第六章典型物理量測(cè)量方案設(shè)計(jì)典型物理量測(cè)量方案設(shè)計(jì)完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：

1.了解各種物理量（位移、溫度、應(yīng)變、振動(dòng)、力和噪聲）的測(cè)量方法

2.掌握各種物理量測(cè)試的基本原理

12/14/202216.1位移的測(cè)量典型物理量測(cè)量方案設(shè)計(jì)位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的變動(dòng)量，是一個(gè)向量。位移是線位移和角位移的統(tǒng)稱。

在機(jī)械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測(cè)量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等許多參數(shù)的測(cè)量，也是以位移測(cè)量為基礎(chǔ)的。12/14/20222常用位移傳感器一覽表型式測(cè)量范圍精確度直線性特點(diǎn)電阻式滑線式線位移1~300mm①±0.1%±0.1%分辨力較好，可靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量。機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固角位移0~360°±0.1%±0.1%變阻器式線位移1~1000mm①±0.5%±0.5%結(jié)構(gòu)牢固，壽命長，但分辨力差，電噪聲大角位移0~60r±0.5%±0.5%應(yīng)變式非粘貼的±0.15%應(yīng)變±0.1%±1%不牢固粘貼的±0.3%應(yīng)變±2%~3%使用方便，需溫度補(bǔ)償半導(dǎo)體的±0.25%應(yīng)變±2%~3%滿刻度

±20%輸出幅值大，溫度靈敏性高電感式自感式變氣隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移測(cè)量螺管型1.5~2mm測(cè)量范圍較前者寬，使用方便可靠，動(dòng)態(tài)性能較差特大型300~2000mm①0.15%~1%差動(dòng)變壓器±0.08~75mm①±0.5％±0.5%分辨力好，受到磁場(chǎng)干擾時(shí)需屏蔽12/14/20223常用位移傳感器一覽表型式測(cè)量范圍精確度直線性特點(diǎn)電感式渦電流式±2.5~±250mm①±1%~3%＜3%分辨力好，受被測(cè)物體材料、形狀、加工質(zhì)量影響同步機(jī)360°±0.1°~±7°±0.5%可在1200r/min轉(zhuǎn)速工作，堅(jiān)固，對(duì)溫度和濕度不敏感微動(dòng)同步器±10°±1%±0.05%非線性誤差與變壓比和測(cè)量范圍有關(guān)旋轉(zhuǎn)變壓器±60°±0.1%電容式變面積10-3~103mm①±0.005%±1%受介電常數(shù)因環(huán)境溫度、濕度而變化的影響變間距10-3~10mm①0.1%分辨力很好，但測(cè)量范圍很小，只能在小范圍內(nèi)近似地保存線性霍爾元件±1.5mm0.5%結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)特性好感應(yīng)同步器直線式10-3~104mm①2.5μm~250mm模擬和數(shù)字混合測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)字顯示(直線式感應(yīng)同步器的分辨力可達(dá)1μm)旋轉(zhuǎn)式0o~360°±0.5°12/14/20224計(jì)量光柵長光柵10-3~103mm①3μm~1m同上(長光柵分辨力可達(dá)1μm)圓光柵0o~360°±0.5”磁尺長磁尺10-3~104mm①5μm~1m測(cè)量時(shí)工作速度可達(dá)12m/min圓磁尺0o~360°±1”角度編碼器接觸式0o~360°10-6rad分辨力好，可靠性高光電式0o~360°10-6rad12/14/20225典型應(yīng)用：1）回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量2）厚度的測(cè)量3）物位的測(cè)量（P255）例如：電阻式液位計(jì)，通過測(cè)量阻值的變化來得之液位高度的變化12/14/20226沉筒所反映的浮力通過彈簧轉(zhuǎn)換成銜鐵的位移,再由差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換成與之成正比的輸出電壓,反映液位的變化。12/14/20227被測(cè)物是導(dǎo)電介質(zhì)，液位相當(dāng)于滑線變阻器的中間觸頭，液位不同，電阻率不同，輸出電壓不同。12/14/202286-2速度與加速度的測(cè)試

由兩個(gè)線圈組成，工作（主動(dòng)）線圈敏感被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)狀況，平衡線圈用于構(gòu)成電橋的一臂并提供溫度補(bǔ)償。

12/14/20229a：活動(dòng)銜鐵2由兩片彈簧1支撐，用于敏感水平方向的振動(dòng)加速度；b：活動(dòng)銜鐵2用兩片懸臂梁式彈簧支撐，用于敏感垂直方向的振動(dòng)加速度。12/14/2022106.3振動(dòng)的的測(cè)試試6.3.1概概述典型物物理量量測(cè)量量方案案設(shè)計(jì)計(jì)振動(dòng)是是物體體在其其平衡衡位置置附近近的一一種交交變運(yùn)運(yùn)動(dòng)，，可以以用運(yùn)運(yùn)動(dòng)的的位移移、速速度或或加速速度隨隨時(shí)間間的變變化來來描述述。振動(dòng)的的測(cè)試試就是是檢測(cè)測(cè)振動(dòng)動(dòng)變化化量，，從中中提取取表征征振動(dòng)動(dòng)過程程特征征和振振動(dòng)系系統(tǒng)特特性的的有用用信息息。機(jī)械振振動(dòng)是是工程程技術(shù)術(shù)和日日常生生活中中常見見的物物理現(xiàn)現(xiàn)象。。振動(dòng)動(dòng)具有有有害害的一一面，，也具具有有有利的的一面面。有害：：振動(dòng)動(dòng)破壞壞機(jī)器器的正正常工工作、、縮短短機(jī)器器的使使用壽壽命，，產(chǎn)生生破壞壞機(jī)械械結(jié)構(gòu)構(gòu)和建建筑物物的動(dòng)動(dòng)載荷荷，并并直接接地或或通過過噪聲聲間接接地危危害人人類的的健康康。有利：：利用用振動(dòng)動(dòng)輸送送振動(dòng)動(dòng)破碎碎、振振動(dòng)時(shí)時(shí)效、、振動(dòng)動(dòng)加工工等。。院院辦工工廠：：振動(dòng)動(dòng)篩、、振動(dòng)動(dòng)式破破碎機(jī)機(jī)。12/6/202211典型物物理量量測(cè)量量方案案設(shè)計(jì)計(jì)不管振振動(dòng)是是有害害的還還是有有利的的。大大部分分設(shè)備備都力求將將其振振動(dòng)量量控制制在允允許的的范圍圍之內(nèi)內(nèi)，將其影影響盡盡量限限制在在有限限的空空間范范圍之之內(nèi)，，以免免危害害人類類和其其它結(jié)結(jié)構(gòu)?！，F(xiàn)代工工業(yè)對(duì)對(duì)各種種高新新機(jī)電電產(chǎn)品品提出出了低低振動(dòng)動(dòng)、低低噪聲聲、高高抗振振的要要求，，因此此，必必須對(duì)對(duì)它們們進(jìn)行行振動(dòng)動(dòng)分析析、試試驗(yàn)和和振動(dòng)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)或者者通過過振動(dòng)動(dòng)測(cè)量量找出出振動(dòng)動(dòng)源，，采取取減振振措施施。機(jī)械振振動(dòng)測(cè)測(cè)試技技術(shù)是是機(jī)械械振動(dòng)動(dòng)學(xué)科科的重重要內(nèi)內(nèi)容之之一，，對(duì)復(fù)復(fù)雜的的機(jī)械械系統(tǒng)統(tǒng)，即即使在在理論論研究究已發(fā)發(fā)展到到很高高水平平的今今天，，其動(dòng)動(dòng)態(tài)特特性參參數(shù)無無法用用理論論公式式正確確計(jì)算算出來來，振振動(dòng)試試驗(yàn)和和測(cè)量量是唯唯一的的求解解方法法。由于電電子技技術(shù)和和計(jì)算算機(jī)技技術(shù)的的應(yīng)用用，現(xiàn)現(xiàn)代振振動(dòng)測(cè)測(cè)試技技術(shù)的的應(yīng)用用已超超出了了經(jīng)典典機(jī)械械振動(dòng)動(dòng)的領(lǐng)領(lǐng)域，，已應(yīng)應(yīng)用到到各種種物理理現(xiàn)象象的檢檢測(cè)、、分析析、預(yù)預(yù)報(bào)和和控制制中。。如：：環(huán)境境噪聲聲的監(jiān)監(jiān)測(cè)、、地震震預(yù)報(bào)報(bào)與分分析、、地質(zhì)質(zhì)勘查查和礦礦藏探探測(cè)、、飛行行器的的監(jiān)測(cè)測(cè)與控控制等等。12/6/202212振動(dòng)測(cè)測(cè)試的的類型型（三三種））典型物物理量量測(cè)量量方案案設(shè)計(jì)計(jì)１)振振動(dòng)動(dòng)基本本參數(shù)數(shù)的測(cè)測(cè)量：：對(duì)工作作著的的結(jié)構(gòu)構(gòu)或部部件進(jìn)進(jìn)行實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)測(cè)量和和分析析測(cè)量的的內(nèi)容容包括括：振振動(dòng)的的位移移、速速度、、加速速度、、振動(dòng)動(dòng)的強(qiáng)強(qiáng)度、、頻譜譜以及及更深深入的的分析析。這這些測(cè)測(cè)量有有助于于人們們了解解被測(cè)測(cè)件的的振動(dòng)動(dòng)狀況況和尋尋找振振源，，進(jìn)行行機(jī)械械結(jié)構(gòu)構(gòu)的故故障診診斷。。２)機(jī)機(jī)械械動(dòng)力力學(xué)特特性參參數(shù)的的測(cè)量量（測(cè)定定結(jié)構(gòu)構(gòu)或部部件的的動(dòng)態(tài)態(tài)特性性）以某種種激振振力作作用在在被測(cè)測(cè)對(duì)象象上，，使其其產(chǎn)生生受迫迫振動(dòng)動(dòng)，同同時(shí)測(cè)測(cè)出輸輸入和和輸出出信號(hào)號(hào)，通通過分分析確確定被被測(cè)件件的頻頻率響響應(yīng)，，然后后進(jìn)行行模態(tài)態(tài)分析析，求求得各各階模模態(tài)的的動(dòng)態(tài)態(tài)參數(shù)數(shù)。這這類測(cè)測(cè)試又又稱““頻率率響應(yīng)應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)”或或“機(jī)機(jī)械阻阻抗試試驗(yàn)””。３)機(jī)機(jī)械械動(dòng)力力強(qiáng)度度和模模擬環(huán)環(huán)境振振動(dòng)試試驗(yàn)即按規(guī)規(guī)定的的振動(dòng)動(dòng)條件件，對(duì)對(duì)設(shè)備備進(jìn)行行振動(dòng)動(dòng)例行行試驗(yàn)驗(yàn)，用用以檢檢查設(shè)設(shè)備的的耐振振壽命命、性性能穩(wěn)穩(wěn)定性性以及及設(shè)計(jì)計(jì)、制制造、、安裝裝的合合理性性。12/6/202213一般振動(dòng)動(dòng)測(cè)試系系統(tǒng)的組組成12/6/202214振動(dòng)測(cè)試試的基本本參數(shù)典型物理理量測(cè)量量方案設(shè)設(shè)計(jì)振動(dòng)的幅幅值、頻頻率和相相位是振振動(dòng)的三三個(gè)基本本參數(shù)，，稱為振振動(dòng)三要要素。幅值———幅值是是振動(dòng)強(qiáng)強(qiáng)度的標(biāo)標(biāo)志，它它可以用用峰值、、有效值值、平均均值等不不同的方方法表示示。頻率———不同的的頻率成成分反映映系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)不同的的振源。。通過頻頻譜分析析可以確確定主要要頻率成成分及其其幅值大大小，從從而尋找找振源，，采取相相應(yīng)的措措施。相位———振動(dòng)信信號(hào)的相相位信息息十分重重要，如如利用相相位關(guān)系系確定共共振點(diǎn)、、測(cè)量振振型、旋旋轉(zhuǎn)件動(dòng)動(dòng)平衡、、有源振振動(dòng)控制制、降噪噪等。對(duì)對(duì)于復(fù)雜雜振動(dòng)的的波形分分析，各各諧波的的相位關(guān)關(guān)系是不不可缺少少的。12/6/2022156.3.2振動(dòng)動(dòng)測(cè)試的的力學(xué)原原理——單自自由度系系統(tǒng)的受受迫振動(dòng)動(dòng)典型物理理量測(cè)量量方案設(shè)設(shè)計(jì)1)質(zhì)量量塊受力力產(chǎn)生的的受迫振振動(dòng)設(shè)響應(yīng)12/6/202216幅頻特性性相頻特性性12/6/2022176.3.2振動(dòng)動(dòng)測(cè)試試的力力學(xué)原原理——單單自由由度系系統(tǒng)的的受迫迫振動(dòng)動(dòng)典型物物理量量測(cè)量量方案案設(shè)計(jì)計(jì)2)基基礎(chǔ)運(yùn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)產(chǎn)生的的受迫迫振動(dòng)動(dòng)12/6/20221812/6/202219典型物理量量測(cè)量方案案設(shè)計(jì)6.3.3振動(dòng)的的激勵(lì)激振方法穩(wěn)態(tài)正弦激激振隨機(jī)激勵(lì)瞬態(tài)激振

快速正弦掃描激振

脈沖激振

階躍激振

12/6/202220典型物理量量測(cè)量方案案設(shè)計(jì)瞬態(tài)激振

快速正弦掃描激振

脈沖激振——錘擊法——力錘

階躍激振——突然剪斷

12/6/2022216.3.4激振器器原理：載流流體在磁場(chǎng)場(chǎng)中受力運(yùn)運(yùn)動(dòng)被測(cè)體通過過頂桿與載載流體相連連，電動(dòng)激激振器主要要用來對(duì)試試件作絕對(duì)對(duì)激振。線線圈相當(dāng)于于一個(gè)彈簧簧質(zhì)量阻尼尼系統(tǒng)。12/6/20222212/6/202223原理：直接用電磁磁鐵的吸力力作為激振振力。連接：將鐵芯和銜銜鐵分別固固定在兩個(gè)個(gè)試件上，，或?qū)⑵渲兄幸粋€(gè)試件件作為銜鐵鐵，激振力力的頻率上上限約為500～800Hz特點(diǎn)：激振時(shí)與試試件不接觸觸，可以對(duì)對(duì)旋轉(zhuǎn)著的的對(duì)象進(jìn)行行激振，無無附加質(zhì)量量和剛度影影響試件的的運(yùn)動(dòng)。12/6/20222412/6/202225典型物理量量測(cè)量方案案設(shè)計(jì)6.3.5振動(dòng)的的測(cè)量方法法及測(cè)振傳傳感器機(jī)械法電測(cè)法光學(xué)法慣性式拾振振器位移拾振器器速度拾振器器加速度拾振振器12/6/202226加速度傳傳感器應(yīng)變式加加速度計(jì)計(jì)壓電式加加速度傳傳感器12/6/2022276.3.6機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)參數(shù)估估計(jì)典型物理理量測(cè)量量方案設(shè)設(shè)計(jì)自由振動(dòng)動(dòng)法12/6/2022286.3.6機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)參數(shù)估估計(jì)典型物理理量測(cè)量量方案設(shè)設(shè)計(jì)共振法12/6/202229實(shí)虛特性性估計(jì)12/6/2022306.3噪噪聲聲的的測(cè)測(cè)試試噪聲聲測(cè)測(cè)量量的的常常用用儀儀器器主主要要包包括括傳傳聲聲器器、、聲聲級(jí)級(jí)計(jì)計(jì)、、頻頻率率分分析析儀儀、、校校準(zhǔn)準(zhǔn)器器等等。。12/6/20223112/6/20223212/6/2022336.4溫溫度度的的測(cè)測(cè)試試12/6/2022346.6應(yīng)應(yīng)變變、、力力與與扭扭矩矩的的測(cè)測(cè)試試機(jī)械械式式稱稱量量系系統(tǒng)統(tǒng)，，主主要要用用于于靜靜態(tài)態(tài)力力測(cè)測(cè)量量。。擺擺式式秤秤是是一一種種指指針針偏偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型型儀儀器器，，將將未未知知力力轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為力力矩矩。。臺(tái)臺(tái)式式秤秤采采用用杠杠桿桿原原理理，，可可用用較較小小的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)重重量量來來測(cè)測(cè)量量較較大大的的力力。。12/6/202235圖B采采用用加加速速度度計(jì)計(jì)測(cè)測(cè)力力，，測(cè)測(cè)到到的的是是作作用用在在質(zhì)質(zhì)量量塊塊上上的的綜綜合合力力，，采采用用此此法法無無法法分分離離多多個(gè)個(gè)力力。。電磁磁秤秤采采用用光光電電式式零零位位檢檢測(cè)測(cè)器器、、放放大大器器和和一一個(gè)個(gè)線線圈圈組組成成的的伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)來來平平衡衡未未知知力力和和作作用用在在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)質(zhì)質(zhì)量量上上的的重重力力之之間間的的差差值值。。優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：：對(duì)對(duì)環(huán)環(huán)境境條條件件不不敏敏感感、、響響應(yīng)應(yīng)快快、、體體積積小小、、易易與與遠(yuǎn)遠(yuǎn)距距離離操操作作。。12/6/202236液壓式式測(cè)力力計(jì)內(nèi)內(nèi)部充充滿油油，當(dāng)當(dāng)有負(fù)負(fù)載時(shí)時(shí)，油油壓增增加，，將該該壓力力轉(zhuǎn)換換為電電信號(hào)號(hào)。這這種測(cè)測(cè)力計(jì)計(jì)剛度度大，，測(cè)量量精度度可達(dá)達(dá)滿量量程的的0.1%，分分辨率率為0.02%。氣壓式式測(cè)力力計(jì)采采用噴噴嘴擋擋板式式傳感感器，，用在在伺服服電路路中作作高增增益放放大器器。施施加的的力F可引引起膜膜片的的偏移移，引引起壓壓力增增加。。上述幾幾種傳傳感器器主要要用于于測(cè)量量靜態(tài)態(tài)的或或緩變變的