机械工程测试技术课件

1、机械工程测试技术1 Mechanical Engineering Testing Technique 测试技术制作室测试技术制作室 机械工程测试技术2 目目 录录 v绪论绪论 v信号的描述信号的描述 v测试装置的基本特性测试装置的基本特性 v电阻应变片电阻应变片 v测量电桥测量电桥 v电阻应变仪电阻应变仪 v记录仪器记录仪器 v零件应力的测量零件应力的测量 v力参数的测量力参数的测量 v运动参数的测量运动参数的测量 v机械振动的测量机械振动的测量 v电动机电参数的测量电动机电参数的测量 v误差分析与数据处理误差分析与数据处理 机械工程测试技术3 机械工程测试技术4 测量测量是指确定被测对象属性

2、量是指确定被测对象属性量 值为目的的全部操作。值为目的的全部操作。 测试测试是具有试验性质的测量，是具有试验性质的测量， 或者可以理解为测量和试或者可以理解为测量和试 验的综合。验的综合。 测试的基本概念测试的基本概念 机械工程测试技术5 力学参数：力学参数：表明机器工作负荷状况的参数，力、表明机器工作负荷状况的参数，力、 力矩、应力、电压等；力矩、应力、电压等； 运动参数：运动参数：表明机械运动规律的参数，位移、表明机械运动规律的参数，位移、 速速 度、加速度等；度、加速度等； 电参数：电参数：表明机器工作负荷状况的参数，电流、表明机器工作负荷状况的参数，电流、 电压、功率等；电压、功率等；

3、 工艺参数：工艺参数：表明加工工艺条件的有关参数，如加表明加工工艺条件的有关参数，如加 工对象的加工量、温度、几何形状等工对象的加工量、温度、几何形状等 。 测量参数测量参数 机械工程测试技术6 测量方法的分类测量方法的分类 机 械 测 量机 械 测 量 法法 光测法光测法 电 测 法 等电 测 法 等 等等 机械工程测试技术7 测试系统的组成测试系统的组成 机械工程测试技术8 通过测试技术的基础理论学习通过测试技术的基础理论学习 和实验，培养学生能正确地选用和实验，培养学生能正确地选用 测试装置测试装置, ,进行各种物理量的测进行各种物理量的测 量；量； 初步掌握进行动态测试的方法初步掌握进

4、行动态测试的方法 和技能，为以后的生产实验和科和技能，为以后的生产实验和科 学研究打下一定的基础。学研究打下一定的基础。 课程的目的课程的目的 机械工程测试技术9 简述测量参数的种类。简述测量参数的种类。 简述测量方法有哪些？简述测量方法有哪些？ 思考题思考题 机械工程测试技术10 第一章第一章 Description of Signal 机械工程测试技术11 信号：信号：反映被测系统的状态反映被测系统的状态 及特性。通过研究及特性。通过研究 信号的内在信号的内在 的规律，可充分认识被测系统的规律，可充分认识被测系统 的相互关系的相互关系 。 信号的分类信号的分类 Category of Si

5、gnal 静态信号静态信号: :指指 幅值幅值不随时间变不随时间变 化或变化极缓慢化或变化极缓慢 的信号的信号。 动态信号动态信号: :指指 瞬时幅值随时间瞬时幅值随时间 变化的信号变化的信号。 机械工程测试技术12 )()(nTtxtx 周期性信号周期性信号是幅值随时是幅值随时 间作周期性重复变化，即按一间作周期性重复变化，即按一 定的间隔时间定的间隔时间T T不断重复的信不断重复的信 号，数学关系式表示：号，数学关系式表示： 非周期信号非周期信号又又 称作瞬变信号。称作瞬变信号。 是短暂的，可用是短暂的，可用 数学关系式表示数学关系式表示。 确定性信号确定性信号确定性确定性 信号的波形随时

6、间重复变信号的波形随时间重复变 化，可以用数学关系式或化，可以用数学关系式或 图表来明确描述其随时间图表来明确描述其随时间 的变化关系。的变化关系。 信号信号 非确定性信号非确定性信号 亦称作随机信号。不能亦称作随机信号。不能 用确定的数学关系式表用确定的数学关系式表 达，用概率和统计方法达，用概率和统计方法 描述。描述。 动画演示动画演示 平平 稳稳 随随 机机 信信 号号 非非 平平 稳稳 随随 机机 信信 号号 机械工程测试技术13 定义定义： 时域表述时域表述：描述信号的幅描述信号的幅 值随时间的变化规律，可值随时间的变化规律，可 直直 接检测或记录到的信号。接检测或记录到的信号。 频

7、域表述频域表述：以频率作为独以频率作为独 立变量的方式，也就是所谓立变量的方式，也就是所谓 信号的频谱分析。信号的频谱分析。 特点特点： 不能揭示信号的频率结构特不能揭示信号的频率结构特 征征 。 可以反映信号的各频率成分可以反映信号的各频率成分 的幅值和相位特征。的幅值和相位特征。 动态信号的描述动态信号的描述 根据描述信号的自变量不同可分为根据描述信号的自变量不同可分为 时域信号时域信号和和频域信号频域信号 Description of Dynamic Signal 机械工程测试技术14 周期信号的幅值可以用峰值、均值、有效值以及方差值来表示。周期信号的幅值可以用峰值、均值、有效值以及方差

8、值来表示。 峰值是指信号可能出现的最大瞬时幅值；均值是动态信号在整个时峰值是指信号可能出现的最大瞬时幅值；均值是动态信号在整个时 域的积分平均；方差是信号域的积分平均；方差是信号x(t)x(t)相对于其均值变化的均方值。相对于其均值变化的均方值。 周期信号是按一定的间隔时间周期信号是按一定的间隔时间T T（周期）不断重复的信号，（周期）不断重复的信号， 可用数学关系式表示：可用数学关系式表示： x(t)=x(tnt)x(t)=x(tnt) 周期信号有很多表示形式，如周期性方波、锯齿波（三角周期信号有很多表示形式，如周期性方波、锯齿波（三角 波）波）等最简单的是正弦信号。等最简单的是正弦信号。

9、50Hz50Hz正弦信号波形正弦信号波形 周期信号周期信号 periodic signal 机械工程测试技术15 周期信号的强度周期信号的强度 峰值峰值 ：指信号：指信号 可能出现的最大瞬可能出现的最大瞬 时幅值时幅值 max x 均值均值：动态信动态信 号在整个时域的积分号在整个时域的积分 平均平均 av x 方差方差 ：信号相：信号相 对于其均值变化的对于其均值变化的 均方值均方值 2 x 有效值有效值 ：是反映信号：是反映信号 功率的大小。功率的大小。 均方值：表示信号的平均均方值：表示信号的平均 功率。功率。 rms x 机械工程测试技术16 频谱是离散的。频谱是离散的。 每条谱线只出

10、现在基波频率的每条谱线只出现在基波频率的 整倍数上。整倍数上。 谐波幅值是随谐波频率的增加谐波幅值是随谐波频率的增加 而减少，谐波的幅值与频率是成而减少，谐波的幅值与频率是成 反比的。反比的。 周期信号的频谱特性周期信号的频谱特性 Frequency spectrum characteristic of periodic signal 机械工程测试技术17 使被测物体与传感器电极之间的极距产生变化，使被测物体与传感器电极之间的极距产生变化， 从而形成电容量的变化，实现位移的测量。是指不从而形成电容量的变化，实现位移的测量。是指不 随时间变化或变化极缓慢的信号。静态不变的信号随时间变化或变化极缓

11、慢的信号。静态不变的信号 只要在被测端接上某种形式的显示仪表，由仪表指只要在被测端接上某种形式的显示仪表，由仪表指 针可直接反映信号的幅值。可用数学关系式或图表针可直接反映信号的幅值。可用数学关系式或图表 来表示。来表示。 静态信号静态信号 Static Signal 机械工程测试技术18 动态信号的瞬时幅值是随时间变化的。动态信号的瞬时幅值是随时间变化的。 确定性信号的特点是信号的波形随时间重复变化。可用数确定性信号的特点是信号的波形随时间重复变化。可用数 学关系式或图表来明确描述其随时间的变化关系。学关系式或图表来明确描述其随时间的变化关系。 动态信号动态信号 Dynamic Signal

12、 式中：式中：A A为振幅为振幅( (最大值最大值) )；k k为弹簧为弹簧 刚度；刚度；m m为质量；为质量；0 0为初始相位。为初始相位。 在此图中，在此图中，0 0=0=0。 其位移信号其位移信号X X（t t）可）可 写为：写为： )cos()( 0 t m k Atx 机械工程测试技术19 瞬变信号是确定性非周期性信号，如机械冲击、碰撞等。瞬变信号是确定性非周期性信号，如机械冲击、碰撞等。 随机过程有平稳随机过程和非平稳随机过程之分。随机过程有平稳随机过程和非平稳随机过程之分。 瞬变信号瞬变信号 Transient signal 机械工程测试技术20 思考题思考题 信号的分类。信号的

13、分类。 周期信号的频谱特征。周期信号的频谱特征。 机械工程测试技术21 第二章第二章 Testing System and Principal Characteristic 机械工程测试技术22 组成组成 试验试验 装置装置 数据 处理 装置 测量测量 装置装置 记录记录 显示显示 机械工程测试技术23 测试装置的静态特性测试装置的静态特性 灵敏度：灵敏度：当测试装置的输入信号有微小变化时，引起当测试装置的输入信号有微小变化时，引起 输出信号发生微变量，则称它们的比值为灵敏度。输出信号发生微变量，则称它们的比值为灵敏度。 线性度：是指测试装置的输入和输出是否保持线性关系是指测试装置的输入和输出

14、是否保持线性关系 线性度线性度= =输出的标定值输出的标定值- -输出的理论值输出的理论值/ /输出信号的变化范围输出信号的变化范围 100%100% 回程误差回程误差： 在实际测试中，在同样的条件下，当输入信号大和在实际测试中，在同样的条件下，当输入信号大和 由大减小的过程中，测试装置会出现输入同一个信号，而得到不同由大减小的过程中，测试装置会出现输入同一个信号，而得到不同 的两个输出信号的两个输出信号, ,其最大差值称为回程误差。其最大差值称为回程误差。 测试系统误差与灵敏度测试系统误差与灵敏度 机械工程测试技术24 理想测试装置的特性理想测试装置的特性 proportionality 机

15、械工程测试技术25 传递函数传递函数: (Transfer function) 在工程测试中，传在工程测试中，传 递函数是输出信号递函数是输出信号( (时域时域) )与输入信号与输入信号( (时域时域) )之比。之比。 频率响应函数：频率响应函数：( (Frequency response function) ) 在工程测试中，频率响应函数是输出信在工程测试中，频率响应函数是输出信 号（频域）对输入信号（频域）之比。号（频域）对输入信号（频域）之比。 )( )( )( tx ty th )( )( )( jX jY jH 测试装置测试装置 )( )( H th 输入输入输出输出 )(tx )(

16、X )(ty )(Y 机械工程测试技术26 频率响应函数频率响应函数H H（jwjw）可以用复指数来表示，复数的模为测试装置）可以用复指数来表示，复数的模为测试装置 的幅频特性，复数的相角为相频特性。的幅频特性，复数的相角为相频特性。 幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 AmplitudeandPhaseFrequencyCharacteristic 频率响应法测量系统特性频率响应法测量系统特性 动动 画画 演演 示示 机械工程测试技术27 一阶测试装置的频率响应一阶测试装置的频率响应 一阶测试的微分方程一阶测试的微分方程 2 )(1 1 )( t A )()( )( 001 tybtya

17、dt tdy a )()(arctg 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 机械工程测试技术28 阶跃信号阶跃信号: : 测试装置在测试装置在 典型输入下的动态响应典型输入下的动态响应 系统的阶跃输入和响应系统的阶跃输入和响应 机械工程测试技术29 测试装置的幅频特性为常数。测试装置的幅频特性为常数。 测试装置的相频特性为线性。测试装置的相频特性为线性。 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 波形不失真复现 机械工程测试技术30 思考题思考题 求周期信号求周期信号x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t- 45450 0) )

18、通过传递函数通过传递函数H(s)=1/(0.005s+1)H(s)=1/(0.005s+1)的装置的装置 后所得到的稳态响应。后所得到的稳态响应。 把灵敏度为把灵敏度为404x10404x10-4 -4pc/Pa pc/Pa的压电式力传感器的压电式力传感器 与一台灵敏度调到与一台灵敏度调到0.226mV/pc0.226mV/pc的电荷放大器相的电荷放大器相 接，求其总灵敏度。接，求其总灵敏度。 机械工程测试技术31 第三章第三章 ResistanceStrainGage 机械工程测试技术32 概念概念 结构、组成结构、组成 工作原理工作原理 种类种类 工作特性工作特性 机械工程测试技术33 电

19、阻应变片：电阻应变片：是将被测试件的机械量是将被测试件的机械量 （应变）转换成电量（电阻）的一种元件。（应变）转换成电量（电阻）的一种元件。 模拟演示模拟演示 机械工程测试技术34 机械工程测试技术35 覆盖层：覆盖层：用来保护和固定敏感栅。用来保护和固定敏感栅。 组组 成成 敏感栅敏感栅：由金属电阻丝构成，能由金属电阻丝构成，能 将机械应变转化成电阻变化。将机械应变转化成电阻变化。 基底：固定保护敏感栅一般由纸固定保护敏感栅一般由纸 和有机聚合物成。和有机聚合物成。 引线：引线：由镍铬铝丝构成，用来从敏感栅引由镍铬铝丝构成，用来从敏感栅引 出电信号。出电信号。 机械工程测试技术36 机械效应

20、：金属导线受力变形，该导线金属导线受力变形，该导线 电阻值随之变化的物理现象称为应变效应。电阻值随之变化的物理现象称为应变效应。 工作原理工作原理 机械工程测试技术37 A L R d A dA L dL R dR L dL D dD A dA 2 K R dR 横向应变横向应变 纵向应变纵向应变 电阻变化率与应变的关系电阻变化率与应变的关系: 机械工程测试技术38 工作特性工作特性 灵敏系数灵敏系数: 是指应变片的电阻变化率与试件是指应变片的电阻变化率与试件 应变的比值称为应变片的灵敏系应变的比值称为应变片的灵敏系 数。数。 横向效应：电阻应变片由于横向缩短引起应电阻应变片由于横向缩短引起应

21、 变片电阻值减小，因此所测的应变片电阻值减小，因此所测的应 变值减小，这种现象称为横向效变值减小，这种现象称为横向效 应。应。 温度效应：温度效应：温度变化时，应变片电阻值也发温度变化时，应变片电阻值也发 生变化，这种现象称为温度效应。生变化，这种现象称为温度效应。 机械工程测试技术39 种种 类类 丝式应变片丝式应变片 敏感栅由高阻值的金属丝绕成。敏感栅由高阻值的金属丝绕成。 箔式应变片箔式应变片 敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技术制成。敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技术制成。 半导体应变片半导体应变片 由锗或硅单晶体作为敏感元件制成由锗或硅单晶体作为敏感元件制成 机械工程测试技术4

22、0 基底材料的选用基底材料的选用 敏感元件材料选用敏感元件材料选用 敏感栅基长的选用敏感栅基长的选用 电阻值的选用电阻值的选用 灵敏系数的选用灵敏系数的选用 应变片的选用应变片的选用 机械工程测试技术41 思考题思考题 电阻丝应变片与半导体应变片在工作电阻丝应变片与半导体应变片在工作 原理上有何区别？各有何优缺点？应原理上有何区别？各有何优缺点？应 如何根据具体情况选用？如何根据具体情况选用？ 把一个变阻器式传感器按图接线，问把一个变阻器式传感器按图接线，问 它的输入量是什么？输出量是什么？它的输入量是什么？输出量是什么？ 在什么条件下它的输出量与输入量之在什么条件下它的输出量与输入量之 间有

23、较好的线性关系？间有较好的线性关系？ 机械工程测试技术42 第四章第四章 Measurement Bridge 机械工程测试技术43 测量电桥的作用测量电桥的作用 是将应变片的电阻的变化转换是将应变片的电阻的变化转换 成为电压（或电流）的变化。成为电压（或电流）的变化。 测量电桥的分类测量电桥的分类 电桥按其电源性质的不同可以分为电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥直流电桥(Direct Current Bridge)和和 交流电桥交流电桥(Alernating Current Bridge)。而交流。而交流 电桥可以用于测量电阻、电感和电容的变化。电桥可以用于测量电阻、电感和电容的变化。

24、机械工程测试技术44 直流电桥直流电桥 如图所示:电阻R1,R2,R3,R4 作为四个桥臂，在a、c两端 接入直流电源ui，在b、d两 端输出电压u0。电桥的平衡 条件:R1 * R3 = R2 * R4 机械工程测试技术45 电桥特性电桥特性 电桥的加减特性电桥的加减特性 电桥的温度补偿电桥的温度补偿 电桥的工作桥臂系数电桥的工作桥臂系数 机械工程测试技术46 交流电桥交流电桥 当四个桥臂为电容或电感时，必须采用交 流电桥。 机械工程测试技术47 电桥的平衡装置电桥的平衡装置 电容平衡装置电容平衡装置电阻平衡装置电阻平衡装置 机械工程测试技术48 常用应力测量的布片和组桥方式常用应力测量的布

25、片和组桥方式: : 机械工程测试技术49 思考题思考题 测量电桥包括哪几种？测量电桥包括哪几种？ 什么是测量的温度补偿？什么是测量的温度补偿？ 机械工程测试技术50 第五章第五章 Resistance Strain Gauge 机械工程测试技术51 利用电阻应变片作利用电阻应变片作 为传感元件来测量应为传感元件来测量应 变的专用电子仪器称变的专用电子仪器称 为电阻应变仪。为电阻应变仪。 Resistance Strain Meter 机械工程测试技术52 （按频率分类）（按频率分类） 静态静态电阻应变仪电阻应变仪 静静动动态态电阻应变仪（电阻应变仪（0200Hz） 动态电阻应变仪（动态电阻应变

26、仪（01500Hz） 超动态电阻应变仪（几十千赫兹）超动态电阻应变仪（几十千赫兹） 电阻应变仪电阻应变仪分类分类 机械工程测试技术53 电桥电桥 放大器放大器 相敏相敏 检波器检波器 振荡器振荡器 稳压稳压 电源电源 低通低通 滤波器滤波器 组成组成 机械工程测试技术54 包括包括信号的信号的调制调制，放大放大和和解调解调 三个过程。既低频的应变信号通过电桥三个过程。既低频的应变信号通过电桥 转换成频率高的交流信号，然后送到放转换成频率高的交流信号，然后送到放 大器进行放大，最后把放大后的交流信大器进行放大，最后把放大后的交流信 号输入至号输入至相敏检波器相敏检波器，并经，并经滤波器滤波器输输

27、 出已放大的原输入信号。出已放大的原输入信号。 工作原理工作原理 机械工程测试技术55 放 大 器 相 敏 检 波 器 滤 波 器 振荡器 稳压 电源 电桥 记录器 u0 动态电阻应变仪的原理动态电阻应变仪的原理 机械工程测试技术56 =msint正弦波正弦波 振荡器提供高频载波电压振荡器提供高频载波电压u0 微弱调幅波信号微弱调幅波信号uu 放大后的放大后的调幅波信号调幅波信号 经相敏检波后的信号经相敏检波后的信号 通过低通滤波器的信号通过低通滤波器的信号 应变仪工作原理信号波形图应变仪工作原理信号波形图 机械工程测试技术57 是指控制高频振荡的某个参数，使是指控制高频振荡的某个参数，使 它

28、随被测信号有规律的变化，以实现信它随被测信号有规律的变化，以实现信 号的放大与传输。号的放大与传输。 调频调频 调幅调幅 调相调相 调制调制 电阻应变仪的调制电阻应变仪的调制 机械工程测试技术58 将一个将一个高频高频 的正弦信号的正弦信号与被与被 测信号相乘，使测信号相乘，使 高频高频信号信号的幅值的幅值 随着被测信号的随着被测信号的 变化而变化而变化，输变化，输 入信号就存在于入信号就存在于 调幅波的包络线调幅波的包络线 之中。之中。 调幅原理 机械工程测试技术59 无应变：无应变： =0 静态拉应变静态拉应变:u=K:u=KUmsint/4 静态压应变静态压应变:u=K:u=KUmsin

29、（t+）/4 动态应变动态应变: u= sin: u= sint（K KmUmsint）/4 静态叠加动态应：静态叠加动态应： u=sinu=sintKKum （msint）/4 各种应变条件下的调制情况各种应变条件下的调制情况 机械工程测试技术60 测量各种应变时测量各种应变时 电桥输出的调幅波形电桥输出的调幅波形 机械工程测试技术61 利用利用环形相敏检波器环形相敏检波器对调幅幅波进行鉴别，对调幅幅波进行鉴别， 以便恢复被测试件的输入信号。以便恢复被测试件的输入信号。 电阻应变仪的解调 机械工程测试技术62 电阻应变仪由哪几部分组成？电阻应变仪由哪几部分组成？ 简述电阻应变仪由哪几部分组成

30、？简述电阻应变仪由哪几部分组成？ 思考题思考题 机械工程测试技术63 第六章第六章 Recording Meter 机械工程测试技术64 光线示波器光线示波器 光线示波器的工作原理光线示波器的工作原理 光线示波器的结构光线示波器的结构 光线示波器的使用要点光线示波器的使用要点 机械工程测试技术65 函数记录器函数记录器 函数记录器的特点函数记录器的特点 函数记录器函数记录器 机械工程测试技术66 滑线变阻器滑线变阻器W1W1由滑动触头由滑动触头B B将电阻分为两将电阻分为两 部分，并接成直流电桥的相邻两臂。部分，并接成直流电桥的相邻两臂。U0U0为电为电 桥的供桥电压，电桥的输出端接入电表及光

31、桥的供桥电压，电桥的输出端接入电表及光 线示波器的振子。线示波器的振子。 这种测量方法，由于工作方法伴随着接这种测量方法，由于工作方法伴随着接 触摩擦，会引起发热、磨损及接触不良，尤触摩擦，会引起发热、磨损及接触不良，尤 其是冲击或振动的环境下，更易引其是冲击或振动的环境下，更易引 起接触不起接触不 良。但是，由于这种测量方法简单，测量装良。但是，由于这种测量方法简单，测量装 置轻便并容易制作，若参数选择恰当，还可置轻便并容易制作，若参数选择恰当，还可 获得较好的线性度。获得较好的线性度。 采用滑线变阻器测量位移采用滑线变阻器测量位移 机械工程测试技术67 运动参数的测量运动参数的测量 采用滑

32、线变阻器测量位移采用滑线变阻器测量位移 电阻应变式传感器测量位移电阻应变式传感器测量位移 电容式传感器测量位移电容式传感器测量位移 机械工程测试技术68 光线示波器的工作原理光线示波器的工作原理 动画演示动画演示 光线示波器的工作原理是利用光线来显示记录波形的仪器光线示波器的工作原理是利用光线来显示记录波形的仪器 ， 工作原理如图：工作原理如图： 机械工程测试技术69 机械工程测试技术70 由光源射出的光线通过聚光透镜的会聚，经光栅射由光源射出的光线通过聚光透镜的会聚，经光栅射 到阵动子镜片上，在经振动子镜片的反射，通过聚光透到阵动子镜片上，在经振动子镜片的反射，通过聚光透 镜的会聚，在记录纸

33、上形成一个点像。镜片固定在垂直镜的会聚，在记录纸上形成一个点像。镜片固定在垂直 方向被拉紧的张丝上，张丝和线圈固定在一起，线圈放方向被拉紧的张丝上，张丝和线圈固定在一起，线圈放 在恒磁场中。当被测信号电流通入线圈时，在电磁感应在恒磁场中。当被测信号电流通入线圈时，在电磁感应 的作用下线圈产生偏转，即镜片产生偏转，便在记录纸的作用下线圈产生偏转，即镜片产生偏转，便在记录纸 上形成一条亮线。记录纸由传动装置按需要的速度往前上形成一条亮线。记录纸由传动装置按需要的速度往前 移动，于是使光点在记录纸上形成一条与输入信号相应移动，于是使光点在记录纸上形成一条与输入信号相应 的且在随时间变化的波形曲线。记

34、录纸用感光材料制成，的且在随时间变化的波形曲线。记录纸用感光材料制成， 经二次经二次嚗嚗光或显影、定影即可得到记录波形光或显影、定影即可得到记录波形 返回返回 工作原理工作原理 机械工程测试技术71 光线示波器的结构光线示波器的结构 n光学系统光学系统 n记录纸传动系统记录纸传动系统 n时间指示系统时间指示系统 n其它部分其它部分 机械工程测试技术72 光学系统光学系统 光学系统由聚光透镜光学系统由聚光透镜L L、反射镜、反射镜M M及光栅及光栅D D组成，它包组成，它包 括被测信号的记录光路括被测信号的记录光路 （振子光路）、分格光路和时标光路。（振子光路）、分格光路和时标光路。 机械工程测

35、试技术73 光线示波器的使用要点光线示波器的使用要点 n 振动子的选择及使用振动子的选择及使用 选择振动子是使用光线示波器中很重要的一个问选择振动子是使用光线示波器中很重要的一个问 题，示波器记录误差与选用振动子是否合理有密题，示波器记录误差与选用振动子是否合理有密 切关系。切关系。 n 频率的选择频率的选择 根据初步估计的被测信号的频率选择振动子时，根据初步估计的被测信号的频率选择振动子时， 应使振动子的工作频率大于被测信号频率。为了应使振动子的工作频率大于被测信号频率。为了 使记录波形不失真地反映被测信号的变化，应保使记录波形不失真地反映被测信号的变化，应保 证，为被测信号频率，为振动子的

36、固有频率。对证，为被测信号频率，为振动子的固有频率。对 于周期性的矩形波，其高次谐波的振幅，到第于周期性的矩形波，其高次谐波的振幅，到第5151 次谐波时就只有基波的次谐波时就只有基波的2%2%了，故必须考虑到了，故必须考虑到5151倍倍 的基波频率。的基波频率。 机械工程测试技术74 对于三角波和梯形波，由于其高次谐波的振幅与谐波次数的平对于三角波和梯形波，由于其高次谐波的振幅与谐波次数的平 方成反比的减小，到第方成反比的减小，到第7 7次谐波的振幅就只有基波的次谐波的振幅就只有基波的2%2%了，故了，故 A必须考虑到必须考虑到7 7倍的基波频率倍的基波频率 对于没有很徒前沿的被测信号，一般

37、以对于没有很徒前沿的被测信号，一般以1010倍基波频率选择振动倍基波频率选择振动 子固有频率的依据。子固有频率的依据。 B B 灵敏度的选择灵敏度的选择 由于振动子灵敏度与其固有频率的平方成反比，因此要兼顾灵由于振动子灵敏度与其固有频率的平方成反比，因此要兼顾灵 敏度和频率两个方面来加以选择。敏度和频率两个方面来加以选择。 C C 被测信号的电流要小于振动子最大允许电流被测信号的电流要小于振动子最大允许电流 D D 应保证振动子在线性工作最大允许范围内工作，且幅值大小应保证振动子在线性工作最大允许范围内工作，且幅值大小 要合适。要合适。 E E 振动子的内阻必须与应变仪输出阻抗相配振动子的内阻

38、必须与应变仪输出阻抗相配 当使用电磁阻尼振动子时，为了保证振动子阻尼度在当使用电磁阻尼振动子时，为了保证振动子阻尼度在0.6-0.8 0.6-0.8 范围，需考虑振动子对外电阻的要求。范围，需考虑振动子对外电阻的要求。 机械工程测试技术75 函数记录器函数记录器 函数记录器能记录两个被测量之间的函数关系。函数记录器能记录两个被测量之间的函数关系。 X-YX-Y函数记录器是一种通用的函数记录仪器，可以同时函数记录器是一种通用的函数记录仪器，可以同时 输入两个具有函数关系的变量信号。记录时记录纸不动，输入两个具有函数关系的变量信号。记录时记录纸不动， 记录笔按函数关系沿直角坐标系的记录笔按函数关系

39、沿直角坐标系的X X轴和轴和Y Y轴运动，在记录轴运动，在记录 纸上可描绘出两变量间的函数关系曲线纸上可描绘出两变量间的函数关系曲线Y=f(X).Y=f(X).被测量信号被测量信号 输入至量限变换装置进行衰减，以适应不同的信号和量程输入至量限变换装置进行衰减，以适应不同的信号和量程 范围。衰减后的信号送入测量电路，该被测信号电压与平范围。衰减后的信号送入测量电路，该被测信号电压与平 衡电位计的电压相比较，如果二者不相等，则产生电压差衡电位计的电压相比较，如果二者不相等，则产生电压差u.u. 由于差值电压很微小，需送入调制放大器进行放大，经解由于差值电压很微小，需送入调制放大器进行放大，经解 调

40、、滤波成直流信号，并进行功率放大。将放大后的信号调、滤波成直流信号，并进行功率放大。将放大后的信号 输入给直流伺服电机，电机转动时，通过传动机构带动记输入给直流伺服电机，电机转动时，通过传动机构带动记 录笔运动，进行记录，另一方面电机也带动平衡电位计的录笔运动，进行记录，另一方面电机也带动平衡电位计的 触点运动，改变平衡计的电压，使差值电压触点运动，改变平衡计的电压，使差值电压u u逐渐减小，直逐渐减小，直 到零时，伺服电机停止转动。到零时，伺服电机停止转动。 机械工程测试技术76 函数记录器的特点函数记录器的特点 nX-YX-Y函数记录器有工作频率较低、灵敏度函数记录器有工作频率较低、灵敏度

41、 高，被测的信号电压范围大，且具有输入高，被测的信号电压范围大，且具有输入 阻抗高、驱动力大、可进行大幅值记录、阻抗高、驱动力大、可进行大幅值记录、 能直接描绘函数等特点。能直接描绘函数等特点。 n函数记录器可以记录两个变量间的函数关函数记录器可以记录两个变量间的函数关 系曲线系曲线Y=fY=f（X X）, ,多笔式的函数记录器还可多笔式的函数记录器还可 以同时记录几个因变量对同一自变量的函以同时记录几个因变量对同一自变量的函 数关系曲线，即数关系曲线，即Y1=f(x)Y1=f(x)、Y2=f(X)Y2=f(X)、 Y3=f(X),Y3=f(X),有利于相互对比和分析。有利于相互对比和分析。

42、机械工程测试技术77 第七章第七章 Measurement of Stress in Machine Members 机械工程测试技术78 应力应力(stress) 应力应力是重要的机械量，是重要的机械量，应力状况应力状况可由可由 某点主应力的大小和方向来表示。某点主应力的大小和方向来表示。 测量应力测量应力可以分析研究零件、机构的受载情可以分析研究零件、机构的受载情 况、负荷水平和强度能力，验证设计计算结果况、负荷水平和强度能力，验证设计计算结果 的正确性。的正确性。 应力测试任务应力测试任务是正确确定零件主应力的是正确确定零件主应力的 大小、方向及分布规律。大小、方向及分布规律。 应力测试

43、方法应力测试方法采用电阻应变测量法。采用电阻应变测量法。 机械工程测试技术79 主应力方向已知时的应力测量主应力方向已知时的应力测量 为测量为测量简单应力状态下的主应力方向已简单应力状态下的主应力方向已 知的知的单向应力，可采用沿主应力方向粘贴电单向应力，可采用沿主应力方向粘贴电 阻应变片的方法。阻应变片的方法。 测量前，要求电桥处于平衡状态，无输出。测量前，要求电桥处于平衡状态，无输出。 测量时，电桥应愈不平衡愈好，这样可获得测量时，电桥应愈不平衡愈好，这样可获得 最大的输出信号。组桥的同时，还需考虑电最大的输出信号。组桥的同时，还需考虑电 桥的桥的温度补偿温度补偿。 43210 4 1 k

44、u u 机械工程测试技术80 纯弯曲应力的测量纯弯曲应力的测量 若被测量零件的横截面对中若被测量零件的横截面对中 性轴是对称的，则零件上下面性轴是对称的，则零件上下面 的最大拉、压应力相等，电阻的最大拉、压应力相等，电阻 应变片可粘贴在零件的上下两应变片可粘贴在零件的上下两 个侧面，其布片，组桥的方式个侧面，其布片，组桥的方式 有单臂桥、半桥和全桥三种。有单臂桥、半桥和全桥三种。 机械工程测试技术81 思考题思考题 测试应力采用什么方测试应力采用什么方 法？法？ 什么是主应力方向已知时什么是主应力方向已知时 的应力测量？的应力测量？ 机械工程测试技术82 第八章第八章 Measurement

45、of Force Parameters 机械工程测试技术83 机械设备的基本参数是机械设备的基本参数是力力、扭矩扭矩等。等。 轧制力的测量轧制力的测量 金属在轧制过程中，作用在轧辊上的金属在轧制过程中，作用在轧辊上的 压力即为轧制力，它是轧机的基本载荷参数压力即为轧制力，它是轧机的基本载荷参数 之一。之一。 轧制力的测量方法轧制力的测量方法 应力测量法应力测量法 传感器测量法传感器测量法 机械工程测试技术84 应力测量法应力测量法 在轧机机座中，凡直接受轧制力的零件，在轧机机座中，凡直接受轧制力的零件， 都产生与轧制力相对应的弹性变形，通过这些都产生与轧制力相对应的弹性变形，通过这些 零件的弹

46、性变形，可间接测量出轧制力。轧制零件的弹性变形，可间接测量出轧制力。轧制 时，机架的立柱产生弹性变形，其大小与轧制时，机架的立柱产生弹性变形，其大小与轧制 力成正比。力成正比。 为了测的拉应力，为了测的拉应力， 必须把电阻应变片粘必须把电阻应变片粘 贴在立柱的中性面贴在立柱的中性面0-00-0 上，这样可消除弯曲上，这样可消除弯曲 应力。应力。 机架立柱上的布片及组成全桥的方式机架立柱上的布片及组成全桥的方式 防止应变片的机械防止应变片的机械 损坏及油、水、蒸汽损坏及油、水、蒸汽 等介值质侵蚀，应变等介值质侵蚀，应变 片应妥善保护。片应妥善保护。 机械工程测试技术85 传感器法测量传感器法测量

47、 轧制力测量中，直接承受轧制力的测力传轧制力测量中，直接承受轧制力的测力传 感器被广泛应用。它与应变法相比，传感器的感器被广泛应用。它与应变法相比，传感器的 应力水平要高应力水平要高10-2010-20倍，精度及稳定性均优。倍，精度及稳定性均优。 轧机测力传感器应安装在工作机座两侧轧轧机测力传感器应安装在工作机座两侧轧 辊轴承垂直载荷的传力线上，通过测量两侧的辊轴承垂直载荷的传力线上，通过测量两侧的 轧制分力即可得到总轧制力。轧机测力传感器轧制分力即可得到总轧制力。轧机测力传感器 有电感式、电容式、压磁式、和电阻应变片式有电感式、电容式、压磁式、和电阻应变片式 等类型。轧机测力传感器，简称压头

48、。电阻应等类型。轧机测力传感器，简称压头。电阻应 变片的布片和组桥方案，应具有消除偏载、弯变片的布片和组桥方案，应具有消除偏载、弯 矩、扭转、温度等干扰的特点。矩、扭转、温度等干扰的特点。 机械工程测试技术86 常用的电阻应变式轧机测力传感常用的电阻应变式轧机测力传感 器有压缩式和剪切式两种。器有压缩式和剪切式两种。 压缩式传感器压缩式传感器 传感器由弹性元件、传感器由弹性元件、 上盖及底盘组成，安装在上盖及底盘组成，安装在 压下螺丝和上辊轴承座之压下螺丝和上辊轴承座之 间。间。 为保证良好的输出特性为保证良好的输出特性 和防止非测信号的干扰，和防止非测信号的干扰， 轧机轧机 测力传感器的弹性

49、测力传感器的弹性 元件应具有较大的径向尺元件应具有较大的径向尺 寸及较小的高度。寸及较小的高度。 机械工程测试技术87 扭矩的测量：由扭矩应变来测量扭矩扭矩的测量：由扭矩应变来测量扭矩 机械工程测试技术88 其它扭矩测量方法：其它扭矩测量方法： 机械工程测试技术89 机械工程测试技术90 流体压力的测量 流体压力是指气体或液体作用于单位面流体压力是指气体或液体作用于单位面 积上的平均法向压力，也称压强。积上的平均法向压力，也称压强。 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 膜板式和圆筒式膜板式和圆筒式 其原理是利用粘贴应变片的膜板或圆筒其原理是利用粘贴应变片的膜板或圆筒 壁直接承受流体压力，

50、通过所产生的应变来壁直接承受流体压力，通过所产生的应变来 测量其压力。测量其压力。 机械工程测试技术91 膜板式压力传感器膜板式压力传感器 结构组成结构组成 外壳外壳 应变花应变花 压紧螺丝压紧螺丝 膜板膜板 机械工程测试技术92 圆筒式压力传感器圆筒式压力传感器 是一个薄壁筒，在它的外表面上，沿圆周是一个薄壁筒，在它的外表面上，沿圆周 方向上粘贴应变片（工作片）。薄壁筒的顶端方向上粘贴应变片（工作片）。薄壁筒的顶端 （实心圆柱部分）无变形，故在其外表面上，（实心圆柱部分）无变形，故在其外表面上， 粘贴补偿片，它和工作片一起组成单臂工作电粘贴补偿片，它和工作片一起组成单臂工作电 桥。桥。 机械

51、工程测试技术93 流体压力传感器可流体压力传感器可 以用活塞式压力器或压以用活塞式压力器或压 力校验泵进行标定力校验泵进行标定 液体压力传感器的标定液体压力传感器的标定 机械工程测试技术94 某些传动件或正在加工的丝、杆、带某些传动件或正在加工的丝、杆、带 等工件，属于承受张力的挠性件。测量挠等工件，属于承受张力的挠性件。测量挠 性件张力所采用的测力传感器，是以电阻性件张力所采用的测力传感器，是以电阻 应变式、压磁式和电感式为多。而测量方应变式、压磁式和电感式为多。而测量方 法上的基本特点，则主要体现在传感器的法上的基本特点，则主要体现在传感器的 安装位置及传力方式上。安装位置及传力方式上。

52、挠性件张力的测量挠性件张力的测量 机械工程测试技术95 由于工作中的挠性件大多是运动的，且往由于工作中的挠性件大多是运动的，且往 往还要与辊、轮等零件接触，尤其是对于在加往还要与辊、轮等零件接触，尤其是对于在加 工的挠性工件，如轧制过程中带材张力的测量，工的挠性工件，如轧制过程中带材张力的测量， 很难直接在挠性件上设置测力传感器，在实践很难直接在挠性件上设置测力传感器，在实践 中大多把测力传感器安装在被挠性件所包围的中大多把测力传感器安装在被挠性件所包围的 辊、轮等零件的固定支承中进行间接测量。辊、轮等零件的固定支承中进行间接测量。 轧制过程中带材张力的测量轧制过程中带材张力的测量 机械工程测

53、试技术96 思考题思考题 弹性压力敏感元件有哪些类型？弹性压力敏感元件有哪些类型？ 其敏感压力的原理是什么？其敏感压力的原理是什么？ 压力传感器的标定应注意什么压力传感器的标定应注意什么？ 机械工程测试技术97 Dynamic Parameter measurement 第九章第九章 机械工程测试技术98 电阻式传感器测量位移电阻式传感器测量位移 变阻器式传感器测量位移变阻器式传感器测量位移 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移 可变磁阻式传感器测量位移可变磁阻式传感器测量位移 电容式传感器电容式传感器测量位移测量位移 转速的测量转速的测量 转速转速测量方法测量方法 光电脉冲法测量转速光电

54、脉冲法测量转速 电感传感器法测量转速电感传感器法测量转速 位移的测量位移的测量 本章内容本章内容 机械工程测试技术99 位移测量时，应根据不同的位移测量时，应根据不同的 测量对象选择恰当的测量对象选择恰当的测量点测量点、测测 量方向量方向和和测量系统测量系统。 Displace measurement 第一节第一节 位移的测量位移的测量 机械工程测试技术100 种类：种类：变阻器式变阻器式( (电位器式电位器式) ) 电阻应变式电阻应变式 固态压阻式传感器固态压阻式传感器 基本原理基本原理：是将被测物理量的变是将被测物理量的变 化转换成电阻值的变化化转换成电阻值的变化, ,再经相应再经相应 的

55、测量电路的测量电路, ,显示或记录被测量值显示或记录被测量值 的变化。的变化。 Resistance sensor 电阻式传感器电阻式传感器 机械工程测试技术101 工作原理工作原理：通过改变电路中电阻值的大小，通过改变电路中电阻值的大小， 将物体的位移转换为电阻的变化。常用电位器式将物体的位移转换为电阻的变化。常用电位器式 传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。 变阻器式传感器变阻器式传感器（电位器式传感器）（电位器式传感器） 机械工程测试技术102 测量位移、测量位移、压力压力、速度等参量、速度等参量。 适用范围：适用范围： 机械工程测试技术1

56、03 工作原理：工作原理：基于基于电磁感应电磁感应原理。它是把原理。它是把 被测量转化为电感量变化的一种装置。被测量转化为电感量变化的一种装置。 种类：种类：自感自感式（包括可变磁阻式与式（包括可变磁阻式与涡流涡流式）式） 互感互感式（差动变压器式）式（差动变压器式） 电感式传感器电感式传感器 机械工程测试技术104 组成：组成：线圈线圈、铁芯及、铁芯及衔铁衔铁 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 机械工程测试技术105 可变导磁面积型、可变导磁面积型、 差动型、差动型、 单螺管线圈型、单螺管线圈型、 双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型。 可变磁阻式传感器的典型结构可变磁阻式传感器的典型结构 机

57、械工程测试技术106 当被测物体作为一个当被测物体作为一个电极电极，有微小的振动位，有微小的振动位 移量时，则就使被测物体与传感器电极间的移量时，则就使被测物体与传感器电极间的极距极距 产生变化，从而形成产生变化，从而形成电容量电容量的变化，实现位移的的变化，实现位移的 测量。测量。 电容式传感器电容式传感器 capacitive sensor 机械工程测试技术107 电容式传感器的结构较简单，能实现电容式传感器的结构较简单，能实现 非接触式测量，对所测量物体不施加负载，非接触式测量，对所测量物体不施加负载， 且灵敏度高，分辨力好，能检测且灵敏度高，分辨力好，能检测0.01um0.01um甚甚

58、 至更小的位移，动态响应性能好。当被测至更小的位移，动态响应性能好。当被测 物体（作为一个位移）有微小的振动位移物体（作为一个位移）有微小的振动位移 量时，则就使被测物体与传感器电极量时，则就使被测物体与传感器电极9 9之间之间 的极距产生变化，从而形成电容量的变化，的极距产生变化，从而形成电容量的变化， 实现位移的测量。实现位移的测量。 电容式传感器测量位移电容式传感器测量位移 机械工程测试技术108 电阻应变式传感器测量位移电阻应变式传感器测量位移 原理是在弹性元件上粘贴电阻原理是在弹性元件上粘贴电阻 应变片，当弹性元件受力作用时，应变片，当弹性元件受力作用时， 产生弹性变行，此时应变片的

59、阻值产生弹性变行，此时应变片的阻值 也随之发生变化。通过电桥及测量也随之发生变化。通过电桥及测量 仪器，即可实现位移的测量。最常仪器，即可实现位移的测量。最常 用的是梁式弹性元件。用的是梁式弹性元件。 机械工程测试技术109 位移传感器、测量电路、位移传感器、测量电路、记录仪器记录仪器 测量系统的组成测量系统的组成 机械工程测试技术110 Rotational Speed Measurement 在电测中，转速的测量方法大在电测中，转速的测量方法大 致可以分为以转速为测量对象的致可以分为以转速为测量对象的 直接测量直接测量和以与转速有关的某一和以与转速有关的某一 物理量为对象的物理量为对象的间

60、接测量间接测量两大类。两大类。 第二节第二节 转速的测量转速的测量 机械工程测试技术111 机械转速表机械转速表用测速发电机测量转速用测速发电机测量转速 转速测量方法转速测量方法 机械工程测试技术112 光电传感器光电传感器 optical sensor 是一种将是一种将被测物理量被测物理量变化转换为变化转换为光量光量 的变化，再通过光电器件转化为的变化，再通过光电器件转化为电量电量的装的装 置置。 光电光电 器件器件 光光 源源 光学光学 元件元件 结构组成结构组成 光电脉冲法测量转速光电脉冲法测量转速 机械工程测试技术113 旋转轴上安旋转轴上安 装一装一多孔圆盘即黑多孔圆盘即黑 白光栅白