常见机械工程量的测试

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振动测量测试技术的应用
原型 原型 Physical prototype Physical prototype 设计 设计 Design Design
No! No!
设计 设计 design design OK? OK?
Yes Yes
数据采集 数据采集 data acquisition data acquisition
Δl σ F LLLLL8. 3 −15 ε= = = l E AE 式中F → 作用在弹性元件上的集中力; E → 材料弹性模量; A → 圆柱的横截面积.
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b、梁式弹性元件
等截面梁、双端固定梁、等强度梁等多种形式。
等强度梁:梁的截面成等腰 等强度梁:梁的截面成等腰 三角形，集中力Ｆ作用在三角 三角形，集中力Ｆ作用在三角 形顶点，梁内各横截面产生的 形顶点，梁内各横截面产生的 应力是相等的，表面上任意位 应力是相等的，表面上任意位 置的应变也相等。 置的应变也相等。 梁厚为h，梁长为l，固定端 梁厚为h，梁长为l，固定端 为 b。其表面应变为： 为 b。其表面应变为：
μ → 材料的泊松比。
于是，扭矩为： Eε1 T = τ Wn = Wn 式中Wn → 材料的抗扭摸量。 1+ μ
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3. 水洞测力系统
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水洞测量系统的组成：
1．水洞 用以产生高速流场 工作段尺寸为400×2000 mm, 最大 流速18m/s 2．测力天平 用以测试验模型所受的力，四分力天平 3．控制系统 基于计算机网络技术的分布自动化控制系统。 主要用于水洞开关电机流程控制、水洞水速控制、 压力控制、舵角控制 4．数据采集与处理系统 对测力天平输出数据进行采集及处理，并表成测试报告。
第13章 常见机械工程量的测试
应变与应力的测量 振动测量 噪声测试
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一、应变与应力测量
测量系统可分为三个基本环节： 传感器:通过弹性元件将力转变为应变，再由电 阻应变计将机械应变转变为电阻变化量； 电阻应变仪:放大由电阻应变计组成的电桥所输 出的电压，以电压或电流信号输出； 指示、记录装置。
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测试方法与测力传感器的选用 测试方法与测力传感器的选用
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(2)压电式加速度传感器
压电式加速度传感器属于惯性式传感器。它利用了压 电晶体的压电效应，主要由压电元件、质量块和附加件构 成，附加件包括压紧弹簧和机座。若振动频率远远小于加 速度计的固有频率，压电元件就会产生与被测加速度成正 比的电荷量。 加速度计
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对于某种压电材料的加速度计，质量越大，灵 敏度越高，但传感器的固有频率会下降。传感器 的固有频率越高，则其可测频率范围越宽，目前 可测的最底频率达0.1Hz。
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激振器 常用的激振器有电动式﹑电磁式和电液式三种。 1)电动式激振器
它由弹簧﹑壳体﹑磁钢﹑顶杆 它由弹簧﹑壳体﹑磁钢﹑顶杆 ﹑磁极板﹑铁芯和驱动线圈等元 ﹑磁极板﹑铁芯和驱动线圈等元 件组成。驱动线圈和顶杆相固 件组成。驱动线圈和顶杆相固 连，并由弹簧支撑在壳体上，使 连，并由弹簧支撑在壳体上，使 驱动线圈正好位于磁极所形成的 驱动线圈正好位于磁极所形成的 高磁通密度的气隙中。当驱动线 高磁通密度的气隙中。当驱动线 圈有交变电流通过时，线圈受电 圈有交变电流通过时，线圈受电 动力的作用，力通过顶杆传给试 动力的作用，力通过顶杆传给试 件，即为所需的激振力。 件，即为所需的激振力。
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由材料力学知,当受扭矩作用时,轴表面有最大剪应力τ max。 轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45o的方向上 有最大正应力σ 1和σ 2，其值为|σ 1 |=| σ 2 |= τ max。
若测得沿45o 方向的应变ε1，则相应的剪应变为： Eε1 τ= LLLLL 式中E → 材料的弹性模量； 1+ μ
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4) 激振力锤
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振动分析仪
(1)测振仪 (2)频谱分析仪 模拟 数字 虚拟仪器
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2)电荷放大器 电荷放大器的输出电 压与输入电荷成正比，它 是一个具有电容反馈的高 输入阻抗的高增益运算放 大器。
放大器的输入电压，即电容C (C = Ca + Cb + Ci ) 两端的电位差： qa − qF LLLL11.17 C 由以上二式，电荷放大器的输出电压为： − Aqa u0 = －Aui = LL11.18 Ca + Cb + Ci + (1 + A)CF ui =
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常用的测振传感器
1)位移传感器 电容、电感、激光。
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2)磁电式速度传感器
磁电式速度传感器利用电磁感应原理将质量 块与壳体的相对速度变换成电压信号输出。
磁电式相对速度传感器 1-顶杆；2-弹簧片；3-磁铁；4-线圈； 5-引出线；6-壳
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3)加速度传感器
(1)应变式加速度计 应变式加速度计属于惯性式 传感器。当传感器受到与应变 梁垂直方向的振动时，若满足 f<<fn及ζ=0.7的条件，应变值 与传感器的加速度成正比。此 种传感器的低频响应好，例如 BAR-6型传感器，固有频率为 150Hz，可测频率范围为0～ 100Hz，可测加速度达2m/s2。
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绝对式传感器
在许多情况下，振动系统的受 迫振动是由基础的运动引起的。 设基础的绝对位移为z1，质量 块 m的绝对位移为z0则如图所 示。质量块 m 的运动方程为:
d 2 z0 (t ) d m + c [ z0 (t ) − z1 (t )] + k[ z0 (t ) − z1 (t )] = 0L11.9 dt 2 dt 令z01 (t ) = z0 (t ) − z1 (t ), 为质量块m对基础的相对位移, 则上式为: d 2 z01 (t ) dz01 (t ) d 2 z1 (t ) m +c + kz01 (t ) = − m LLLL11.10 2 2 dt dt dt
(1)扭矩测量中应变计的布置和组桥方法
其原理是通过测量与扭矩有对应关系的其它物理量 （如轴体的扭转变形、应力、磁阻或导磁率等）来实 现的。常用的测量方法是通过测量轴体表面的扭应变 测量扭矩。
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测扭时，电阻应变计须沿主应变ε1及ε 2的方向 （与轴线成45o及135o 夹角）。应变计的数目、布置及 组桥方式，应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、 压及弯曲等非测力因素干扰的要求。
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加速度计的幅频特性
图中纵坐标为幅值比A(ω)/A(0)。
若 加 速 度 传 感 器 的 输 入 是 &&1 ( t ), z 输 出 是 z 0 1 ( t )， 其 相 对 安 装 时 的 幅频特性为： A( ω ) 1 ω n2
ω 2 2 ω 2 [1 − ( ) ] + (2 ς ) ωn ωn
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2)电磁激振器 电磁激振器直接利用电磁铁的磁力作为激振力。电磁激振 器的优点是进行非接触激振，对试件无附加质量影响。此 外，它的激振力大，工作频率范围宽，适用于对机床现场激 振。缺点是波形失真大、振幅小。
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3) 电液激振器 电液激振器由伺服阀和液压执行元件（活塞） 组成。使用时，由信号发生器给伺服阀提供激 振信号，再由伺服阀控制液压执行元件，使液 压执行元件往复运动以激振试件。 电液激振器的最大优点是激振力大、行程大 且结构紧凑。缺点是高频特性差，一般适用于 低频（0～100Hz）激振。它的波形比电动式 激振器差，结构复杂，制造精度及成本较高。
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振动的激励
激振方法 (1)稳态正弦激振 它是对被测对象施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，并测定 振动响应与正弦力的幅值比与相位差。 (2) 随机激励 是一种宽带激振的方法。它使测对象在一定频率范围内产生 伪随机振动。与谱分析仪相配合，获得被测对象的频率响应。 (3) 瞬态激振 瞬态激振也属于宽带激振法。
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振动测试系统组成
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激振检测
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测振传感器相对式测振传来自器相对式传感器安装在某一固定点，以该点为参考点，测量物体对参考 点的相对运动，它可以用质量块受力产生的受迫振动来描述，如位移传 感器和速度传感器。
在外力f(t)作用下质量块m的运动方程为： d 2 y (t ) dy (t ) m +c + ky (t ) = f (t )LL dt 2 dt 位移y (t )为震动的输出。 式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，
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惯性式位移传感器的幅频特性：
由幅频特性图可见，当激振频率 远小于系统固有频率时，质量块 相对于基础的振动幅值为零，这 意味着质量块几乎跟随基础一起 振动，两者相对运动极小。而当 激振频率远高于固有频率时， A(ω)接近于1。这表明质量块和 基础之间的相对运动（输出）和 基础的振动（输入）近于相等， 说明质量块在惯性坐标中几乎处 于静止状态。
※测力传感器:电容式、压阻式、差动变压器式、压
电式、电阻应变式等。 ※ 在动态力测试中选用时，还应注意传感器的动态 特性即幅频特性和相频特性。 ※ 电阻应变式和压电式测力传感器具有灵敏度高、 线性度和稳定度好、结构简单、动态特性优良等 优点，广泛应用于力的测试中。
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1.电阻应变式力传感器 ※ 由应变片与弹性元件组成的力传感器。 ※常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。 a、柱式弹性元件 柱式弹性元件分为实心和空心两种。在外力作用下， 若应力在弹性范围内，则应力和应变成正比关系，即:
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测力天平 测力天平
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动态应变仪 调理电路：交流电桥调幅放大 相敏检波器检波
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二、振动测量
学习要求： 1.了解振动测试的基本原理，测振系统的组成 2.了解振动试验的基本方法
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概述
振动现象普通存在 机械振动是机械或结构在平衡位置附近的往复 运动 振动测试 应用 （1）系统特性分析 （2）动态设计 （3）故障诊断