1、第四章 典型非電量參量的測量方法 4.1 振動測量 振動描述：位移，速度，加速度 4.1.1 振動分類 自由振動，受迫振動，自激振動線性振動，非線性振動確定性振動，隨機振動 4.1.2 振動測量的類別 (根據測量工作目的不同分)（1）振動基本參數測量在工作狀態下，對振動著的結構或部件進行實時測量分析，測量振動體上某點的振動位移、速度、加速度、頻率等。目的：識別振動狀態、尋找振源。（2）機械動力學特性參數測量激振被測對象，同時測出輸入激振力信號和振動響應信號。目的：獲取被測對象固有頻率、阻尼比、動剛度、振型等。這類測量又稱：頻率響應試驗或機械阻抗試驗（3）模擬環境振動測量在規定條件下，對設備進行

2、振動例行試驗。目的：檢查設備的耐振壽命、性能穩定性，設計、制造、安裝的合理性。 4.1.3 振動量的測量方法 電測法 LL/5L/5電荷放大器電荷放大器SCXI-1200數據采集模塊計算機脈沖錘加速度計1234567試材(木板)彈簧振動方式測定木材強度的測試系統4.1.4 激振信號 穩態正弦信號：最早采用，每次激振頻率單一；頻率可變。 隨機信號：一般由白噪聲信號發生器產生，理論上在整個頻率范圍內具有連續、等值功率譜。 瞬態信號：脈沖沖擊力；理想脈沖信號的頻譜包含所有頻率成份，且各頻率成份強度相同。4.1.5 激振器 激振器功率放大器信號發生器（1）電動式激振器 當線圈7通以激振信號電流時，所產

3、生的交變電動力會通過頂桿輸出激振力。 工作頻率52000Hz （2）電磁式激振器 勵磁線圈3通以交變信號電流。 工作頻率500800Hz （3）電液式激振器 用于大型試件的激振 小型電動激振器帶動液壓伺服閥，從而驅動活塞振動。 工作頻率0100Hz（4）脈沖錘 4.1.6 振動的基本參數振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數，稱為振動三要素。幅值幅值。幅值是振動強度的標志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方。幅值是振動強度的標志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。法表示。頻率頻率。不同的頻率成分反映系統內不同的振源。通過頻譜分析可以確定主要。不同的頻率成分反映系統內不同的振

4、源。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應的措施。頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應的措施。 相位相位。振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關系確定共振點、測量振。振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關系確定共振點、測量振型、旋轉件動平衡、有源振動控制、降噪等。對于復雜振動的波形分析，各型、旋轉件動平衡、有源振動控制、降噪等。對于復雜振動的波形分析，各諧波的相位關系是不可缺少的。諧波的相位關系是不可缺少的。 簡諧振動簡諧振動是單一頻率的振動形式，各種周期運動都可以用不同頻率的簡諧運是單一頻率的振動形式，各種周期運動都可以用不同頻率的簡諧運動的組合來表

5、示。簡諧振動的運動規律可用位移函數動的組合來表示。簡諧振動的運動規律可用位移函數y(t)描述描述式中式中A位移的幅值，位移的幅值，mm；初始相位角，初始相位角，r；振動角頻率，振動角頻率，1/s,2/T2f；)cos()(tAty4.1.7 質量塊受力產生的受迫振動質量塊受力產生的受迫振動 在外力 的作用下，質量塊m的運動方程為 式中c為粘性阻尼系數，k為彈簧剛度，位移y(t)為振動系統的輸出。 這是一個典型的一階振動系統，其系統頻率響應函數 H()、幅頻特性函數 A()和相頻特性函數分別為式中 n固有圓頻率， 阻尼比，通常把振動幅頻特性曲線A()上幅值最大處的頻率r 稱為位移共振頻率。4.1

6、.8 振動參數的測量 振動參數：固有頻率，阻尼比，模態機械結構的模態：一階模態、二階模態、三階模態、多階模態多自由度振動系統會有多階模態存在。每一階模態都有它確定的固有頻率、阻尼、質量、剛度等。 一、固有頻率測定對拾振傳感器信號進行自功率譜分析或頻譜分析二、阻尼比測量（1）最大幅值法利用位移導納的幅頻特性曲線求固有頻率和阻尼率（比）。 rn2212（2）分量法頻率響應函數分解為實部和虛部兩個部分，利用實部頻率曲線求得固有頻率和阻尼率。 n12三、振動模態測量激振與拾振方法：)()()(XYH)(Im)(Re)(22HHH)()()(Im)(Re)(HjeHHjHH頻率響應函數分析：模態計算：求

7、虛部)(ImH案例：飛機模態分析案例：飛機模態分析4.3 位移測量 包括線位移測量和角位移測量。 4.3.1 測量方法分類 模擬式測量法：將位移量轉換成電模擬量。傳感原理包括電阻式、電感式、電容式、電渦流式等。 數字式測量法：將位移量轉換成脈沖量輸出。主要用于精密位移測量。例如，光柵尺（直線）、編碼器（旋轉）。 4.3.2 常用位移傳感器 (1）電阻式位移傳感器 滑線電阻式位移傳感器：幾毫米幾十毫米，精度0.5%1% 應變片式位移傳感器：幾微米幾毫米。 （2）電感式位移傳感器 螺管差動型位移傳感器 杠桿式差動變壓器位移傳感器（3）電渦流式位移傳感器利用線圈與金屬導體之間的電渦流效應來實現位移測

8、量，因此要求被測體為導體。測量端面與被測體表面原始距離1mm。特點：靈敏度高，非接觸測量，測量精度不高。 （4）光纖位移傳感器物性型光纖位移傳感器(a)光纖長度變化導致光相位變化；(b)光強變化；(c)相位與光強均變化結構型光纖位移傳感器 (5）絕對值脈沖編碼器 通過讀取編碼盤上的圖案來表示軸的位置。 由二元信號“0”和“1”組成代碼，每一個代碼對應編碼器的一個位置。 簡單的直接編碼原理圖 圖712，圓形編碼器結構示意圖，16個位置 讀碼原理：導電不導電電刷方法；透光不透光光電方法。 （6）光柵透射光柵：在玻璃表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋。反射光柵：在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔

9、相等分線紋。長光柵，圓光柵圖716，透射光柵，100線/mm圖717，反射光柵，50線/mm目前光柵精度可達“微米”級，最好為0.1微米。 工作原理G1-長光柵（標尺光柵）G2-短光柵（指示光柵） 4.3.3 位移測量的工程應用舉例 （1）回轉軸回轉誤差測量 （2）物位測量 4.4 速度測量 線速度，角速度4.4.1 速度測量方法分類 模擬式測量方法：利用與速度成一定關系的某種連續變化物理量來反映速度的大小。例如，離心式轉速計 計數式測量方法：數出在一定時間內由運動物體發出的周期性信號數目。例如，電容式轉速傳感器、渦流式轉速傳感器等，將轉速轉換成脈沖信號。 同步式測量方法：將被測物體的運動頻率

10、與已知頻率相比較，進而求出轉速。例如，頻閃式測速方法。 4.4.2 常用的速度測量裝置 （1）離心式轉速計測量范圍3018000r/min (2）磁阻式磁電轉速傳感器 齒輪轉動空氣隙變化磁阻變化感應電動勢變化 （3）光電式轉速傳感器 被測轉軸上涂有黑白相間的標記。 （4）頻閃測速儀頻閃次數可在100150000次/分這種方法利用人的視覺暫留作用來測量轉速。測量時，先在被測物體上畫上標記；當頻閃頻率與轉速頻率相同或為整倍數、整分數時，可以看到靜止的標記。正確做法：先估計轉速，閃光頻率由高向低調節，當出現兩個靜止標記時，說明閃光頻率是轉速頻率的兩倍；再調低閃光頻率，當第一次出現一個靜止標記時，閃光

11、頻率與轉速頻率相同。 4.5 溫度測量 4.5.1 溫標 衡量溫度的標準尺度稱為溫標。 國際開爾文溫度T（K），國際攝氏溫度t（） t（）T（K）273.15K 4.5.2 測溫方法分類 （1）按測溫原理和所用感溫元件不同，測溫方法分為膨脹式、壓力式、電阻式、熱電式和輻射式5類。 膨脹式溫度計：玻璃溫度計（200600），雙金屬溫度計（80600）。 壓力式溫度計：組成一個封閉系統，溫包放入被測介質中，當溫度變化時，封閉系統中的壓力隨之變化。80500 電阻式溫度計：利用金屬或半導體的電阻指隨溫度變化來顯示溫度值。200600 熱電式溫度計：利用金屬導體的熱電效應，將溫度轉換為熱電勢輸出。27

12、11800 輻射式溫度計：通過檢測被測物體的熱輻射來確定溫度。（2）按測溫元件是否與被測物體接觸，分為接觸式測溫方法和非接觸式測溫方法。 4.5.3 熱電偶 鉑銠鉑熱電偶：型號WRP，01300 鎳鉻鎳硅熱電偶：型號WRN，0900 鎳鉻考銅熱電偶：型號WRK，0600 （2）熱電偶冷端溫度補償辦法一般測溫儀多是以冷端為0時刻度的，而使用式冷端溫度不同，所以需要進行補償和校正。a.冷端冰點恒溫法 冷端放入0的冰水混合液體中b.計算校正法 用其它溫度計測出冷端溫度，然后從該熱電偶的分度表中查出應當加上的校正值。 c.補償電橋法 在熱電偶測量回路中串聯一補償電橋 電橋在0時已調平衡，a、b兩點電位

13、相等。 （3）熱電偶測量線路(a) 測量某點溫度(b) 測量兩點間溫差，兩相同熱電偶反向串聯(c) 測幾點溫度和，幾個相同熱電偶正向串聯(d) 測幾點平均溫度，幾個相同熱電偶并聯(e) 測量溫度偏差，在回路中接入與熱電勢反向的基準電動勢。 4.5.4 輻射式測溫方法 （1）熱輻射原理 物體輻射波長從射線到無線電波，其中0.7740m紅外線和0.40.77m可見光部分能被其它物體吸收并轉換為熱量。 熱輻射多少與物體溫度有關，所以利用熱輻射可以測溫。 全輻射高溫計測量高溫和可見光范圍； 紅外測溫儀測量低溫和紅外線范圍。 （2）全輻射高溫計測溫范圍1002000黑體：能吸收全部落在該物體上輻射能的物

14、體。黑體具有全波長輻射能力。灰體測量灰體溫度時，示值溫度低于被測真實溫度，需要修正。 （3）紅外測溫儀和紅外熱像儀 4.5.5 機床升溫測量 4.5.6 切削溫度測量 4.6 力測量 4.6.1 車削測力儀 4.6.2 銑削測力儀 4.6.3 鉆削測力儀 4.6.4 磨削測力儀 4.6.5 壓電晶體式測力儀 4.7 壓力測量 液體或氣體對容器或管道等的壓強。單位Pa=1N/m2 絕對壓力 表壓力指絕對壓力與大氣壓力值之差。 4.7.1 壓力敏感元件 彈簧管（波登管），膜片，波紋管 在波紋管彈性范圍內，自由端的位移與作用壓力呈線性關系。 4.7.2 常用壓力傳感器 （1）膜片應變片壓力傳感器 （

15、2）壓電式壓力傳感器 （3）其它壓力傳感器 4.7.3 壓力傳感器的安裝 “齊平”安裝，“管道容腔”安裝。 測量動態壓力時，前者效果好。 4.8 噪聲測量 （1）聲壓和聲壓級 聲壓（聲壓強）p空氣中有聲波傳播時的波動壓強與沒有聲波傳播時的靜壓強之差值。 聲壓級 單位：分貝（dB） p0=20Pa為基準聲壓，指人耳剛能聽到的1000Hz純音的聲壓，又稱為聽閾聲壓。（2）聲強和聲強級 聲強I在聲音傳播方向上，單位時間內通過單位面積的聲能量。單位W/m2 聲強級 單位：分貝（dB） I0=10-12 W/m2 為基準聲強，又稱聽閾聲強。 )/lg(200ppLp)/lg(100IILI（3）聲功率和

16、聲功率級 聲功率W聲源在單位時間內輻射出來的總能量。單位：瓦（W） 聲功率級 單位：分貝（dB） W0=10-12 W 為基準聲功率（4）響度和響度級 聲壓級相同而頻率不同的聲音聽起來不一樣響。 響度N從人聽覺角度引出的與聲強、頻率和波形都有關的物理量。單位：宋（Sone） 規定1000Hz、聲壓比聽閾聲壓大40dB的純音的響度為1宋，且聲壓級每增加10 dB，響度增加1宋。 響度級LN單位：方（phon）。以1000Hz純音為基準聲音，若噪音聽起來與該純音一樣響，則該噪音響度級的方值就等于該純音聲壓級的分貝值。 )/lg(100WWLW聲功率、聲強、聲壓間關系聲強測量（5）噪聲頻譜 4.8.2 常用噪聲測量儀器 （1）傳聲器 傳聲器是聲電轉換裝置，有電容式、壓電式、動圈式等。其中，以電容式性能最好。 （2）聲級計將傳聲器、指示器、電源、處理電路結合在一起，即組成測量聲壓的聲級計。計權網絡是根據等響度曲線設計的一組具有不