测试与传感技术 测试技术在工程中的应用

1、主要内容主要内容7.1 7.1 振动测试振动测试7.2 7.2 温度测试温度测试7.3 7.3 噪声测试噪声测试7.4 7.4 测量系统的选择与调试测量系统的选择与调试小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 7.1 振动测试振动测试振动研究所涉及的问题振动研究所涉及的问题 振动分析振动分析 已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应 系统识别系统识别 已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性 环境预测环境预测 已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统

2、的激励状态 机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图 机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为：机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为：相对测量法：测量参考点为系统中的某固定点或运动点相对测量法：测量参考点为系统中的某固定点或运动点绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点，该点相对于地球是静绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点，该点相对于地球是静止不动的。止不动的。电测法电测法机械测量法机械测量法光测法光测法按照测量时选择参考点的不同，可分为：按照测量时选择参考点的不同，可分为：按照振动产生的原因按照振动产生的原因 自由振动自由振动受迫振动受迫振动 自激振动自激振动振

3、动频率和固有频率之间的关系为振动频率和固有频率之间的关系为 nd21其中，其中，n为系统的固有频率，为系统的固有频率，为阻尼率为阻尼率 系统的振动频率为激振频率系统的振动频率为激振频率 振动频率接近于系统的固有频率。振动频率接近于系统的固有频率。 1 振动的分类振动的分类 按系统的输出分按系统的输出分 简谐振动简谐振动周期振动周期振动瞬态振动瞬态振动 随机振动随机振动 按系统自由度分按系统自由度分 单自由度系统振动单自由度系统振动 多自由度系统振动多自由度系统振动 连续弹性体振动连续弹性体振动 按系统结构参数的特性分按系统结构参数的特性分 线性振动线性振动 非线性振动非线性振动 力作用在质量块

4、上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统质量质量m在外力的作用下的运动方程为在外力的作用下的运动方程为 )(22tfkzdtdzcdtzdm式中，式中，c为粘性阻尼系数，为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度。为弹簧刚度。(t)为系统的激振力，即系统的输入，为系统的激振力，即系统的输入，z(t)为系统的输出。为系统的输出。 拉氏变换拉氏变换 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 传递函数为传递函数为 kcsmssfszsH21)()()(2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 kcsmssfszsH21)()()(令令s=j，则，则 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质

5、量块上的单自由度系统122/11)(1)()()(222kmkmcjkmkkjcmkcjjmjfjzjH)/(2)/(1111211222nnnnjkjkmkn/kmc2系统的固有频率系统的固有频率 系统的阻尼率系统的阻尼率 2222)/(4)/(111)(nnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 mkn/kmc2在在幅频曲线幅频曲线上幅值最大处的频率称为上幅值最大处的频率称为位移位移共振频率共振频率 221nr随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动； 当无阻尼时，位移共振频率当无阻尼时，位移共振频率r即为固有频率即为固

6、有频率n 当系统的阻尼当系统的阻尼很小时，位移共振频率很小时，位移共振频率r接近系统的固有频率接近系统的固有频率n，可用作为的估计，可用作为的估计值。值。 幅频曲线幅频曲线 不管系统的阻尼率为多少，在不管系统的阻尼率为多少，在/r=1时位移始终落后于激振力时位移始终落后于激振力90，此，此现象称为现象称为相位共振相位共振。 相频曲线相频曲线 利用相频特性来确定固有频率比较准确利用相频特性来确定固有频率比较准确 幅频曲线幅频曲线 由基础运动所引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动 单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统单自由度

7、系统的基础振动单自由度系统的基础振动 设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为Z1，质量，质量m的绝对位移为的绝对位移为Z0，则系统的振动可用方程式表示为：则系统的振动可用方程式表示为： 21201012012dtZdmkZdtdZcdtZdm拉氏变换并，令拉氏变换并，令s=j 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj得系统的幅频特性和相频特性得系统的幅频特性和相频特性 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 瞬态激振瞬态激振 快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振 脉冲激

8、振脉冲激振 阶跃激振阶跃激振 采用周期为采用周期为T的频率线性变化的正弦信号进行激励的频率线性变化的正弦信号进行激励(t+T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0tT) 式中，式中，a=(max-min)/T，b=min (8-21) 用一般装有力传感器的锤子敲击试件，使试件受到脉冲力的用一般装有力传感器的锤子敲击试件，使试件受到脉冲力的作用而引起的激振。作用而引起的激振。 快速正弦扫描信号及其频谱快速正弦扫描信号及其频谱 稳态正弦激振稳态正弦激振 施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，(t)=F0sint。 随机激振随机激振优点：设备通用，可靠性较高

9、优点：设备通用，可靠性较高 缺点：需要较长的测定时间缺点：需要较长的测定时间 一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态特性特性 用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振 Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf) 该方法具有快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵该方法具有快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵. 带宽激振法带宽激振法 3 激振的方式激振的方式 包

10、括振动台和激振器包括振动台和激振器 满足条件：满足条件：在一定的频率范围内提供波形良好、幅值足够的稳定交变力在一定的频率范围内提供波形良好、幅值足够的稳定交变力 某些情况下需要施加稳定力，使结构受到一定的预加载荷某些情况下需要施加稳定力，使结构受到一定的预加载荷 电动式激振器电动式激振器当激振器的可动系统质量很小，弹性系数极低时，弹性力和当激振器的可动系统质量很小，弹性系数极低时，弹性力和惯性力可忽略，认为电动力等于激振力惯性力可忽略，认为电动力等于激振力 激振器通过顶杆传递给被测对象的激振力为电动力和可激振器通过顶杆传递给被测对象的激振力为电动力和可动系统的惯性力、弹性力、阻尼力之差，还是频

11、率的函动系统的惯性力、弹性力、阻尼力之差，还是频率的函数。数。 4 激振器激振器 电磁式激振器电磁式激振器 当直流激励线圈电流为当直流激励线圈电流为I0，交，交流激励线圈电流为流激励线圈电流为I1，铁芯内产，铁芯内产生的磁感应强度为生的磁感应强度为 B=B0+B1cost 式中，式中，B0为为I0产生产生的不变的磁感应强度；的不变的磁感应强度；B1为为I1产生的交变磁感产生的交变磁感应强度的峰值应强度的峰值. 铁芯对被测对象产生的电磁吸力为铁芯对被测对象产生的电磁吸力为 022ABF 式中，式中，A为铁芯的截面积，为铁芯的截面积，0为真空的导磁率为真空的导磁率 电磁激振器电磁激振器 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 二次谐波分量与一次谐波分量的幅值比：二次谐波分量与一次谐波分量的幅值比： B1/4B0 当当B0 B1时，二次分量可忽略，此时时，二次分量可忽略，此时 tABBABBFcos2)2(01002120这样，产生的交变力波形和磁感应强度波形基本相同这样，产生的交变力波形和磁感应强度波形基本相同 又称为又称为“拾振器拾振器” 根据振动测量的力学原理根据振动测量的力学原理 惯性式（绝对式）拾振器惯性式（绝对式）拾振器相对式拾振器相对式拾振器 按照测量时拾振器是否和被测件接触按照测量时拾振器是

13、否和被测件接触 接触式拾振器接触式拾振器 又可分为相对式和绝对式两种又可分为相对式和绝对式两种 非接触式拾振器非接触式拾振器 接触式相对拾振器又称为跟随式拾振器接触式相对拾振器又称为跟随式拾振器 5 测振传感器测振传感器(拾振器拾振器) 7.2 温度测试 一、温度、温标及常用测温方法一、温度、温标及常用测温方法 温度与温标温度与温标 温度是度量物体热平衡状态下冷热程度温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，它体现了物体内部微粒运动状的物理量，它体现了物体内部微粒运动状态的特征。态的特征。为了表示温度的数值，人们用统一的标尺来为了表示温度的数值，人们用统一的标尺来定量表示，那就是我们所说的温

14、标。定量表示，那就是我们所说的温标。摄氏温标摄氏温标 国际温标国际温标华氏温标华氏温标 规定纯水的冰点为规定纯水的冰点为3232度，度， 沸点为沸点为212212度，两点间等分为度，两点间等分为180180格，每小格格，每小格为华氏为华氏1 1度，记为度，记为1 1 。华氏温标、摄氏温标、国际温标三者间的变换公式变换公式为： 常用温度测量方法3、噪声测试 噪声测量的意义：噪声测量的意义： 噪声是由许多不同频率和强度的声音无规律地组合而成。 随着现代工业的发展，噪声污染已成为主要公害之一。控制噪声、保护环境已成为人们的共识。其中，噪声测量是重要的一环，具有举足轻重的地位。长期受强噪音刺激，将导致

15、听力损失，甚至引起心血管系统、神经系统及内分泌系统等方面疾病。噪声不仅危害人们的健康，并影响人们的生活、工作，是当今四大公害之一。因此，制定了环境噪声限制标准和测量标准意义重大。 噪声是振动能量在空气中的传播，是声波的一种，具有声波的一切特性 。 噪声的强弱采用声压级、声强级和声功率来评价。 工程中常对噪声做频谱分析，并以次寻找噪声源和设法控制噪声。噪声的度量声波是一种具有疏密变化的纵波。声压用 声压级声压级 表示，声强和声功率相应用 声强级声强级 和 声功声功率级率级 表示。它们的单位也是分贝（dB)。几种典型的 声强级声强级 和 声功率级声功率级 。声压级、声强级和声功率级的关系声压级、声

16、强级和声功率级的关系在噪声测量中，对于自由行波，可以认为当被测面积A等于A0时，则 A0取得基准声功率W0时的面积，即只要测出声压级，那么声功率和声强级可通过换算得到。声压级、声强级、声功率级都是无量纲的相对量，计算某点声压时，其合成声压级（或声强级）不能简单等于各个声源引起的声压级相加。 噪声的频谱噪声的频谱声音的高低主要与其频率有关，噪声的频谱可反映该噪声在不同频率范围内的分布情况。对噪声进行频谱分析时，通常采取多个较宽的频带来分析噪声的声级（声压级 、 声强级和声功率级），最常用的频带宽度是倍频程和1/3倍频程。 频谱分析对一个噪声源发出的声音，将它的声压级、声强级、 或者声功率级按频率

17、顺序展开，使噪声的强度成为频率的函数，并考查其形状。特殊脉冲性质的冲压机噪声分析用的简单装置典型的时间函数窄带频谱噪声的主观评价方法：噪声的主观评价方法：噪声与人的主观感觉之间的关系十分复杂，各国学者为此提出了许多主观评价标准。这里只介绍噪声的频率计权网络及声级。频率计权网络是为了模拟人耳对不同声压和频率声音有不同感觉而设置的。主要有A、B、C、D四条计权网络，其中最常用的是A计权网络。多数噪声经A计权网络滤波后，与人耳的感觉有较好的相关性。频率计权是在测试时将所测噪声信号经模拟滤波或数字滤波而实现的，经计权网络后测得的声压级称为声级，并按不同计权网络分别称为A声级（LA），B声级（LB），C

18、声级（LC）和D声级（LD），其单位也分别称为 dB(A)、dB(B)、dB(C)、dB(D)。经计权网络测得的声强级，声功率级也需特别注明，如A声强级，A声功率级等。目前，许多通用机械及城市环境的噪声等级多采用A声级来评定。 噪声测试常用的仪器噪声测试常用的仪器有传声器、声级计、磁带记录仪、校准器和谱分析仪。传声器传声器是噪声测试的传感器，通常用膜片将声波信号转换成电信号。()传声器的压力响应和自由场响应传声器的压力响应和自由场响应描述不同声场中传声器的特性通常用压力响应及自由场响应。 压力响应指传声器的膜片上受到均匀声压时，其输出与声压之比。 自由场响应指传声器在自由场中的输出与原（假设传声器不在时）声压值之比。 自由场指只有直达声而没有反射声的声场，实际指反射声与直达声相比可以忽略的声场。()电容式传感器电容式传感器声级计声级计在噪声测试中人们最常用的仪器就是声级计。它模拟了人耳对声波的反应特性，是一种主观性仪器。声级计集传声器、衰减放大、显示、计权网络、模拟或数字信号输出为一体。它体积小，既可以独立测量、读数，又可以将所测信号接入磁带记录仪、分析仪或外接滤波器的频谱分析系统，是