1、了解机械振动、位移、压力和流量等工程参数的基本测量方法及相应的测试装置，重点掌握机械系统的力学模型、机械振动的概念与种类、惯性式测振传感器的工作原理及它们的结构。通过查阅资料，对其他工程参数的测试也要有一定的了解。,学习目标,学习重点与难点,6.1 机械振动的测试6.2 位移的测试6.3 流体压力的测试6.4 流量的测试,主要学习内容,6.1 机械振动的测试Test and Measurement for Mechanical Vibration,机械振动是工程技术中常见的物理现象。除了利用振动原理进行工作的机械以外，振动都是有害的。振动能破坏机械的正常工作，加快机械的失效，降低其寿命。振动本
2、身以及由它引起的噪声，对人体的健康也是有害的。通过对机械设备振动的测量，可以对其工作状态进行实时检测，进行故障诊断，还可以为改进其动态特性提供依据。,1. 机械振动的概念,机械振动（简称振动）：一种特殊的运动形式，指的是机械系统的某些物理量（如振幅、振动速度、振动加速度等）在一定数值附近随时间变化的关系。,2. 振动测试的工作内容, 振动系统基本振动参数的测试, 振动系统动态特性的测试, 振动信号的分析,6.1.1 概述,3. 机械振动的分类, 按产生振动的原因分, 按振动参数随时间的变化规律分, 按振动自由度分, 自由振动 受迫振动 自激振动, 确定性振动（周期振动、非周期振动） 非确定性振
3、动（随机振动）, 单自由度振动 多自由度振动,4. 机械系统的力学模型,对于一般的机械系统来说，其力学模型通常可近似为一个二阶的“质量-弹簧-阻尼”系统。,“质量-弹簧-阻尼”系统,固有频率,5. 机械系统的受迫振动, 由作用在质量上的力所引起的受迫振动,振动方程为,振动加速度,振动速度,振动系统动态特性测试的理论基础！,振幅, 由基础运动所引起的受迫振动,振动方程为,基础相对大地（惯性参照系）的绝对运动,质量块相对大地的绝对运动,质量块相对基础的相对运动,惯性式测振传感器测振的理论基础！,1. 惯性式测振传感器的工作原理, 加速度计当 时， 与被测振动的加速度成正比。,被测振动的振 动位移,
4、传感器相对壳 体的位移响应,传感器相对大 地的位移响应,6.1.2 测振传感器, 速度计 当 时， 与被测振动的速度成正比；, 振幅计 当 时， 与被测振动的振幅成正比；,2. 磁电式速度计,惯性式振动速度传感器,3. 应变式加速度计,4. 压电式加速度计,压电式加速度计的结构形式,压电式加速度计常用的固定方式,压电式加速度计的幅频特性曲线,压电式加速度计,电容式加速度计,力平衡伺服式加速度传感器,剪切式压电加速度计,三向加速度计,微型加速度计,1. 常用激振方法, 稳态正弦激振分点频激振和扫频激振，常用磁电式激振器、电液式激振器实现。 随机激振 用白噪声信号、伪随机信号或在实际工况记录下来的
5、随机信号作为激振的信号源。 瞬态激振 分快速正弦扫描激振、脉冲激振和阶跃激振，其中以使用脉冲锤产生脉冲激振力的脉冲激振最为常用。,6.1.3 振动的激励,2. 脉冲锤,3. 电动式激振器,4. 电磁激振器,5. 电液式激振器,阻抗头内有两个传感器一个是力传感器，用来测量施加在被测物体上的激振力；另一个是加速度计，用来测量激振点处的响应。,测定机械点阻抗。激振器通过它对被测物体施加激振力，同时也用它测量激振力和被测物体在激振点处的响应。,1. 作用,2. 组成,6.1.4 阻抗头,阻抗头,阻抗头,1. 轿车的乘坐舒适性试验,6.1.5 振动测试的应用示例,2. 机械设备运行状态监测及故障诊断,车
6、床主轴箱实时振动监测系统,减速机实时振动监测系统及振动测点布置图,3. 激振实验（动刚度实验）,位移是线位移和角位移的统称。 位移测量在工程中应用很广，在工程中不仅经常要求精确地测量零部件的尺寸、形状和位置，而且扭矩、力、速度、加速度、压力、流量等许多参量的测量也是以位移测量为基础的。,6.2 位移的测试Test and Measurement for Displacement,6.2.1 直线位移（位置）的测试,常见的直线位移测量主要是用电感式（包括涡流式）传感器、电容式传感器、感应同步器、光栅式传感器、磁栅式传感器、容栅式传感器、激光干涉仪来实现。,1. 几种常用的直线位移传感器, 电阻应
7、变式位移传感器,用于小位移测量（0.1m0.1mm）测量精度优于2%线性度0.1%0.5%, 电感式位移传感器,常用于微小位移的精密测量，其测量范围一般为几毫米分辨率和测量精度可达0.1m0.01m线性度一般优于0.5%,差动变压器,差动螺线管电感传感器及测微仪线路,电感测微仪,涡流测微测振仪, 电容式位移传感器,非接触测量，动态响应好精度高，分辨率最高可达0.1nm，精度最高可达1nm线性好，优于0.5%,变极距式电容传感器（非接触式）,差动式电容传感器（接触式）,电容测微仪, 光栅式位移传感器,数字式，测量范围大，通过细分分辨率可达1m甚至更高。, 磁栅传感器,磁尺,静态磁头,去信号处理电
8、路,固定孔,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示,磁栅与光栅的分辨率、精度相当，但磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。,磁栅测量系统, 容栅传感器,容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力、提高了测量精度(5m)、极大地扩展了量程(可达1m)，是一种很有发展前途的传感器，已广泛应用于量具、量仪和机床数显装置。 角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用。 线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显
9、标尺中应用。,数显电子卡尺,数显电子卡尺,数显电子卡尺,数显千分尺,数显千分尺,数显百分表、千分表,6.2.2 角位移（位置）的测试,1. 角度基准,角度块规,多面棱体精度：0.51,多齿分度盘精度：0.1”,圆光栅精度：0.2”,光电编码器,圆感应同步器,2. 角度的测量,精密测角仪（分辨率0.01”）,影像测量仪,激光干涉小角度测量仪,自准直仪,自动尺寸分选系统,6.2.3 位移测试案例,自动分选机,电感式仿形铣床,物位的测量,电容式液位计,超声波液位计,射频电容式物位限位开关,超声波液位开关,智能型射频电容物位计,射频电容物位计,双联式液位计,磁浮式液位计,轴承外圈直径测量,数控机床上的
10、光栅,数显表,数控机床上的光栅,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器安装在夹具的端部,安装有光栅等位移传感器的数控机床的工况,6.3 流体压力的测试Test and Measurement for Fluid Pressure,流体压力的测量通常是以间接测量的形式进行的，即先把压力通过弹性元件转换成位移（变形），然后再对位移进行测量从而得到压力。随着科学技术的发展，一些利用材料物理性质的新型物性型压力传感器逐渐出现，为压力的测试提供了新的手段。,6.3.1 弹性压力敏感元件,普通压力表的结构,1. 应变式压力传感器,6.3.2 压力传感器,2. 压阻式压力传感器,压阻
11、式绝对压力传感器,压阻式压力传感器,扩散硅压力变送器,压阻式高压传感器,溅射薄膜压力传感器,3. 电容式压力传感器,电容式差压传感器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器,各种电容式压力传感器,各种电容式压力传感器,各种电容式压力传感器,4. 霍尔式压力传感器,6.4 流量的测试Test and Measurement for Fluid Flow,流量计的基本工作原理是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，再按一定的关系换算成流量。常见的流量计有容积式、面积式、速度式、节流式、电磁式等。 流量的精确测量
12、是一个比较复杂的问题。流动的介质可以是液体、气体、颗粒状刚体，或是它们的组合形式。液流可以是层流或紊流、稳态的或瞬态的。流体特性参数的多样性决定了对它的测量方法的多样性。,1. 转子（浮子）流量计,智能型转子流量计,双转子流量计,2. 差压流量计,3. 椭圆齿轮流量计,智能型椭圆齿轮流量计,椭圆齿轮流量计,4. 涡轮流量计,智能涡轮流量计,涡轮流量计,5. 弯管流量计,6. 其他流量计,电磁流量计,翅片式流量计,多普勒超声流量计,机械振动的测试具有比较典型的意义。几乎所有的机械系统都可以看成是二阶的“质量弹簧阻尼”系统。机械振动的测试以受迫振动为基础，惯性式测振传感器就是根据传感器感受被测振动后的受迫振动而工作的。惯性式测振传感器的结构参数满足不同的条件，可分别用来测量振动的加速度、速度、振幅。除本章介绍的测试方法外，对于各种工程参数的测试，现在已越来越多地使用一些现代新型传感器来实现，如激光式位移传感器、光栅式位移传感器、超声波流量计、红外测温计、CCD三维轮廓扫描仪等。应该注意的是，许多测试都是以间接的方式（二次甚至多次测量变换）实现的。,本章小结,本章结束,
