应变的测量 应用举例：应变式扭矩测量,87,各种截面形状的扭矩测量传感器,应变的测量 应用举例：应变式扭矩测量,88,工作原理对于空心圆柱形弹性轴两应变片接成半桥,应变的测量 应用举例：应变式扭矩测量,89,工作原理四片应变片接成半桥和全桥对于空心圆柱形弹性轴具有温度补偿能力；能消除弯曲应力和轴向应力的影响,应变的测量 应用举例：应变式扭矩测量,90,工作原理测量电路，电源，应变信号的取出，电刷与集流环。,压力的测量 1.弹性式压力敏感元件,单位面积上所受到的流体作用力在物理学中称之为流体的压强，而工程上则习惯于称其为压力，其单位为帕，1Pa=1N/m2。某种特定形式的弹性元件，在被测流体压力的作用下，将产生与被测压力成一定函数关系的机械变位。这种机械量可以通过各种杠杆或齿轮副等转换成指针的偏转，从而指示被测压力的大小。这种中间机械量，也可通过各种位移传感器及相应的测量电路转换成电量输出。由此可见，感受压力的弹性敏感元件是压力计和压力传感器的关键元件。,91,第5章 测试与传感技术的工程应用,压力的测量 1.弹性式压力敏感元件,92,第5章 测试与传感技术的工程应用,中、低压压力传感器多采用平膜片作为敏感元件。这种敏感元件是周边固定的圆形平膜片。其固定方式有周边机械夹固式、焊接式和整体式三种。,压力的测量 1.弹性式压力敏感元件,93,压力和膜片中心变位的关系是复杂的非线性关系。但当变位较小时，弯曲应力占支配地位，可近似认为成线性关系。,压力的测量 2.常用压力传感器,94,第5章 测试与传感技术的工程应用,悬链膜片压力传感器当膜片1受到流体压力作用时，圆筒2受到压缩，产生应变。在圆筒薄壁部分的外表面上，沿轴向粘贴工作应变片，沿横向粘贴温度补偿片，工作片和补偿片接成半桥，通过相应的测量电路，即可得到与被测压力成正比的电压输出。国广BPR-2型传感器属此类。,压力的测量 2.常用压力传感器应用举例：薄壁圆筒应变片式压力传感器,95,压力的测量 2.常用压力传感器,96,第5章 测试与传感技术的工程应用,压阻式压力传感器敏感元件是半导体应变片。,压力的测量 2.常用压力传感器,97,第5章 测试与传感技术的工程应用,压阻式压力传感器敏感元件是在某一晶面的单晶硅平膜片上，沿定的晶轴方向扩散着些长条形电阻。当膜片受到流体压力或压差作用时，膜片内部产生应力，从而使扩散在其上的电阻值由于压阻效应而发生变化。可以在切向应力等于零的圆周上沿着(001)晶面的两个相互垂直的晶轴，分别布置两个切向和两个径向电阻，并将四个电阻接成图示的全桥，这样既提高了灵敏度，又实现了温度补偿。,压力的测量 3.压力变速器,98,第5章 测试与传感技术的工程应用,输出为标准信号的压力传感器，有较高的静态精度。霍尔式压力变送器。用霍尔元件把波登管的自由端位移转换成电压(霍尔电势)输出。,压力的测量 3.压力变速器,99,第5章 测试与传感技术的工程应用,力平衡式压力变送器。（也叫伺服式或压差式）,压力的测量 4.压力测量系统的动态特性,100,为了使压力测量系统具有最佳的动态性能，传感器与测压点处的连接最好处于“齐平”的状态。然而在一般情况下这样安装是困难的，往往要采用管道容腔安装方式。,4.压力测量系统的动态特性,101,讨论工作介质为液体，安装方式为管道一容腔型的压力测量系统的动态特性。连接管道(直径 d，长度 l)和容腔(容积V)构成压力传输系统。被测压力pi为输入，容腔压力pV 为输出，此系统的微分方程及其固有频率和阻你比如下。,压力的测量 5.压力传感器的标定,压力传感器的静态标定静重比较法，标准砝码,102,第5章 测试与传感技术的工程应用,压力的测量 5.压力传感器的标定,压力传感器的动态校准正弦激励校准 也称为稳态校准，通常采用正弦压力作激励信号，测其稳态响应，获得频率响应曲线。左图中的曲柄搖杆1带动活塞往复运动，调整缸体2的容积可改变输出压力的幅值，不同的曲柄转速产生压力的变化频率也不同。该装置输出压力幅值为6.9MPa时，其频率可达100Hz。右图的凸轮4表面形状为正弦曲线，喷嘴3的出口阻力随转动凸轮的表面形状而变化，故喷嘴内的压力按正弦变化。压力幅值取决于压力源C，频率由凸轮转速决定。该装置输出压力幅值为6.9Pa时，频率可达3kHz。,103,第5章 测试与传感技术的工程应用,压力的测量 5.压力传感器的标定,压力传感器的动态校准阶跃激励校准 也称为瞬态校准，通常利用压力发生器把瞬态压力加到压力传感器或压力测量系统上，测得的频率响应特性曲线，为整个频带内的响应曲线。适于获取压力传感器在较高压力下的高频待性图为一种激波管阶跃压力发生器，由两段等截面的长管4、6及膜片穿孔器2等组成。图中6段管为高压腔，4段管为低压腔，两者用膜片5隔离，低压腔连接被校压力计。校准时，用穿孔器2将膜片5刺破，从高压腔向低压腔产生一个压力波，该波对压力表相当于一个正的压力阶跃信号。对于气体，其上升时间约为10-9s，压力可达4MPa。,104,第5章 测试与传感技术的工程应用,压力的测量 5.压力传感器的标定,压力传感器的动态校准阶跃激励校准 也称为瞬态校准，通常利用压力发生器把瞬态压力加到压力传感器或压力测量系统上，测得的频率响应特性曲线，为整个频带内的响应曲线。适于获取压力传感器在较高压力下的高频待性采用快速阀门产生阶跃信号的标定方法，小容腔与高压容腔快速接通。,105,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量,流体的流量，单位时间内流过管道某一截面处流体的体积数，单位m3/s。一般工业用液体流量计的基本工作原理：通过某种中间转换元件或机构，将管道中流动的液体流量转换成压差、位移、力、转速等参量，然后再将这些参量转换成电量，从而得到与液体流量成一定函数关系的电量输出。,106,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 1.差压式流量计,原理：在流通管道上设置流动阻力件，当液体流过阻力件时，在它前后形成与流量成一定函数关系的压力差，通过测量压力差，即可确定通过的流量。组成：产生差压的装置和差压计两部分。差压型式：节流装置(孔板、喷嘴、文杜里管等)、动压管、均速管、弯管等。其他型式：转子式流量计、靶式流量计等。,107,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 1.差压式流量计,节流式差压流量计设置流动阻力元件：孔板，通过测量压差，确定流量。,108,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 1.差压式流量计,节流式差压流量计喷嘴和文杜里管压力损失较小。应用历史悠久：对一些标准的节流装置作过大量的试验研究，积累了十分完整的数据资料。应用最广泛：占70，精确度2。,109,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 1.差压式流量计,弯管式差压流量计原理：流体通过管道弯头时，受离心力作用，在弯头的内外测之间形成差压，此差压的平方根与流体流量成正比，只要测出差压就可得到流量值。精确度5%。,110,第5章 测试与传感技术的工程应用,优点：结构简单、安装方便；流动无障碍、无压损。缺点：压差小；没有标准化。,流量的测量 2.转子流量计,特点：利用节流原理，压差恒定，节流口的过流面积A0是变化的。A0与转子所处的高度成近似的正比关系，可采用差动变压器等位移传感器，将流量转化为电量输出。用途：气体小流量测量。,111,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 3.靶式流量计,特点：管道中央设置一圆靶，其受力与流量成一定函数关系（非线性）。测量推力F2(管外杠杆一端的平衡力)即可确定流量值。新型的自补偿靶式流量计，使用测控网络，自动平衡靶上所受推力，输出的控制电流值与流量成线性关系。,112,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 4.涡轮流量计,特点：流量转速转换，涡轮置于流道，流体流过蜗轮时，推动叶片使涡轮转动，其转速与流量成一定的函数关系。,113,第5章 测试与传感技术的工程应用,采用非接触式磁电检测器，测量涡轮的转速，输出电脉冲信号。由脉冲频率即可确定流量。,流量的测量 5.容积式流量计,椭圆齿轮流量计 流量转速转换，当流体自左向右通过时，在压力差的作用下产生转矩，驱动齿轮转动。输出轴每转一周所通过的液体体积是恒定的，此体积称为流量计的每转排量。测量输出轴的平均转速，可得到平均流量值；而累计输出轴的转数，即可得到通过液体的总体积。采用相应的二次仪表，可读出数值。,114,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 4.容积式流量计,椭圆齿轮流量计：工作原理说明图a位置，p1p2，产生的力矩使A齿轮作逆时针转动，把A与壳体间月牙形容积内的液体排至出口，并带动B轮转动；在图b的位置，A和B 都产生转矩，继续转动，并逐渐将液体封人B和壳体间的月牙形空腔内；到达图c位置时，B左侧的压力大于右侧，产生转矩，使B成为主动轮，带动A继续旋转，并将月牙形容积内的液体排至出口。如此继续，椭圆齿轮每转一周，向出口排出四个月牙形容积的液体。测定一定时间间隔内通过的液体总量，便可计算出平均流量。,115,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 6.涡街流量计,当流体流过非流线型阻挡体时会发生稳定的漩涡，稳定的漩涡产生频率 f 与漩涡发生体处的流速 v 有确定的关系。测量频率的变化，就可得知流体的流量。St、K均为比例系数，d 为特征尺寸。频率测量方法：微加热热敏电阻，旋窝冷却之，检测 电桥输出信号频率。,116,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 7.电磁流量计,采用电磁感应原理，用来测量导电液体的流量。产生均匀磁场的磁路系统、用不导磁材料制成的管道及在管道横截面上的导电电极组成测量系统。磁场方向、电极连线及管道轴线三者在空间互相垂直,117,第5章 测试与传感技术的工程应用,导电液体流过管道时，切割磁力线，在和磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，其值与被测流体的流速成正比。,流量的测量 8.超声波流量计,传播速度法利用超声波在流体中顺流传播与逆流传播的速度变化来测量流体流速。时间差法如图。流体静止时的超声波声速为c，超声波从T1R1和从 T2R2 的时间，以及时间差与流速的关系分别如图。测得时间差就可知流速。,118,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 9.相关流量计,运用相关函数理论，通过检测流体流动过程中随机产生的浓度、速度或是两相流动的密度不规则分布而产生的信号，测得流体的速度，从而计算流量。两个相同特性的传感器安装在被测流体的管道上，下游信号 相对于上游信号有一个时间滞后0。,119,第5章 测试与传感技术的工程应用,流量的测量 10.流量计的标定,出厂前逐个标定；用户定期校验；方法：恒定压力下，测量某个时间间隔内通过流量计的液体的体积。将计算的流量与流量计的读数比较。,120,第5章 测试与传感技术的工程应用,121,谢谢！,