第5章参数检测技术.ppt

1、2020/10/14,1,参数检测技术,Parameter Detecting Technology,2020/10/14,2,参数检测技术,机械量检测技术 温度测量技术 振动测试技术,2020/10/14,3,机械量检测技术,Mechanical quantity measurement,2020/10/14,4,机械量检测技术,位移检测 速度、加速度检测 力、重量和质量的检测 转矩测量,2020/10/14,5,位移检测包括：直线位移检测和角位移检测两种。 常用的检测方法：积分法、相关测距法、回波法、线位移和角位移相互转换法、位移传感器法。 根据传感器输出信号： 模拟式位移传感器：电容式位

2、移检测、电感式位移检测 、差动变压器式位移检测、光纤位移检测。 数字式位移传感器：利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括光电码盘、感应同步器和光栅标尺、容栅标尺和磁栅标尺等多种方式。,位移检测,2020/10/14,6,模拟式位移检测 模拟式位移检测是指将位移量转换为模拟量的检测方法。常用的有滑线电阻式位移检测、电容式位移检测、电感式位移检测、差动变压器式位移检测和光纤位移检测等几种。 电感式位移计,位移检测,差动变压器位移计,2020/10/14,7,数字式位移检测 数字式位移检测是利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括

3、光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺和光电脉冲式位移传感器等多种方式。 光电脉冲式位移传感器,位移检测,2020/10/14,8,速度检测分为线速度检测和角速度检测。 常用的检测方法：微积分法、线速度和角速度相互转换测速法、速度传感器法、时间、位移计算测速法。 加速度检测是基于检测质量块敏感加速度产生惯性力的测量。,速度、加速度检测,2020/10/14,9,加速度传感器主要采用加速度传感器，并配用适当的检测电路。 磁电感应式速度测量,速度、加速度检测,电磁脉冲式转速计,微机电系统加速度计,2020/10/14,10,按照力产生的原因不同，可以把力分为重力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁力

4、等。 按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力两大类。静态力是指不变的力或变化很缓慢的力；动态力是指随时间变化显著的力，如冲击力、交变力或随机变化的力等。 力的测量方法 利用力的动力效应（将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度）和力的静力效应（使物体产生应力，发生变形），力的测量方法可归纳为力平衡法、测位移法和利用物理效应测力等。,力、重量和质量的检测,2020/10/14,11,力的测量方法 力平衡法 力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。,力、重量和质量的检测,机械式力平衡装置,磁电式力

5、平衡装置,液压和气压式测力系统,2020/10/14,12,力的测量方法 测位移法 在力作用下，弹性元件会产生变形。测位移法就是通过测量未知力所引起的位移（线位移或角位移），从而间接地测得未知力值。,力、重量和质量的检测,2020/10/14,13,力的测量方法 利用某些物理效应测力 物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应、压磁效应、压电效应等可以利用这些效应间接检测力值。,力、重量和质量的检测,电子皮带秤 电子皮带秤是一种能连续称量散装颗粒物料重量的装置，它不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重，而且还可以在某段时间内对输送的物料总重进行称重。,2020/10/14,14,

6、转矩可分为静态转矩和动态转矩。 静态转矩是指不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。 动态转矩是指随时间变化很大的转矩，包括振动转矩、过度转矩和随机转矩三种。 根据转矩的不同情况，可以采取不同的转矩测量方法。,转矩的测量,2020/10/14,15,转矩的测量方法 转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。 平衡力法及平衡力类转矩测量装置,转矩的测量,通过测量机体上的平衡力矩(实际上是测量力和力臂)来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。,平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件

7、到静止件的转矩传递问题。但它适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。,能量转换法 依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法就是对功率和转速进行测量的方法。,2020/10/14,16,转矩的测量方法 传递法,转矩的测量,传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。常用弹性元件为扭轴，故传递法又称为扭轴法。 传递法转矩测量 应变式转矩测量,压磁式转矩传感器,扭转角式转矩测量 光电式转矩传感器,相位差式转矩传感器,振弦式转矩传感器,2020/10/14,17,

8、温度测量技术,Temperature measurement technology,2020/10/14,18,温度测量技术,温标与标定 测温法分类及其特点 热阻式测温方法 热电式测温方法 集成温度传感器AD590 热辐射测温,2020/10/14,19,温度是反映物体的冷热程度的物理量。 温度的测量只能利用一些物质的某些物性(如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的同一尺度，即温标。 温标衡量温度的标尺。是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温

9、度起点。,温标与标定,2020/10/14,20,经验温标 根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。 华氏温标 德国人法勒海特(Fahrenheit)在1714年以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水混合物的温度作为温度计的零摄氏度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1”。按照华氏温标，水的冰点为32，沸点为212。 摄氏温标 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻

10、璃水银温度计进行分度，平均分成100等份，每一份为1摄氏度，记作1。 摄氏温度t和华氏温度T的关系为：,温标与标定,2020/10/14,21,经验温标,温标与标定,除华氏温标和摄氏温标外，还有一些类似经验温标，如列氏温标、兰氏温标等。经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限(如摄氏温标为0、100)，超过了这个温区，摄氏温标将不能进行温度标定。,热力学温标 1848年由开尔文(Kelvin)提出的以卡诺循环(Carnot Cycle)为基础建立的热力学温标，把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度(在实验中无法达到的理论温度，低于0K的温度不可能存在)与水的三相点温度分成

11、273.16份，每份为1K(Kelvin)。热力学温度的单位为“K”。 是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本量单位之一。,2020/10/14,22,温标与标定,绝对气体温标 从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标叫绝对气体温标。当气体的而体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数，即有：,这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系完全类似。因此若选用同一固定点(水的三相点)作参考点，两种温标在数值上就完全相同。 理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用真实气体来制作气体温度计。因此，直接用气体温度计来统一国际温标，不仅技术上难度很大，很复杂，而且操

12、作非常复杂，困难。于是，出现了协议性的国际实用温标。 国际实用温标和国际温标 经国际协议产生的国际实用温标的指导思想是要尽可能地接近热力学温标， 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS-90。为和IPTS-68温标相区别，用表示ITS-90温标。我国从1994年开始全面推行ITS-90新温标。,2020/10/14,23,温标与标定,标定 对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。 标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并利

13、用国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定。标定后的温度计可作为标准温度计使用。 标准表法是把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温、降温，重复测试，若这些差值稳定，即可把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，完成对被标定温度计的标定。,2020/10/14,24,测温法分类及其特点,按测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两大类。 接触式测温是基于热平衡原理，温度敏感元件与被

14、测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，当传热量为零，二者温度相等。 根据测温转换的原理，接触式测温可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。如水银温度计、热电偶温度计等。,非接触式测温时温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度，如辐射测温；或是利用敏感元件感受温度使其参数发生变化，通过非接触的场的耦合进行检测，如电涡流式测温。,2020/10/14,25,测温法分类及其特点,热膨胀式测温方法： 膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。 膨胀式温度计按膨胀基体可分为液体

15、膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。 玻璃温度计 玻璃温度计按使用方式又可分为全浸式和局浸式两大类。,压力温度计 压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下，其压力与温度呈确定函数关系的原理来实现测温功能。,2020/10/14,26,测温法分类及其特点,热膨胀式测温方法,双金属温度计 基于固体受热膨胀原理，通常是把两片线膨胀系数相对差异很大的金属片叠焊在一起，构成双金属感温元件。当温度变化时，因双金属片的两个不同材料的线膨胀系数相对差异很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直

16、线螺旋型两大类 。,2020/10/14,27,热阻式测温方法,热阻式测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。 常用的热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。 热电阻的结构 热电阻主要由感温元件（电阻体）、内引线、保护管三部分构成。,2020/10/14,28,热电阻的结构 热电阻元件的种类：,热电阻传感器的类型：普通型、铠装型、小型、薄膜型、防爆型等。,热电阻的引线形式 内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。 热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种。 二线制：,三线制：,四线制：

17、,热阻式测温方法,2020/10/14,29,热电阻的应用 热电阻以其测温范围广、灵敏度高、结构简单、成本低等优点在工业上得到广泛应用，用于工业温度参数的测控，以及可转换成温度测量的其他物理量的测量，如流体流量检测、气体成分分析等。 热敏电阻流量检测,热敏电阻气体成分分析,“电子干湿式”湿度传感器,热阻式测温方法,2020/10/14,30,热电式测温方法,热电偶测温是基于热电效应的原理。,热电偶的分类及特性 国际电工委员会（IEC）推荐的工业用标准热电偶为八种。其中分度号为S、R、B的三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，属于贵金属热电偶。分度号分别为K、N、T、E、J的五种热电偶，是由镍、铬、硅

18、、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，属贱金属热电偶。这八种标准热电偶的热电极材料、最大测温范围、适用气氛等可查阅有关ITS1990国际温标手册。 常用热电偶的热电特性均有分度表可查。温度与热电势之间的关系也可以用函数式来表示，称为参考函数。ITS1990给出了新的热电偶分度表和参考函数，它们是热电偶测温的依据。,2020/10/14,31,热电式测温方法,热电偶的结构 热电偶的基本结构：,热电偶的结构分为普通工业用热电偶和铠装热电偶两种。,2020/10/14,32,热电式测温方法,热电偶温度测量 补偿导线 在一定温度范围内，与配用热电偶的热电热性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。其作

19、用是将热电偶的参比端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方，以保证冷端温度恒定。 原理：,由连接导体定律可知：,可见，适当选取A、B、使得：,由中间温度定律，上式即为：,可见，通过连接补偿导线，可使中间温度的影响消除掉。,2020/10/14,33,热电式测温方法,热电偶温度测量 参比端处理 热电偶分度表都是以热电偶参比端为0条件下制作的。在实验室条件下可采取诸如在保温瓶内盛满冰水混合物(最好用蒸馏水及用蒸馏水制成的冰)。 在工业测温现场一般不能使参比端保持0，随着计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，智能化测温仪普遍采用以软件为主的补偿方式。,2020/10/14,34,集成温度传感器AD59

20、0,集成温度传感器是一种把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。 AD590是美国AD公司推出的集成化半导体温度传感器，是电流输出型集成温度传感器的代表产品。它利用晶体管PN结的正向压降随温度升高而降低的特性而制成，,基本应用电路,摄氏温度测量电路,温差测量电路及其应用,2020/10/14,35,热辐射测温,辐射式温度计利用受热物体的辐射能大小与温度的关系确定被测物体的温度，其主要优点是非接触式测温，具有很高的测温上限，响应快，输出信号大，灵敏度高；它的主要缺点是结构复杂，测量准确度不如接触式温度计高。 辐射测温系统的基本组成：光学系统、检测元件、转换电路和信

21、号处理电路。,2020/10/14,36,热辐射测温,辐射测温的常用方法： 亮度法：按照物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度。 全辐射法：按照物体全波长范围内的辐射亮度推算温度。 比色法：按照物体两个波长的光谱辐射亮度之比推算温度。 多色法：按照物体多个波长的光谱辐射亮度或物体发射率随波长变化的规律来推算温度。 辐射式温度计有全辐射高温计、光学高温计、光电高温计、比色高温计和红外辐射辐射测温仪等。,2020/10/14,37,热辐射测温,辐射测温仪表的表观温度 辐射测温仪表均以黑体炉作基准进行标定和刻度的，实际测量时要修正。 表观温度：指在仪表工作波长范围内，温度为T的辐射体的辐射情况与温

22、度为TL的绝对黑体的辐射情况相等，则TL就是该辐射体的表观温度。与测温仪表相对应的表观温度有：亮度温度、辐射温度和比色温度。,亮度温度：,辐射温度：,比色温度：,2020/10/14,38,热辐射测温,全辐射高温计 基本原理：斯特潘-波尔兹曼定律，也称为全辐射定律，它是全辐射高温计测温的理论基础。,由式可知，当知道黑体的全辐射强度后，就可以知道温度。全辐射高温计是以黑体的辐射能力与温度的关系进行刻度的。但在实际中，被测物体并非黑体，而是被称为灰体，对于灰体的全辐射强度与温度的关系为：,用全辐射高温计测量非黑体温度时，温度计读数是被测物体的辐射温度，再根据已知物体的吸收系数(注不同物质的吸收系数

23、可查相关的资料)，利用该式可计算被测物体的真是温度。,2020/10/14,39,热辐射测温,比色温度计 基本原理：由维恩位移定律（mT =常数），当温度升高时，绝对黑体的最大辐射能量向波长减小的方向移动，对于不同波长1、2和所对应的亮度比值也会发生变化，根据亮度比就可确定黑体的温度。,当已知被测物体的1和2后，就可由实测的比色温度 TS算出真实温度T，若比色高温计所选波长1和2很接近，则单色辐射吸收系数1和2也十分接近，所测比色温度近似等于真实温度，这是比色高温计很重要的优点。,2020/10/14,40,热辐射测温,红外辐射测温仪 基本原理：根据普朗克定律的物体辐射强度与波长、温度的关系可

24、知，在2000K以下峰值辐射波长在红外光区域，需要用红外敏感元件来检测。 红外探测器的特性参数 响应率：输出电压与输入的红外辐射功率之比。 响应波长范围：红外探测器的响应率与入射辐射的波长的关系。 噪声等效功率：若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就称为噪声等效功率，即它对探测器所产生的效果与噪声相等。噪声等效功率是一个可测量的量。 探测率：探测率实质上就是当探测器的探测元件具有单位面积、放大器带宽为1Hz时，单位功率辐射所获得的信噪比。 响应时间：探测器的输出电压上升或下降到某一特定值所需时间。一般来说，上升或下降所需的时间是相等的，成为探

25、测器的“响应时间”。,2020/10/14,41,热辐射测温,红外辐射测温仪 红外探测器的种类 红外探测器按其工作原理，可分为光电红外探测器和热敏红外探测器两类。 光电红外探测器：光电红外探测器的工作原理是基于物质中的电子吸收红外镭射而改变运动状态的光电效应。常用的光电红外探测器有光电导型和光生伏特型两种。光电导型探测器就是光敏电阻，光生伏特型探测器即光电池。 热敏红外探测器 ：热敏红外探测器是利用红外辐射的热效应原理，即物体受红外辐射的照射而温度升高引起某些物理参数的改变。热敏探测器常用的有热敏电阻型、热电偶型、热释电型和气动型。,2020/10/14,42,热辐射测温,红外辐射测温仪 红外

26、测温仪的结构 红外测温仪由光学系统、调制器、红外探测器、电子放大器和指示器等几部分组成。,2020/10/14,43,振动测试技术,Vibration measurement technology,2020/10/14,44,振动测试技术,振动和振动测量系统 振动测试系统特性测试 机械结构参数的估计 机械阻抗测试 振动信号的频谱分析,2020/10/14,45,振动信号的分类,振动和振动测量系统,振动测量方法分类,2020/10/14,46,振动测量系统 振动测量内容一般可分为两类：一类是振动基本参数的测量，即测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位；另一类是结构或部件的动态特性测量

27、，以某种激振力作用在被测件上，使它产生受迫振动，测量输入(激振力)和输出(被测件的振动响应)，从而确定被测件的固有频率、阻尼、刚度和振型等动态参数。这一类试验又可称之为“频率响应试验”或“机械阻抗试验”。 测振系统的组成 振动测试系统来讲，测试系统一般都由测振传感器、放大器、记录仪器三部分组成。 常用的工程振动测试系统可分为压电式振动测试系统、应变式振动测试系统、压阻式振动测试系统、伺服式振动测试系统、光电式振动测试系统、电涡流式振动测试系统。,振动和振动测量系统,2020/10/14,47,振动测量系统 测振系统的组成 压电式振动测试系统 大多数压电式振动测试系统是用来测试振动冲击加速度或激

28、励力的，在特定条件下，有时也可以通过积分网络在一定的范围内获得振动速度和位移。,振动和振动测量系统,应变式或压阻式振动测试系统 应变式振动测试系统的传感器有应变式加速度传感器、位移传感器和力传感器。与其配套使用的放大器一般是电阻应变仪。,伺服振动测试系统,2020/10/14,48,振动测量系统 振动系统的合理选用 选择传感器及配套仪器应根据测试对象的振动幅值、振动信号的频率范围、安装条件、振动环境、设备情况及解决问题所需要的信号频带和幅值来选择合适的仪器及配套设备。 选择测振系统的基本依据是待测振动信号的特征。信号特性最重要的有三条：一是振动幅值及其分布；二是频率范围；三是振动信号的分布规律

29、。,振动和振动测量系统,传感器的安装 合理选择的加速度传感器的动态质量。 结构测点的具体布置和传感器的安装位置都应该合理选择。 安装在构件上的传感器应该与被测物体有良好的接触。 注意振动测试系统中的导线连接和接地回路。 注意消除温度的干扰效应。,2020/10/14,49,振动系统的性能测试包括测量结构的固有频率、阻尼、动刚度和振型测量等。通常，机械结构的动态参数测量系统如图所示。,振动测试系统性能测试,常用的激励方式有稳态正弦激振、瞬态激振及随机激振三类。 稳态正弦激振和激振器 稳态正弦激振法是指由扫频信号发生器发出正弦信号，通过功率放大器和激振器对被测对象施加稳定的单一频率正弦激振力的方法

30、。,2020/10/14,50,振动测试系统性能测试,稳态正弦激振和激振器 在稳定正弦激振方法中，常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种。 电动式激振器 电动式激振器分为永磁式和励磁式两种，前者用于小型激振器；后者用于较大型的激振器，即激振台。,电磁式激振器 电磁激振器的特点是与试件不接触，因此可对旋转着的对象进行激振。它不会附加质量和刚度的影响。,电液式激振器 信号发生器的信号经放大后，由电液伺服阀(包括电动激振器、操纵阀和功率阀)控制油路活塞使之往复运动，并以顶杆去激振被测对象。电液式激振器的最大特点是激振大、行程大，且结构紧凑。,2020/10/14,51,振动测试系统性能测试,瞬态激

31、振和激振器 目前常用的瞬态激振方法有快速正弦扫描、脉冲激振和阶跃松弛三种。 快速正弦扫描 快速正弦扫描所用的激振器及测试仪器与正弦激振的基本相同，但它要求信号发生器能在整个测试频段内作快速扫描，扫描时间为数秒至十几秒。目的是能得到一个“平谱”，平谱的激振力保持为常数。,脉冲激振 脉冲激振是以一个力脉冲作用在被测试对象上，同时测量激振力和响应。,阶跃松弛 阶跃松弛是在被测试件上突加或突卸一个常力以达到瞬间激振的目的。,2020/10/14,52,振动测试系统性能测试,随机激振 随机激振方法目前有纯随机、伪随机和周期随机三种。 纯随机信号的功率谱是平直的，样本函数总体平均后趋于零。 伪随机信号具有一定的周期性，在一个周期内的信号是随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。 周期随机信号是变化的伪随机信号，在某几个周期后会出现另一个新的伪随机信号。,2020/10/14,53,测量振动系统特性的目的是为了确定机械结构的动态参数，如固有频率、阻尼比、动刚度和振型。下面着重讨论在小阻尼情况下，单自由度的特性固有频率和阻尼比的估计。它不仅适用于单自由度，也同样适用多自由度的参数