《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第6章 典型机械工程参数的测试

机械工程测试技术第6章典型机械工程参数的测试学习目标了解机械振动、位移、压力和流量等工程参数的基本测量方法及相应的测试装置，重点掌握机械系统的力学模型、机械振动的概念与种类、惯性式测振传感器的工作原理及它们的结构。通过查阅资料，对其他工程参数的测试也要有一定的了解。学习重点与难点机械振动的测试。6.1 机械振动的测试6.1.1 概述1.机械振动的概念机械振动：一种特殊的运动形式，指的是机械系统的某些物理量（如位移）在一定数值附近随时间变化的关系。2.振动测试的工作内容■振动系统基本振动参数的测试■振动系统动态特性的测试■振动信号的分析3.机械振动的分类■按产生振动的原因分：自由振动、受迫振动、自激振动。■按振动参数随时间的变化规律分：确定性振动（周期振动、非周期振动）、非确定性振动（随机振动）。■按振动自由度分：单自由度振动、多自由度振动。4.机械系统的力学模型质量块乐工|阻尼器>k基础质量-弹簧-阻尼系统1 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 1 / 15 第 6 章 典型机械工程参数的测试 学习目标 了解机械振动、位移、压力和流量等工程参数的基本测量方法及相应的测试装置，重点 掌握机械系统的力学模型、机械振动的概念与种类、惯性式测振传感器的工作原理及它们的 结构。通过查阅资料，对其他工程参数的测试也要有一定的了解。 学习重点与难点 机械振动的测试。 6.1 机械振动的测试 6.1.1 概述 1. 机械振动的概念 机械振动：一种特殊的运动形式，指的是机械系统的某些物理量（如位移）在一定数 值附近随时间变化的关系。 2. 振动测试的工作内容 ■ 振动系统基本振动参数的测试 ■ 振动系统动态特性的测试 ■ 振动信号的分析 3. 机械振动的分类 ■ 按产生振动的原因分：自由振动、受迫振动、自激振动。 ■ 按振动参数随时间的变化规律分：确定性振动（周期振动、非周期振动）、非确定性 振动（随机振动）。 ■ 按振动自由度分：单自由度振动、多自由度振动。 4. 机械系统的力学模型 质量-弹簧-阻尼系统

机械工程测试技术般的机械系统通常都可以近似成一个二阶的“质量-弹簧-阻尼”系统。5.机械振动系统的受迫振动■由作用在质量上的力所引起的受迫振动一一振动系统动态特性测试的理论基础质量块的振动方程为d'zd+kz= f(t)m-drc+odtd?zdz为振动速度，为振动加速度。式中=为质量块m振动的振幅，dt?dtro]d'z=fodid.2>1kceked作用在质量上的力引起的受迫振动基础运动引起的受迫振动■由基础运动所引起的受迫振动一惯性式测振传感器测振的理论基础质量块的振动方程为d'zd=+dz+kz=-mma+odr?2,为基础相对大地（惯性参照系）的绝对运动一一测振传感器的输入；=。为质量块相对大地的绝对运动；=为质量块相对基础的相对运动（=。==+=，）一测振传感器的一次输出。6.1.2测摄传感器1.惯性式测振传感器的工作原理201惯性式测振传感器原理惯性式测振传感器的壳体被紧固在被测物体上并随之一起振动。质量块在基础（壳体）运动，的激励下产生受迫振动，产生相对于壳体的运动响应为=，该响应随后被二次转换元2 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 2 / 15 一般的机械系统通常都可以近似成一个二阶的“质量-弹簧-阻尼”系统。 5. 机械振动系统的受迫振动 ■ 由作用在质量上的力所引起的受迫振动——振动系统动态特性测试的理论基础 质量块的振动方程为 ( ) 2 2 kz f t dt dz c dz d z m + + = 式中 z 为质量块 m 振动的振幅， dt dz z = 为振动速度， 2 2 dt d z z = 为振动加速度。 作用在质量上的力引起的受迫振动 基础运动引起的受迫振动 ■ 由基础运动所引起的受迫振动——惯性式测振传感器测振的理论基础 质量块的振动方程为 2 1 2 2 2 dt d z kz m dt dz c dt d z m + + = − 1 z 为基础相对大地（惯性参照系）的绝对运动——测振传感器的输入； 0 z 为质量块相对大地的绝对运动； z 为质量块相对基础的相对运动（ 0 1 z = z + z ）——测振传感器的一次输出。 6.1.2 测振传感器 1. 惯性式测振传感器的工作原理 惯性式测振传感器原理 惯性式测振传感器的壳体被紧固在被测物体上并随之一起振动。质量块在基础（壳体） 运动 1 z 的激励下产生受迫振动，产生相对于壳体的运动响应为 z ，该响应随后被二次转换元

机械工程测试技术件进一步转换成与被测振动的振幅=，（振动速度，、振动加速度，）成比例的电信号输出。通过适当设计惯性式测振传感器的结构参数以及后续的二次转换装置，可以使传感器的输出分别与被测振动的振幅=、振动速度、振动加速度，成正比，构成振幅（位移）计、速度计和加速度计。它们的工作条件分别为：■振幅计一一当>>时，≥与被测振动的振幅=，成正比：■速度计一一当>>0时，与被测振动的速度成正比：■加速度计一当の<<の，时，=与被测振动的加速度，成正比。2.磁电式速度计磁电式速度计1一片簧2一壳体3一阻尼环4一磁钢5一线圈65一心轴7一片簧磁电式相对速度计1一壳体2一顶杆3一片簧4一磁钢5一线圈6一片簧7一引出线3.应变式加速度计3 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 3 / 15 件进一步转换成与被测振动的振幅 1 z （振动速度 1 z  、振动加速度 1  z  ）成比例的电信号输出。 通过适当设计惯性式测振传感器的结构参数以及后续的二次转换装置，可以使传感器的 输出分别与被测振动的振幅 1 z 、振动速度 1 z  、振动加速度 1  z  成正比，构成振幅（位移）计、 速度计和加速度计。它们的工作条件分别为： ■ 振幅计——当   n 时， z 与被测振动的振幅 1 z 成正比； ■ 速度计——当   n 时， z 与被测振动的速度 1 z  成正比； ■ 加速度计——当   n 时， z 与被测振动的加速度 1  z  成正比。 2. 磁电式速度计 磁电式速度计 1—片簧 2—壳体 3—阻尼环 4—磁钢 5—线圈 6—心轴 7—片簧 磁电式相对速度计 1—壳体 2—顶杆 3—片簧 4—磁钢 5—线圈 6—片簧 7—引出线 3. 应变式加速度计

机械工程测试技术应变式加速度计1一等强度悬臂梁2一质量块3一壳体4一应变片4.压电式加速度计Vb)c)O压电式加速度计的结构形式a)外缘固定型（b)中间固定型c)倒置中间固定型d)剪切型共振频率营0.010.11010010k100kJ/Hz压电式加速度计的幅频特性曲线0云母垫圈薄蜡层钢螺栓绝缘螺栓影磁铁粘接剂粘接螺栓粘接剂探针压电式加速度计常用的固定方式4 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 4 / 15 应变式加速度计 1—等强度悬臂梁 2—质量块 3—壳体 4—应变片 4. 压电式加速度计 压电式加速度计的结构形式 a) 外缘固定型 (b) 中间固定型 c) 倒置中间固定型 d) 剪切型 压电式加速度计的幅频特性曲线 压电式加速度计常用的固定方式

机械工程测试技术6.1.3振动的激励1.常用的激振方法●稳态正弦激振（点频激振、扫频激振）稳态正弦激振的优点是激振功率大，信噪比高，测试精度高，缺点是测试速度较慢。·●随机激振随机激振的优点是测试速度快、效率高，但测试设备复杂，价格也比较昂贵。?瞬态激振（快速正弦扫描激振、脉冲激振和阶跃激振）瞬态激振属于宽带激振，其中使用脉冲锤实现脉冲激振是应用最多的激振方法。2.脉冲锤x(0a)XU2b)脉冲锤脉冲锤产生的力信号1一锤头垫2一锤头：3一压紧套4一力信号引出线5一力传感器6一预紧螺母7一销8一锤体9一螺母10一锤柄11-配重块3.电动式激振器试件电动式激振器1一弹簧2一壳体 3一磁钢4一顶杆5一磁极 6-铁芯 7一驱动线圈4.电磁激振器5 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 5 / 15 6.1.3 振动的激励 1. 常用的激振方法 ● 稳态正弦激振（点频激振、扫频激振） 稳态正弦激振的优点是激振功率大，信噪比高，测试精度高，缺点是测试速度较慢。 ● 随机激振 随机激振的优点是测试速度快、效率高，但测试设备复杂，价格也比较昂贵。 ● 瞬态激振（快速正弦扫描激振、脉冲激振和阶跃激振） 瞬态激振属于宽带激振，其中使用脉冲锤实现脉冲激振是应用最多的激振方法。 2. 脉冲锤 脉冲锤 脉冲锤产生的力信号 1—锤头垫 2—锤头 3—压紧套 4—力信号引出线 5—力传感器 6—预紧螺母 7—销 8—锤体 9—螺母 10—锤柄 11—配重块 3. 电动式激振器 电动式激振器 1—弹簧 2—壳体 3—磁钢 4—顶杆 5—磁极 6—铁芯 7—驱动线圈 4. 电磁激振器

机械工程测试技术电磁激振器1一底座2一铁芯3一励磁线圈4一力检测线圈5一衔铁6一位移传感器5.电液式激振器电液式激振器1—顶杆2—电液伺服阀3一活塞4一力传感器6.1.4阻扰头加速度输出接头力输出接头阻抗头1一压电晶片2一激振平台3一橡胶圈4一压电晶片5一质量块6一壳体6 /15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 6 / 15 电磁激振器 1—底座 2—铁芯 3—励磁线圈 4—力检测线圈 5—衔铁 6—位移传感器 5. 电液式激振器 电液式激振器 1—顶杆 2—电液伺服阀 3—活塞 4—力传感器 6.1.4 阻抗头 阻抗头 1—压电晶片 2—激振平台 3—橡胶圈 4—压电晶片 5—质量块 6—壳体

机械工程测试技术6.1.5振动测试应用实例1.机械运行状态监测及故障诊断压电式加速度计打印机显示器信号处理系统电荷敏大器计算机磁带记录仪车床主轴箱实时振动监测系统2.激振实验（动刚度实验）电动式测力测振频谱测振仪分析仪激振器传感器传感器机床相位计功率放大器函数1测力仪转换器放大器t频率信号X-Y发生器记录仪激振实验6.2位移的测试位移是线位移和角位移的统称，位移的测试实际上就是长度和角度的测试。从广义上来说，位移包括了长度、厚度、高度、距离、物位、相对位置、表面粗糙度、角度等参数。6.2.1直线位移（位置）的测试1.电阻应变式位移传感器7 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 7 / 15 6.1.5 振动测试应用实例 1. 机械运行状态监测及故障诊断 车床主轴箱实时振动监测系统 2. 激振实验（动刚度实验） 激振实验 6.2 位移的测试 位移是线位移和角位移的统称，位移的测试实际上就是长度和角度的测试。从广义上来 说，位移包括了长度、厚度、高度、距离、物位、相对位置、表面粗糙度、角度等参数。 6.2.1 直线位移（位置）的测试 1. 电阻应变式位移传感器

机械工程测试技术电阻应变式位移传感器1一悬臂梁2一应变片3一壳体4一拉簧5一测杆2.电感式位移传感器10差动变压器式位移传感器1一测头2一轴套3一测杆4一衔铁5一线圈架6一屏蔽筒7一圆片弹簧8一弹簧9一导线 10-防尘罩8 / 15《机械工程测试技术》第14讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 8 / 15 电阻应变式位移传感器 1—悬臂梁 2—应变片 3—壳体 4—拉簧 5—测杆 2. 电感式位移传感器 差动变压器式位移传感器 1—测头 2—轴套 3—测杆 4—衔铁 5—线圈架 6—屏蔽筒 7—圆片弹簧 8—弹簧 9—导线 10—防尘罩

机械工程测试技术传感器交流电桥相敏指示器检波器稳压电源220V振荡器b)a)差动螺管式电感传感器及其构成的电感测微仪a)传感器b)测微仪1引线2一线圈3一衔铁4一测力弹簧5一测杆6一测头3.电容式位移传感器CT变面积式电容传感器的结构平面变间隙式电容传感器结构1一测杆2一片簧 3一固定电极4一活动电极1一固定电极2一活动电极3一壳体4一保护环5一绝缘层6.2.2角位移的测试（略）6.2.3位移测试应用示例1.自动尺寸分选系统《机械工程测试技术》第14讲9 / 15

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 9 / 15 差动螺管式电感传感器及其构成的电感测微仪 a) 传感器 b)测微仪 1—引线 2—线圈 3—衔铁 4—测力弹簧 5—测杆 6—测头 3. 电容式位移传感器 变面积式电容传感器的结构 平面变间隙式电容传感器结构 1—测杆 2—片簧 3—固定电极 4—活动电极 1—固定电极 2—活动电极 3—壳体 4—保护环 5—绝缘层 6.2.2 角位移的测试（略） 6.2.3 位移测试应用示例 1. 自动尺寸分选系统

机械工程测试技术电压放大相敏检波从振动料斗4计算机电路电路电磁铁驱动器去电磁阀驱动器控制信号电磁阀驱动器（从计算ET机来）2un0.4MPa轴承滚柱自动分选系统1—气缸2—活塞3—推杆 4—被测滚柱5——落料管6一电感传感器7一钨钢测头8一限位挡板9一电磁挡板10一料斗2.仿形测量电感式仿形铣床1一标准靠模样板2一测头（靠模轮）3一电感测微仪4一龙门框架5一立柱6一伺服电机7一铣刀8一毛坏3.物位测量《机械工程测试技术》第14讲10 / 15

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 14 讲 10 / 15 轴承滚柱自动分选系统 1—气缸 2—活塞 3—推杆 4—被测滚柱 5——落料管 6—电感传感器 7—钨钢测头 8—限位挡板 9—电磁挡板 10—料斗 2. 仿形测量 电感式仿形铣床 1—标准靠模样板 2—测头（靠模轮） 3—电感测微仪 4—龙门框架 5—立柱 6—伺服电机 7—铣刀 8—毛坯 3. 物位测量