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测试技术 典型测试系统设计实例 4 第十章 内容 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概念 学会分析方法与设计思路 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 测试对象 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测试参考根据原始设计资料 选择在应力应变最大处粘贴应变片进行测量根据两种不同破坏情况 按照JJ30 85 塔式起重机结构试验方法 测试静态 动态应力应变 1 塔式起重机结构强度测试 强度检测 正 切应力测量 判断最大应力是否大于许用应力 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置 1 塔式起重机结构强度测试 静态应力测试系统框图 动态应力测试系统框图 测试方案测点布置 测点位置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置 断面正应力布点 采用角点法 在角点处沿棱线方向布置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 测量型材断面正应力布点平面应力测量应变花布点 测试方案 1 塔式起重机结构强度测试 测量系统共布置了20个测点 测试条件假设条件 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环境条件 测试温度10 25 湿度50 70 风力1级测试工况 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Q起重量R幅度 吊点到塔机回转中心的距离 起重臂与塔身之间的方位角 1 塔式起重机结构强度测试 测试步骤检查和调整试验样机粘贴应变片并干燥 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 消除不正常现象取空载状态作为初始状态 将应变仪调零按照测试工况 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 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其中 E为结构材料的弹性模量 均取E 0 2 106MPa 为测得的应力和应变平面应力状态应力计算式中 为构件材料的泊松比 0 3 1 塔式起重机结构强度测试 数据处理与结果分析计算最大应力与设计比较与国标比较结论 1 塔式起重机结构强度测试 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 测试对象加工自动定位 3点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 等直径加工问题 造成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 常见为三棱圆 传动轴无心复合磨削 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 测试任务棱圆的棱数和棱圆度检测测量精度达到微米级实现量化分析和评估测试方案直接测量外圆外径等分棱圆角度 测量出相应的直径数值经数据处理获得棱圆的棱数和圆度误差 直径测量是无法反映棱圆形状 棱圆的各个方向直径在加工过程中是被保证 直接测量棱圆半径使用位移传感器测量棱圆各个方向的外圆表面到圆心的距离 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 测试方案 直接测量棱圆半径测量系统组成回转工作台 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置信号处理和显示装置 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 传感器选择保证磨削加工的工件测量精度为微米级 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考虑到成本 测量方式可选用接触或非接触方式 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 传感器选择 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 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 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 传感器选择 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 圆度仪 差动变压器位移传感器 2 无心磨削的工件棱圆度精密检测 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 1X为工件回转频率 3X的频率为棱圆为三棱圆 其幅值的大小表现了棱圆度 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棱圆测量系统基本框图图形用户操作界面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 测试任务问题描述机车速度提高和牵引功率增大 支承轴承发热增多 安全不容乐观支承轴承 轴箱轴承 牵引电动机轴承 抱轴承及空心轴承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 车毁人亡测试目的在线监测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实时显示各测点的实际温度 进行声光报警和定位指示数据存储管理 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 绝对温度 75 和相对温度 环境温度 55 供电电压 110VDC 波动范围 65 140VDC 功耗小于15W其他要求抗干扰能力强 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 引线误差较大连线多 环节多 结构复杂需定期标定 工作量大 传感器的互换性差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轴箱轴承 无法全程监测不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度 3 高速机车轴温测试系统 数字式温度传感器 DS1820温度传感器芯片 无需外围器件 用9位二进制数字量形式输出温度值温度测量范围 55 125 分辨率为0 5 将温度转换为数字量的时间小于200ms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测温误差 1 用户可自定义永久的报警温度设置可用于恒温控制 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 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 通用性强体积较大 价格也较高 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 但比单片计算机高单片机结构简单 价格低廉 功能相对简单运行速度较慢和数据处理能力较弱 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 可选择单片机 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 串行单总线结构 提高数据传输的可靠性和节省连线 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 多次测量 3 高速机车轴温测试系统 主程序流程图 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润滑是减少摩擦与磨损的简便而有效的方法轴承的润滑状态检测 满足最小油膜厚度处轴承两表面不直接接触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 4 润滑油膜厚度检测 测试方案传感器选择电阻法 定性测量通过测量油膜的电阻大小来判断其厚度油膜的电学性能极不稳定 标定困难 难以定量放电电压法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润滑膜的性质和纯洁程度对放电电压的影响 难以定量测定电容法当润滑油的介电常数已知后 根据电容值随油膜的厚度增大而降低的变化关系测得油膜厚度 困难在于油膜间隙形状不明确X光透射法金属能够吸收X光而不能使X光穿过 而润滑油却允许X光穿过 光强度与油膜厚度成正比 困难是光束位置精确的调整 4 润滑油膜厚度检测 测试方案光纤检测法 光纤位移传感器输入光纤 输出光纤 反光物体 光敏二极管组成反光物体 平面反射镜 垂直于输入和输出光纤而移动 光源发出的光经输入光纤 在反光面的形成反射锥体 输出光纤 光敏二极管耦合原理耦合到输出光纤的光通量取决于输入光纤的像发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积 距离有关 4 润滑油膜厚度检测 传感器选择光源 激光光源为氦氖激光灯光电检测元件光电二极管 PIN管 运算放大器 芯片直接输出电压 输出电压与芯片接受到的光功率成正比后续测量系统系统分析解决了其他方法无法消除的电磁干扰 使用寿命短 不耐高温 不耐腐蚀等问题 实现了油膜厚度的精密检测 4 润滑油膜厚度检测 测试对象 5 缝纫机噪声源测试分析 测试任务噪声测量基础噪声物理定义 大量频率和相位各异的声音复合而成的无序合声生理感受 一种与人体有害的声音 它已成为主要公害之一声压级Lp 衡量声音的强弱p 声压p0 基准声压噪声频率 噪声主要频率成分频谱分析仪进行连续谱测量测量各个频率带宽内的声压级 5 缝纫机噪声源测试分析 测试对象 测试方案测试目的对某型号缝纫机噪声进行测试 目的是寻找噪声源 从而为降低其噪声水平 提高产品质量提供依据 噪声大小 噪声源缝纫机噪声主要是由结构振动产生 噪声级测量 振动测量测量内容不同转速下的噪声水平及振动水平 了解噪声源大小 同时测量噪声与各部件的振动 判断噪声由那部分振动引起 采取分步运转方法测量各部件的振动 找出振动的主要原因 5 缝纫机噪声源测试分析 测量仪器与方法噪声测量仪器与测量方法声级计 电容传声器 放大器 衰减器 计权网络 检波电路 指示电表 电源测量条件 必须处于半自由场 一般在半消声室或开阔空间关键部位 缝纫机主轴 缝纫机针板孔振动测量仪器与测量方法加速度传感器部位 缝纫机针板上送布牙的右侧 垂直于底板 5 缝纫机噪声源测试分析 测量结果及分析幅值分析振动有起伏现象振动随转速升高呈增大趋势 5 缝纫机噪声源测试分析 缝纫机在不同转速下的振动位移 缝纫机在不同转速下的噪声级 测量结果及分析频谱分析振动表现出明显的谐波特性 峰值主要出现在主轴回转频率73 3Hz及二倍频上 146 5Hz 工频及二倍工频振动实际上就是由缝纫机运动部件的动不平衡引起设法改进运动部件的动平衡是减小振动噪声的关键 5 缝纫机噪声源测试分析 测量结果及分析相干分析 不同频率下振动与噪声的相关程度分析结果噪声与针板的振动有很大的相关程度 针板 机壳底板镶嵌 降噪也应从抑制机壳表面振动入手分步运转试验 找出哪一个部件是主要激励源分析结果 针刺挑线机构是缝纫机运转时最主要的激励源 应对该机构进行动平衡 5 缝纫机噪声源测试分析 声振相干函数图 4500rpm 测试对象 重大设备流程工业的核心发电机压缩机风机 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 测试对象 重大设备事故造成损失惨重直接经济损失至少在几十万元以上秦岭200MW5号汽轮发电机组特大事故 1988 轴系的7处对轮螺栓 轴体5处发生断裂 共断为13断 主机基本毁坏由油膜失稳开始的 突发性 综合性强烈振动造成的轴系严重破坏没有监测数据整个机组解体 损失惨重发电机乌石化热电厂3号汽轮发电机组特大事故 1999 汽轮机超速飞车至4500rpm发电机及机组油系统着火设备直接经济损失1916万元 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 测试对象 重大设备维修成本高计划维修设备不分状态好坏 一律执行计划预修 对设备大面积拆装使有些还可以使用的零部件被提前更换有些部件在拆卸过程中被损坏原来磨合得很好的部件又被重新装配状态维修以设备状态作为维修的出发点 有针对性的纠正设备非正常状态各个部件的使用寿命及运行状态依靠对设备进行测试 检查和诊断来掌握其运行状态 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 设计目的保障设备的长周期安全 高效运行及时 准确地反映设备的运行状态 捕捉设备的运行隐患 确诊设备的故障类型与部位 以消除灾难故障 避免严重故障 减少一般故障预测设备状态的未来发展变化趋势 指导机组预知维修建立完整的设备运行状态信息 支持机组的更新换代测试内容信号检测及调理实时采集机组关键参数 振动 转速 工艺特征提取 进行机组状态监测提供分析诊断的各种工具评估机组运行的性能状态机组数据存储 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 测试方案监测诊断发展趋势网络化 远程 分布式监测 异地托管专业化 产品厂家参与 专业机构参与标准化 信息标准化 分析模块标准化方案利用信息网络 实现旋转设备状态信息采集 存储 传输 分析和共享等传感器 信号处理 测量 分析 传输指标振动 快变信号 0 150 m 5 带宽0 10kHz转速 脉冲信号 0 12000rpm工艺 慢变信号 0 5V 0 5 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 测试方案 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 网络化的CPCI设备状态监测单元网络数据库基于网络的监测诊断软件平台 传感器选择振动转子振动 非接触式 振动涡流传感器 Bently激光传感器 米依机壳振动 接触式 速度 加速度转速 非接触式 涡流式 光电式推荐传感器振动 转速 涡流传感器精度 成本适中非接触测试 可靠稳定安装容易机壳振动 加速度传感器使用方便安装容易 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 灵敏度 100mV g量程 50g频率范围 0 5 8000Hz 10 安装谐振点 30kHz分辨率 0 0002g重量 8gm线性 1 输出偏压 8 12VDC恒定电流 2 20mA输出阻抗 150 激励电压 18 30VDC 探头直径 mm 8量程 mm 2灵敏度 v mm 8频率响应 KHz 0 5温漂 FS 0 1线性度误差 FS 2 0 传感器选择工艺温度 热电偶 热电阻压力 应变式推荐传感器输出标准信号0 5V 4 20mA输出阻抗 200 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 STWB系列温度变送器STP压力变送器MHM 04B信号调理 测试部位 推荐测点位置振动每个支承面选择2个径向振动测点每段转子选择1个轴向位移点径向振动传感器互为90 布置被测表面材质均匀 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 测试部位 推荐测点位置加速度机壳四角选择测点 靠近支承面 垂直安装 钢柱螺栓连接转速 鉴相鉴相槽槽深1mm 宽取l决于转速 转子直径 探头直径 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 CPCI在线监测单元基本任务机组信号调理机组完整的状态信息 振动量 工艺量和转速 采集获取数据的网上发布事件 升降速过程 报警运行 触发的数据存入企业数据库基本组成 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 型号 CPCI 6840V尺寸 标准6U面板2个槽位处理器 PentiumIII 1 6GHz主存贮器 512MB内置硬盘 40GB内置接口 2个LAN 4个USB操作系统 WindowsXP CPCI在线监测单元基于DSP的采集处理模块信号调理并行采集实时处理专用DSP芯片 TMS320C6711扩展存储器 64MB数据缓存FIFO嵌入式系统 微型实时内核DSP BIOS 多任务 多进程 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 CPCI在线监测单元监测软件软件环境Windows2000MSSQL三层结构自适应采集模块设备数据管理模块网上组态和维护多自主数据库DSP数据库CPCI数据库企业数据库多种传输数据发布存库 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 数据库设计 存储和共享 MIMOSA规范企业库树状结构数据库定义企业及数据库定位节点结构系统 机组 设备测点结构测量位置 类型 传感器等参数测点监测报警门限 测量事件 测量数据监测单元基本信息 模块配置 关联信息 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 数据库设计时域波形数据表 6 旋转机械故障监测诊断网络化系统 数据包设计数据包 构成监测数据流数据信息包