10典型测试系统设计实例总结

内容

一个测试系统的设计涉及：
明确测试任务 制定测试方案 选择传感器 设计后续测试系统 测试系统效能分析

回顾：
测试系统的组成：
1、塔式起重机结构强度测试
测试任务：
对新设计的某型号塔式起重机样机 进行强度检测
测试目的：
通过测试来验证理论计算，为 产品的进一步改进提供依据 对样机提出评价意见，作为新 产品鉴定的依据
主程序流程图
4、润滑油膜厚度检测

测试任务：
重要性：在高速、重载、高温条件下 工作的机器，摩擦、磨损又是其发生 故障的最主要原因，而润滑则是减少 摩擦与磨损的简便而有效的方法。对 于一些重要场合，对轴承的润滑状态 常有非常严格的要求，否则将严重影 响轴承的工作性能和使用寿命。为保 证轴承处于液体动力润滑状态，必须 满足最小油膜厚度处轴承两表面不直 接接触的条件 任务：对摩擦副间微小区域内的油膜 厚度进行直接测量，监测油膜的工作 状态
虚拟仪器实现信号采集、数据分析和处理、结果输出及图形用户操 作界面等，虚拟仪器形式进行构建非常方便，可大大缩短系统的开 发周期，易于实现
3、高速机车轴温测试系统

测试任务：
问题描述：由于机车速度提高和牵引功率增大，使得机车与钢 轨的冲击、动力效应和振动增大，导致机车走行部分的轴箱轴承 、牵引电动机轴承、抱轴承及空心轴承的发热增多。当轴承磨损 和产生缺陷时，这些轴承的不正常发热增大，轻则热轴、固死造 成机损，影响机车正常运转；重则造成疲劳破坏和热切轴，车毁 人亡，严重影响铁路运输安全，造成巨大的生命和财产损失 测试目的： 1、对高速机车的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴承及空心轴承 处的温度进行在线监测，确保机车运行的安全 2、在司机室向司机实时显示各测点的实际温度，温度超标时发 出声音报警并用指示灯显示该点轴位和存储报警信息 3、存储各测点的最大温升率和对应的时间，供分析故障时查询 ，以作参考
3、高速机车轴温测试系统

测试系统的设计：
系统硬件构成图
数据传输：采用串行单总线结构，提高数据传输的可靠性和节 省连线
单总线接口原理图
3、高速机车轴温测试系统

测试系统的设计：
软件设计： 程序核心是主机与 传感器的单总线串行通信

抗干扰设计
系统电源：磁环吸收，滤波器 系统主板： 加粗电源线和地线 地线有效接地 加屏蔽钢板 三极管改为小继电器 软件：自动复位能力 对未测到数据的点多次测量
4、润滑油膜厚度检测

测试方案：
检测油膜厚度可以有多种手段： 电阻法：通过测量油膜的电阻大小来判断其厚度，然而由于油膜的 电学性能极不稳定，在电阻的标定上存在很大的困难，不能定量地 反映油膜厚度的数值 一般采用电阻法进行定性测量，仅用它来鉴别润滑油膜存在与否 放电电压法：利用电压击穿的原理，根据电压与电流的关系来推算 出代表油膜厚度的放电电压。然而，由于润滑剂的性质和纯洁程度 对放电电压的影响，测量结果的稳定性较差，所以此法也不能满意 地用作油膜厚度的定量测定
3、高速机车轴温测试系统

测试方案：
检测计算机系统的选择： 工业控制计算机：功能强大、运算速度快、编程方便（采用高 级计算机语言）、通用性强，但其体积较大，价格也较高，所以常 用于参量类型和数目较多、要求运算速度快、显示界面复杂的监测 和控制任务 ARM板计算机：功能和运算速度介于工业控制计算机与单片计 算机之间，比工业控制计算机低，但比单片计算机高出许多；其体 积比工业控制计算机小许多，但比单片计算机大；其价格比工业控 制计算机低许多，但比单片计算机高
数据处理与结果分析：
静态：相同试验条件下多次测量取平均值 动态：用光线示波器记录下动态应变曲线 单向应力状态的应力计算：
i E i
静态
max E max E i K max
动态
max ：测点在动态应变测试曲线中的
：各测点实际应变值
最大应变
：测点在动态应变测试中的平均
传感器
工件 回转台
信号调理
信号处理及显示
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

传感器选择：
传感器选择应考虑的要求： 为满足棱圆的位移测量，保证磨削加工的工件测量精度为微米级， 就必须选用高精度的位移传感器； 由于是磨削加工，外圆形状误差不会很大，小量程即可满足测量要 求；
本测量系统作为研究所构建，因此对工件的棱圆度测量确定为非在 线方式，低速回转下测量即可，传感器的频响特性不需要很高；
3、高速机车轴温测试系统

测试方案：
检测计算机系统的选择： 单片机：单片机具有结构简单、价格低廉、功能相对简单等特 点，但其运行速度较慢和数据处理能力较弱，所以常用于参量类型 和数目较少、要求运算速度不高、显示界面简单的小型监测和控制 任务，其最典型的应用是自动（智能）监测仪表 从成本、体积、计算性能要求等方面考虑，选择单片机
3、高速机车轴温测试系统

测试任务：
主要技术参数： 测温范围：-55～+125℃ 测温精度：1℃ （0～85℃） 测温点数：38点（可根据不同车型而增减） 报警温度：按绝对温度（75℃）和相对温度（环境温度 +55℃）报警 供电电压：110VDC (波动范围：65~140VDC)；功耗小于15W
பைடு நூலகம்其他要求：
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

测试方案：
由于工件的回转中心有时是变动的，虽然保证了直径尺寸精度，但 加工出来的工件外圆仍然不是一个圆，工件圆度不能保证 棱圆圆度
获取 体现
棱圆各个方向的外圆表面到圆心的距离不同
使用位移传感器
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

测试方案：
测量系统需要包含四个部分： 回转工作台：以实现工件的回转 位移测量传感器：测量外圆位移的动态数值 位移传感器的调理装臵 信号处理和显示装臵
应变
1、塔式起重机结构强度测试
数据处理与结果分析：
由于塔机结构受力的主应力方向已知，如果沿主应力方向测得的主应 变为 1 和 2，则主应力为
E 1 ( 1 2 ) 2 1 E 2 ( 2 1 ) 2 1
平面应力状态的应力计算
判断 计要求
？
若满足且有较大余量则说明安全系数较大，符合设
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

测试任务：
特点：加工中并不需要顶尖等夹具夹持，而是依靠砂轮、导轮和托 架的相互作用来自动定位，由导轮的摩擦力带动工件旋转，同时由 导轮的摩擦力和砂轮的切削力使工件稳定地支撑在托架上进行自动 定心，从而实现砂轮对工件外圆的连续加工 问题：利用外圆表面三点定位保证直径尺寸以形成外圆形状，却会 造成回转的动态不稳定和工件外圆形状为棱圆的问题，一般为低次 的3、5、7次奇数棱圆和高次的12、14、16次偶数棱圆，尤其以三 棱圆最为常见


1、塔式起重机结构强度测试
测试方案：
测试步骤： 1）检查和调整试验样机； 2）粘贴应变片并干燥、密封、检查绝缘；接好应变测试系统，调试 仪器，合理选择灵敏度，消除不正常现象； 3）取空载状态作为初始状态，将应变仪调零； 4）按照测试工况，分别测试各种情况下的最大应力。


1、塔式起重机结构强度测试

信号处理方法的选择：
由位移数据波动的频率与工件回转频率的倍数即可确定棱圆的棱数
谱分析法： 时域AR谱分析方法：不易确定参数 的阶数（即k值），长数据计 算量大 频域傅氏谱分析方法：长数据采集方便，亦可获得高的频率分辨率
x(n) ak x(n k ) u (n)
k 1 p
Px ( )


3、高速机车轴温测试系统

测试方案：
传感器的选择： 数字式温度传感器（DS1820温度传感器芯片）： 1) 无需外围器件 2) 温度测量范围：-55-125℃，分辨率为0.5℃。 3) 将温度转换为数字量的时间小于200ms。 4) 采用串行单总线结构传输数据，即仅用一根数据线接收命令 和传送数据。 5) 测温误差：＜1℃。 6) 用户可自定义永久的报警温度设臵。 7) 可用于恒温控制、工业系统、消费品、温度表和其他热敏系 统。尤其适合于工业现场的温度监测和控制，抗干扰能力强，能 适应恶劣的工业环境，工作稳定可靠。
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

传感器选择：
备选传感器： 3）差动变压器位移传感器 能提供所需的准确度、精度和可靠性， 尽管为接触式测量，但考虑作为研究 使用，棱圆测量的工作量不大，而且 该测量传感器已成功应用于圆度仪作 为测量头，因此考虑选用它
差动变压器位移 传感器 圆度仪
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测
1、塔式起重机结构强度测试
测试方案：
测点布臵：测点位臵和测点方向是影响结构强度试验是否可靠的两个 重要因素 测点方向：找出最大应变方向 测点位臵： 断面正应力布点：采用角点法， 在角点处沿棱线方向布臵应变片 平面应力布点：一般应用应变花 测量主应力
1、塔式起重机结构强度测试
测试方案：
测试条件： 1）载荷不包括吊钩重量，载荷误差应小于1%；各工况皆是处于空钩 离地状态时进行仪器调零；测试数据均为吊重引起的应力，不应包括 自重和风阻应力；（假设条件） 2）测试温度10～25℃，湿度50%～70%，风力1级；（环境条件） 3）给出测试工况说明，即：测试中选取了五种不同起重重量、三种 变幅幅度、两种方位角进行组合变化，分别测试各种工况下最大应力。 （测试工况）
抗干扰能力强 适应恶劣的工作环境 系统可靠性高 有完善的自检功能 数据自动存储和查询
3、高速机车轴温测试系统

测试方案：
传感器的选择： 半导体PN结温度传感器： 1）测量误差大。PN结温度传感器容易老化、失效；测点到仪表 的引线较长，引线误差较大。 2）连线多，环节多，结构复杂。 3）需定期标定，工作量大，传感器的互换性差。 4）传输弱小的模拟信号，抗干扰能力弱，测量结果的稳定性和 可靠性差，因此对于本测试任务难以胜任 地面红外线机车轴温检测仪： 只能在机车通过监测点时监测，不能对行车区间内的轴温变化 进行监测，也不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度
强度检测
归结于
正、切应力测量
判断最大应力是否大于许用应力
注意参考相关行业的国标、行标，规范检测
1、塔式起重机结构强度测试
测试方案：
问题最终归结于测量最危险截面的静态与动态应力应变 测量方法：应变片+电桥
静态应力测试系统框图 动态应力测试系统框图
静态测量时由于有多个测点，通常配用预调平衡箱，利用外加电阻对 电桥调平衡，以便于与应变仪连接 动态测量由于测点少不需要配用预调平衡箱，直接调应变仪即可，使 用光线示波器作为动态应变记录装臵
2
1 ak e
k 1 p 2 j k
获 得 参 数
Gx ( ) 2S x ( ) 2 Rx ( )e j d


( 0)
单边谱密度 Gx ( )
AR谱分析法
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

测试系统的设计与分析：
传感器 电感式测微仪 数据采集卡 PC主机
同时测量方式可选用接触或非接触方式，但要考虑传感器成本
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

传感器选择：
备选传感器： 1）变间距电容传感器 优点：测量精度高，灵敏度高，响应速度快，能抵抗高温、振动和潮 湿，特别适 用于恶劣环境中作非接触测量，适应于测位移小量程 缺点：测量电路较为复杂，一般采用调幅电路或调频电路，后续调理电 路相对复杂，增加了系统复杂性，所以不作考虑 2）电涡流传感器 优点：具有灵敏度高、响应快速、非接触测量的特点 缺点：常规类型量程1～2，从实际应用来讲，其精度不足；如选用高精 度型，其量程为250，分辨率0.01，但这种类型成本较高，而且易受工件残 余磁场干扰，所以不作考虑
砂轮 工件 导轮
三棱圆：
托架
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

测试任务：
为了保障无心磨加工的工件质量，需要对棱圆的棱数和棱圆度进行 精密地检测，并实现量化分析和评估，要求测量精度达到微米级， 以满足磨削加工的要求
2、无心磨削的工件棱圆度精密检测

测试方案：
直接测量外圆外径的方法：将棱圆 进行角度等分，再测量出相应的直 径数值，经数据处理即可获得棱圆 的棱数和圆度误差 从无心磨加工特点可知，棱圆的各 个方向直径在加工过程中是被保证 的，因而对直径测量是无法反映棱 圆形状测量的
第十章
测试技术——
典型测试系统设计实例
内容
1. 2. 3. 4. 5. 6.
塔式起重机结构强度测试 无心磨削的工件棱圆度精密检测 高速机车轴温测试系统 润滑油膜厚度检测 缝纫机噪声源测试分析 旋转机械故障监测诊断网络化系统
概念，学会分析方法与设计思路
希望同学们“知行合一”
重点：掌握一些具体的测试技术，对一个测试系统的设计有一个基本的