測試與傳感技術(shù) 測試技術(shù)在工程中的應(yīng)用

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.1 7.1 振動(dòng)測試振動(dòng)測試7.2 7.2 溫度測試溫度測試7.3 7.3 噪聲測試噪聲測試7.4 7.4 測量系統(tǒng)的選擇與調(diào)試測量系統(tǒng)的選擇與調(diào)試小轎車的乘坐舒適性試驗(yàn)框圖小轎車的乘坐舒適性試驗(yàn)框圖 7.1 振動(dòng)測試振動(dòng)測試振動(dòng)研究所涉及的問題振動(dòng)研究所涉及的問題 振動(dòng)分析振動(dòng)分析 已知激勵(lì)條件和系統(tǒng)的振動(dòng)特性，求系統(tǒng)的響應(yīng)已知激勵(lì)條件和系統(tǒng)的振動(dòng)特性，求系統(tǒng)的響應(yīng) 系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別 已知系統(tǒng)的激勵(lì)和系統(tǒng)的響應(yīng)，求系統(tǒng)的特性已知系統(tǒng)的激勵(lì)和系統(tǒng)的響應(yīng)，求系統(tǒng)的特性 環(huán)境預(yù)測環(huán)境預(yù)測 已知系統(tǒng)的振動(dòng)特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，確定系統(tǒng)的激勵(lì)狀態(tài)已知系統(tǒng)的振動(dòng)特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，確定系統(tǒng)

2、的激勵(lì)狀態(tài) 機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)的一般組成框圖機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)的一般組成框圖 機(jī)械振動(dòng)的測量方法按振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式分為：機(jī)械振動(dòng)的測量方法按振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式分為：相對(duì)測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)中的某固定點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)點(diǎn)相對(duì)測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)中的某固定點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)點(diǎn)絕對(duì)測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)外的某一點(diǎn)，該點(diǎn)相對(duì)于地球是靜絕對(duì)測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)外的某一點(diǎn)，該點(diǎn)相對(duì)于地球是靜止不動(dòng)的。止不動(dòng)的。電測法電測法機(jī)械測量法機(jī)械測量法光測法光測法按照測量時(shí)選擇參考點(diǎn)的不同，可分為：按照測量時(shí)選擇參考點(diǎn)的不同，可分為：按照振動(dòng)產(chǎn)生的原因按照振動(dòng)產(chǎn)生的原因 自由振動(dòng)自由振動(dòng)受迫振動(dòng)受迫振動(dòng) 自激振動(dòng)自激振動(dòng)振

3、動(dòng)頻率和固有頻率之間的關(guān)系為振動(dòng)頻率和固有頻率之間的關(guān)系為 nd21其中，其中，n為系統(tǒng)的固有頻率，為系統(tǒng)的固有頻率，為阻尼率為阻尼率 系統(tǒng)的振動(dòng)頻率為激振頻率系統(tǒng)的振動(dòng)頻率為激振頻率 振動(dòng)頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。振動(dòng)頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。 1 振動(dòng)的分類振動(dòng)的分類 按系統(tǒng)的輸出分按系統(tǒng)的輸出分 簡諧振動(dòng)簡諧振動(dòng)周期振動(dòng)周期振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng) 隨機(jī)振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng) 按系統(tǒng)自由度分按系統(tǒng)自由度分 單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng) 多自由度系統(tǒng)振動(dòng)多自由度系統(tǒng)振動(dòng) 連續(xù)彈性體振動(dòng)連續(xù)彈性體振動(dòng) 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分 線性振動(dòng)線性振動(dòng) 非線性振動(dòng)非線性振動(dòng) 力作用在質(zhì)量塊

4、上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)質(zhì)量質(zhì)量m在外力的作用下的運(yùn)動(dòng)方程為在外力的作用下的運(yùn)動(dòng)方程為 )(22tfkzdtdzcdtzdm式中，式中，c為粘性阻尼系數(shù)，為粘性阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度。為彈簧剛度。(t)為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，z(t)為系統(tǒng)的輸出。為系統(tǒng)的輸出。 拉氏變換拉氏變換 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 kcsmssfszsH21)()()(2 單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng) kcsmssfszsH21)()()(令令s=j，則，則 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)

5、量塊上的單自由度系統(tǒng)122/11)(1)()()(222kmkmcjkmkkjcmkcjjmjfjzjH)/(2)/(1111211222nnnnjkjkmkn/kmc2系統(tǒng)的固有頻率系統(tǒng)的固有頻率 系統(tǒng)的阻尼率系統(tǒng)的阻尼率 2222)/(4)/(111)(nnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅頻曲線幅頻曲線 相頻曲線相頻曲線 mkn/kmc2在在幅頻曲線幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為上幅值最大處的頻率稱為位移位移共振頻率共振頻率 221nr隨著的阻尼的增加，共振峰向原點(diǎn)移動(dòng)；隨著的阻尼的增加，共振峰向原點(diǎn)移動(dòng)； 當(dāng)無阻尼時(shí)，位移共振頻率當(dāng)無阻尼時(shí)，位移共振頻率r即為固有頻率即為固

6、有頻率n 當(dāng)系統(tǒng)的阻尼當(dāng)系統(tǒng)的阻尼很小時(shí)，位移共振頻率很小時(shí)，位移共振頻率r接近系統(tǒng)的固有頻率接近系統(tǒng)的固有頻率n，可用作為的估計(jì)，可用作為的估計(jì)值。值。 幅頻曲線幅頻曲線 不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在/r=1時(shí)位移始終落后于激振力時(shí)位移始終落后于激振力90，此，此現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為相位共振相位共振。 相頻曲線相頻曲線 利用相頻特性來確定固有頻率比較準(zhǔn)確利用相頻特性來確定固有頻率比較準(zhǔn)確 幅頻曲線幅頻曲線 由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng) 單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng) 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)單自由度

7、系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng) 設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為Z1，質(zhì)量，質(zhì)量m的絕對(duì)位移為的絕對(duì)位移為Z0，則系統(tǒng)的振動(dòng)可用方程式表示為：則系統(tǒng)的振動(dòng)可用方程式表示為： 21201012012dtZdmkZdtdZcdtZdm拉氏變換并，令拉氏變換并，令s=j 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅頻曲線幅頻曲線 相頻曲線相頻曲線 瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振 快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振 脈沖激

8、振脈沖激振 階躍激振階躍激振 采用周期為采用周期為T的頻率線性變化的正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)的頻率線性變化的正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)(t+T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0tT) 式中，式中，a=(max-min)/T，b=min (8-21) 用一般裝有力傳感器的錘子敲擊試件，使試件受到脈沖力的用一般裝有力傳感器的錘子敲擊試件，使試件受到脈沖力的作用而引起的激振。作用而引起的激振。 快速正弦掃描信號(hào)及其頻譜快速正弦掃描信號(hào)及其頻譜 穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振 施加一個(gè)穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，施加一個(gè)穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，(t)=F0sint。 隨機(jī)激振隨機(jī)激振優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備通用，可靠性較高

9、優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備通用，可靠性較高 缺點(diǎn)：需要較長的測定時(shí)間缺點(diǎn)：需要較長的測定時(shí)間 一般進(jìn)行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而一般進(jìn)行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而在靠近固有頻率的重要頻段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)在靠近固有頻率的重要頻段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)特性特性 用白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為振動(dòng)的信號(hào)源進(jìn)行的激振用白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為振動(dòng)的信號(hào)源進(jìn)行的激振 Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf) 該方法具有快速實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格昂貴該方法具有快速實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格昂貴. 帶寬激振法帶寬激振法 3 激振的方式激振的方式 包

10、括振動(dòng)臺(tái)和激振器包括振動(dòng)臺(tái)和激振器 滿足條件：滿足條件：在一定的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠的穩(wěn)定交變力在一定的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠的穩(wěn)定交變力 某些情況下需要施加穩(wěn)定力，使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷某些情況下需要施加穩(wěn)定力，使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷 電動(dòng)式激振器電動(dòng)式激振器當(dāng)激振器的可動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量很小，彈性系數(shù)極低時(shí)，彈性力和當(dāng)激振器的可動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量很小，彈性系數(shù)極低時(shí)，彈性力和慣性力可忽略，認(rèn)為電動(dòng)力等于激振力慣性力可忽略，認(rèn)為電動(dòng)力等于激振力 激振器通過頂桿傳遞給被測對(duì)象的激振力為電動(dòng)力和可激振器通過頂桿傳遞給被測對(duì)象的激振力為電動(dòng)力和可動(dòng)系統(tǒng)的慣性力、彈性力、阻尼力之差，還是頻

11、率的函動(dòng)系統(tǒng)的慣性力、彈性力、阻尼力之差，還是頻率的函數(shù)。數(shù)。 4 激振器激振器 電磁式激振器電磁式激振器 當(dāng)直流激勵(lì)線圈電流為當(dāng)直流激勵(lì)線圈電流為I0，交，交流激勵(lì)線圈電流為流激勵(lì)線圈電流為I1，鐵芯內(nèi)產(chǎn)，鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B=B0+B1cost 式中，式中，B0為為I0產(chǎn)生產(chǎn)生的不變的磁感應(yīng)強(qiáng)度；的不變的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B1為為I1產(chǎn)生的交變磁感產(chǎn)生的交變磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值應(yīng)強(qiáng)度的峰值. 鐵芯對(duì)被測對(duì)象產(chǎn)生的電磁吸力為鐵芯對(duì)被測對(duì)象產(chǎn)生的電磁吸力為 022ABF 式中，式中，A為鐵芯的截面積，為鐵芯的截面積，0為真空的導(dǎo)磁率為真空的導(dǎo)磁率 電磁激振器電磁激振器 tABtA

12、BBABBF2cos4cos2)2(02101002120固定分量固定分量 一次分量一次分量 二次分量二次分量 二次諧波分量與一次諧波分量的幅值比：二次諧波分量與一次諧波分量的幅值比： B1/4B0 當(dāng)當(dāng)B0 B1時(shí)，二次分量可忽略，此時(shí)時(shí)，二次分量可忽略，此時(shí) tABBABBFcos2)2(01002120這樣，產(chǎn)生的交變力波形和磁感應(yīng)強(qiáng)度波形基本相同這樣，產(chǎn)生的交變力波形和磁感應(yīng)強(qiáng)度波形基本相同 又稱為又稱為“拾振器拾振器” 根據(jù)振動(dòng)測量的力學(xué)原理根據(jù)振動(dòng)測量的力學(xué)原理 慣性式（絕對(duì)式）拾振器慣性式（絕對(duì)式）拾振器相對(duì)式拾振器相對(duì)式拾振器 按照測量時(shí)拾振器是否和被測件接觸按照測量時(shí)拾振器是

13、否和被測件接觸 接觸式拾振器接觸式拾振器 又可分為相對(duì)式和絕對(duì)式兩種又可分為相對(duì)式和絕對(duì)式兩種 非接觸式拾振器非接觸式拾振器 接觸式相對(duì)拾振器又稱為跟隨式拾振器接觸式相對(duì)拾振器又稱為跟隨式拾振器 5 測振傳感器測振傳感器(拾振器拾振器) 7.2 溫度測試 一、溫度、溫標(biāo)及常用測溫方法一、溫度、溫標(biāo)及常用測溫方法 溫度與溫標(biāo)溫度與溫標(biāo) 溫度是度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度溫度是度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部微粒運(yùn)動(dòng)狀的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部微粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征。態(tài)的特征。為了表示溫度的數(shù)值，人們用統(tǒng)一的標(biāo)尺來為了表示溫度的數(shù)值，人們用統(tǒng)一的標(biāo)尺來定量表示，那就是我們所說的溫

14、標(biāo)。定量表示，那就是我們所說的溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 國際溫標(biāo)國際溫標(biāo)華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo) 規(guī)定純水的冰點(diǎn)為規(guī)定純水的冰點(diǎn)為3232度，度， 沸點(diǎn)為沸點(diǎn)為212212度，兩點(diǎn)間等分為度，兩點(diǎn)間等分為180180格，每小格格，每小格為華氏為華氏1 1度，記為度，記為1 1 。華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、國際溫標(biāo)三者間的變換公式變換公式為： 常用溫度測量方法3、噪聲測試 噪聲測量的意義：噪聲測量的意義： 噪聲是由許多不同頻率和強(qiáng)度的聲音無規(guī)律地組合而成。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已成為主要公害之一?？刂圃肼?、保護(hù)環(huán)境已成為人們的共識(shí)。其中，噪聲測量是重要的一環(huán)，具有舉足輕重的地位。長期受強(qiáng)噪音刺激，將導(dǎo)致

15、聽力損失，甚至引起心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)等方面疾病。噪聲不僅危害人們的健康，并影響人們的生活、工作，是當(dāng)今四大公害之一。因此，制定了環(huán)境噪聲限制標(biāo)準(zhǔn)和測量標(biāo)準(zhǔn)意義重大。 噪聲是振動(dòng)能量在空氣中的傳播，是聲波的一種，具有聲波的一切特性 。 噪聲的強(qiáng)弱采用聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率來評(píng)價(jià)。 工程中常對(duì)噪聲做頻譜分析，并以次尋找噪聲源和設(shè)法控制噪聲。噪聲的度量聲波是一種具有疏密變化的縱波。聲壓用 聲壓級(jí)聲壓級(jí) 表示，聲強(qiáng)和聲功率相應(yīng)用 聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí) 和 聲功聲功率級(jí)率級(jí) 表示。它們的單位也是分貝（dB)。幾種典型的 聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí) 和 聲功率級(jí)聲功率級(jí) 。聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)的關(guān)系聲壓級(jí)、聲

16、強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)的關(guān)系在噪聲測量中，對(duì)于自由行波，可以認(rèn)為當(dāng)被測面積A等于A0時(shí)，則 A0取得基準(zhǔn)聲功率W0時(shí)的面積，即只要測出聲壓級(jí)，那么聲功率和聲強(qiáng)級(jí)可通過換算得到。聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)都是無量綱的相對(duì)量，計(jì)算某點(diǎn)聲壓時(shí)，其合成聲壓級(jí)（或聲強(qiáng)級(jí)）不能簡單等于各個(gè)聲源引起的聲壓級(jí)相加。 噪聲的頻譜噪聲的頻譜聲音的高低主要與其頻率有關(guān)，噪聲的頻譜可反映該噪聲在不同頻率范圍內(nèi)的分布情況。對(duì)噪聲進(jìn)行頻譜分析時(shí)，通常采取多個(gè)較寬的頻帶來分析噪聲的聲級(jí)（聲壓級(jí) 、 聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)），最常用的頻帶寬度是倍頻程和1/3倍頻程。 頻譜分析對(duì)一個(gè)噪聲源發(fā)出的聲音，將它的聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、 或者聲功率級(jí)按頻率

17、順序展開，使噪聲的強(qiáng)度成為頻率的函數(shù)，并考查其形狀。特殊脈沖性質(zhì)的沖壓機(jī)噪聲分析用的簡單裝置典型的時(shí)間函數(shù)窄帶頻譜噪聲的主觀評(píng)價(jià)方法：噪聲的主觀評(píng)價(jià)方法：噪聲與人的主觀感覺之間的關(guān)系十分復(fù)雜，各國學(xué)者為此提出了許多主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這里只介紹噪聲的頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)及聲級(jí)。頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是為了模擬人耳對(duì)不同聲壓和頻率聲音有不同感覺而設(shè)置的。主要有A、B、C、D四條計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其中最常用的是A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。多數(shù)噪聲經(jīng)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波后，與人耳的感覺有較好的相關(guān)性。頻率計(jì)權(quán)是在測試時(shí)將所測噪聲信號(hào)經(jīng)模擬濾波或數(shù)字濾波而實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)后測得的聲壓級(jí)稱為聲級(jí)，并按不同計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)分別稱為A聲級(jí)（LA），B聲級(jí)（LB），C

18、聲級(jí)（LC）和D聲級(jí)（LD），其單位也分別稱為 dB(A)、dB(B)、dB(C)、dB(D)。經(jīng)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得的聲強(qiáng)級(jí)，聲功率級(jí)也需特別注明，如A聲強(qiáng)級(jí)，A聲功率級(jí)等。目前，許多通用機(jī)械及城市環(huán)境的噪聲等級(jí)多采用A聲級(jí)來評(píng)定。 噪聲測試常用的儀器噪聲測試常用的儀器有傳聲器、聲級(jí)計(jì)、磁帶記錄儀、校準(zhǔn)器和譜分析儀。傳聲器傳聲器是噪聲測試的傳感器，通常用膜片將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。()傳聲器的壓力響應(yīng)和自由場響應(yīng)傳聲器的壓力響應(yīng)和自由場響應(yīng)描述不同聲場中傳聲器的特性通常用壓力響應(yīng)及自由場響應(yīng)。 壓力響應(yīng)指傳聲器的膜片上受到均勻聲壓時(shí)，其輸出與聲壓之比。 自由場響應(yīng)指傳聲器在自由場中的輸出與原（假設(shè)傳聲器不在時(shí)）聲壓值之比。 自由場指只有直達(dá)聲而沒有反射聲的聲場，實(shí)際指反射聲與直達(dá)聲相比可以忽略的聲場。()電容式傳感器電容式傳感器聲級(jí)計(jì)聲級(jí)計(jì)在噪聲測試中人們最常用的儀器就是聲級(jí)計(jì)。它模擬了人耳對(duì)聲波的反應(yīng)特性，是一種主觀性儀器。聲級(jí)計(jì)集傳聲器、衰減放大、顯示、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、模擬或數(shù)字信號(hào)輸出為一體。它體積小，既可以獨(dú)立測量、讀數(shù)，又可以將所測信號(hào)接入磁帶記錄儀、分析儀或外接濾波器的頻譜分析系統(tǒng)，是