第一章-測試技術(shù)4傳感器校準(zhǔn)與測試方案選擇課件

1.6傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.6.1標(biāo)定與校準(zhǔn)的內(nèi)容

靈敏度頻率響應(yīng)動(dòng)態(tài)線性范圍工作特性的標(biāo)定與校準(zhǔn)：極限加速度極限溫度聲靈敏度磁靈敏度環(huán)境特性的標(biāo)定與校準(zhǔn)：重量極性物理、幾何參數(shù)的標(biāo)定與校準(zhǔn)：1可編輯課件PPT1.6.1.1靈敏度的標(biāo)定與校準(zhǔn)傳感器在一定頻率與環(huán)境下，輸出量（電壓、電荷等）與輸入量（位移、速度、加速度等）之比。1.6.1.2頻率響應(yīng)的標(biāo)定與校準(zhǔn)頻率響應(yīng)是傳感器的靈敏度隨頻率變化的關(guān)系，在振動(dòng)輸入幅值不變的情況下，用傳感器的輸出與頻率變化的關(guān)系來表示。即橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示靈敏度。2可編輯課件PPT1.6.1.3線性度的標(biāo)定與校準(zhǔn)線性度：在某一頻率下，傳感器的靈敏度隨振動(dòng)輸入量大小而變化的規(guī)律。若橫坐標(biāo)表示輸入，縱坐標(biāo)表示靈敏度，則理想傳感器或測量系統(tǒng)的線性度應(yīng)是一條過原點(diǎn)的直線。3可編輯課件PPT1.6.2傳感器標(biāo)定與校準(zhǔn)的方法

絕對(duì)法和比較法1.6.2.1“絕對(duì)法”校準(zhǔn)傳感器電磁標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)（不受周圍環(huán)境的影響）給出位移、速度、加速度、頻率，并由相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)，測得固定在振動(dòng)臺(tái)上的傳感器的輸出電壓等，進(jìn)而計(jì)算出靈敏度。一個(gè)需校準(zhǔn)的加速度計(jì)的輸入加速度為

輸出電壓為:

則加速度計(jì)的電壓靈敏度為：

（1.179）（1.180）（1.181）4可編輯課件PPT與容易測量，關(guān)鍵是振幅（微幅，幾微米）的測定。一讀數(shù)顯微鏡振幅標(biāo)定法方法簡單、方便、可靠、直觀，有一定的精度，是工程中較為實(shí)用的標(biāo)定方法。缺點(diǎn)是不能進(jìn)行連續(xù)標(biāo)定、標(biāo)定速度慢，在低頻區(qū)（）容易受電磁振動(dòng)臺(tái)的竄動(dòng)干擾影響，在高頻區(qū)（）又受到由于振幅減?。ó?dāng)保持加速度或速度為定植時(shí)），讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)誤差比例相對(duì)增加的限制。這種方法要求選用綜合性能較好的振動(dòng)臺(tái)，并要求安裝在較大質(zhì)量且與能夠避免外界振動(dòng)干擾的基礎(chǔ)上。讀數(shù)顯微鏡振幅標(biāo)定系統(tǒng)如圖1.109所示。5可編輯課件PPT圖1.109讀數(shù)顯微鏡振幅標(biāo)定系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)放大器振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)讀出裝置頻率計(jì)示波器傳感器專用夾具讀數(shù)顯微鏡支架6可編輯課件PPT標(biāo)定時(shí)，傳感器安裝在專用夾具上。對(duì)于多個(gè)傳感器同時(shí)標(biāo)定時(shí)，傳感器需緊靠專用夾具周圍安裝，以避免振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上各點(diǎn)的振動(dòng)不同。標(biāo)定時(shí)，還需注意臺(tái)面的水平度誤差、讀數(shù)顯微鏡的仰角誤差、讀數(shù)顯微鏡的旋轉(zhuǎn)角誤差，一般應(yīng)控制在左右。7可編輯課件PPT二互易法適用于磁電式、壓電式傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)。這是一種絕對(duì)校準(zhǔn)法。具體方法很多，這里介紹兩只傳感器進(jìn)行二次測量的電阻分壓互易法。⑴將兩只加速度計(jì)用剛性支架以“背靠背”方式安裝在振動(dòng)臺(tái)上，如圖1.112所示。測量兩只加速度計(jì)在激振頻率為時(shí)的輸出電壓和的比值；⑵將兩只加速度計(jì)直接以“背靠背”方式連接在一起，如圖1.112所示。以某一只加速度計(jì)作為激振器，通過分壓器電阻輸入頻率為的電流，測量第二只加速度計(jì)在受振時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓。進(jìn)而按下兩式可求得和：

8可編輯課件PPT

若將代入式（1.186），可得

式中、兩個(gè)加速度計(jì)的質(zhì)量；振動(dòng)臺(tái)的頻率；電阻值。（1.185）（1.186）（1.187）9可編輯課件PPT圖1.112兩只加速度計(jì)的互易校準(zhǔn)法振動(dòng)臺(tái)1號(hào)加速度計(jì)2號(hào)加速度計(jì)1號(hào)加速度計(jì)2號(hào)加速度計(jì)10可編輯課件PPT1.6.2.2“比較法”校準(zhǔn)傳感器“比較法”將被校準(zhǔn)的傳感器與已知的標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比較而得到被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度和頻率特性曲線的方法。標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度及頻率特性曲線必須是由“絕對(duì)法”最高校準(zhǔn)技術(shù)獲得的。標(biāo)準(zhǔn)傳感器的傳感元件通常是由石英晶體（性能穩(wěn)定）制成?！氨容^法”校準(zhǔn)傳感器的方法是將被校準(zhǔn)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，承受相同的振動(dòng)，然后測出它們的輸出信號(hào)。被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度為：

式中標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度；標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出電壓；

（1.188）11可編輯課件PPT被校準(zhǔn)傳感器的輸出電壓。改變頻率，重復(fù)上述過程，則可得到被校準(zhǔn)傳感器的頻率特性曲線。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，將被校準(zhǔn)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器“背靠背”地安裝在一個(gè)托架上，再將托架安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，保證兩個(gè)傳感器承受相同的振動(dòng)，但其相位則相反，校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖1.113所示。這種方法具有校準(zhǔn)速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。精度取決于標(biāo)準(zhǔn)傳感器的精度和性能（二級(jí)精度）。12可編輯課件PPT圖1.113“比較法”標(biāo)定裝置示意圖放大器讀出裝置讀出裝置放大器記錄儀標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器被校準(zhǔn)傳感器標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)被校測量系統(tǒng)13可編輯課件PPT1.6.2.3頻響曲線和線性度的校準(zhǔn)一頻響曲線校準(zhǔn)頻率響應(yīng)曲線是指傳感器的靈敏度隨頻率的變化情況。頻率響應(yīng)曲線的校準(zhǔn)也是在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，其校準(zhǔn)裝置如圖1.114所示。圖1.114頻率響應(yīng)曲線校準(zhǔn)裝置示意圖電荷放大器定振裝置差頻振蕩功率放大器電荷放大器XY記錄儀14可編輯課件PPT被校準(zhǔn)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器（“背靠背”固定）接受相同的振動(dòng)，同時(shí)記錄兩個(gè)傳感器的振動(dòng)信號(hào)。圖中差動(dòng)振蕩器的目的是保證標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)以恒加速度振動(dòng)。固定振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)的幅值（標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)），改變振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率，測量出被校傳感器在不同頻率下的輸出量，再換算成靈敏度，即被校加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性曲線如圖1.115所示。

15可編輯課件PPT圖1.115加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性曲線16可編輯課件PPT二線性度校準(zhǔn)線性度是指傳感器的靈敏度隨輸入振動(dòng)量的大小變化的情況。線性度的校準(zhǔn)也是在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行的。在一定的頻率（一般選），逐點(diǎn)改變輸入量，測出輸出量即可。線性度曲線如圖1.116所示。圖1.116傳感器線性度曲線輸入量輸出量０理想曲線實(shí)際曲線17可編輯課件PPT1.6.3力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法力傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度與動(dòng)態(tài)力測試系統(tǒng)的頻率特性需在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。1.6.3.1正弦激勵(lì)法力傳感器的頻率響應(yīng)用正弦激勵(lì)法校準(zhǔn)。方法是將力傳感器安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，在力傳感器頂部安裝一個(gè)重塊，以恒定的加速度在不同的頻率下激勵(lì)力傳感器，并記錄下力傳感器的輸出，即為該力傳感器的頻率響應(yīng)。1.6.3.1沖擊力法這種方法是將力傳感器安裝在基礎(chǔ)上，落錘上安裝有加速度計(jì)，落錘自由下落，撞擊力傳感器，并記錄加速度計(jì)與力傳感器的響應(yīng)，即可求得力傳感器的靈敏度。用譜分析的方法，可以測出力傳感器的諧振頻率與頻率響應(yīng)。18可編輯課件PPT1.6.4電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法1.6.4.1靜標(biāo)定系統(tǒng)該系統(tǒng)由靜校器、測量電路、高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電源、數(shù)個(gè)電壓表、被測導(dǎo)體及被校傳感器組成。靜標(biāo)定系統(tǒng)示意圖如圖1.117所示。圖1.117靜標(biāo)定系統(tǒng)示意圖數(shù)字電壓表穩(wěn)壓電源測量電路傳感器測試盤千分尺19可編輯課件PPT1.6.4.2靜標(biāo)定方法

將被校準(zhǔn)傳感器固定于靜校器上，并將傳感器輸出送到測量電路中。被測導(dǎo)體（測試盤）和靜校器的千分尺相連，旋動(dòng)千分尺，被測導(dǎo)體和傳感器之間便有相對(duì)位移。被測導(dǎo)體和傳感器端面接觸時(shí)，，然后反轉(zhuǎn)千分尺，記下不同值時(shí)，傳感器的輸出電壓讀數(shù)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，可繪出特性曲線，如圖1.118所示。圖1.118特性曲線

20可編輯課件PPT1.7測試方案制定與測試系統(tǒng)選擇1.7.1測試方案的制定步驟如下：⑴根據(jù)所要研究、解決問題的性質(zhì)與要求，來確定測試的詳細(xì)內(nèi)容和方法，選定測試條件（現(xiàn)場、實(shí)驗(yàn)室）；⑵根據(jù)測試對(duì)象，選擇合適的儀器的種類與數(shù)量；⑶根據(jù)測試的要求，確定測試系統(tǒng)，選擇合適的記錄設(shè)備，作好測量前的準(zhǔn)備工作，如環(huán)境溫度、電源參數(shù)、儀器型號(hào)、通道號(hào)、衰減檔等都需作詳細(xì)的記錄；⑷確定整個(gè)測試方案及繪制框圖，并進(jìn)行測量系統(tǒng)的標(biāo)定與校準(zhǔn)。21可編輯課件PPT1.7.2測試系統(tǒng)的選擇測試系統(tǒng)的選擇需注意以下幾點(diǎn)：⑴性能穩(wěn)定可靠；⑵足夠的精度，能適應(yīng)惡劣環(huán)境；⑶足夠的動(dòng)態(tài)特性，即響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)；⑷多功能；⑸實(shí)際處理功能；⑹能長期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；⑺低功耗，可用多種電源供電。22可編輯課件PPT1.7.2.1傳感器的選擇⑴根據(jù)所要測量的參數(shù)，選擇傳感器的型式；⑵根據(jù)所要測量的參數(shù)，確定傳感器的安裝方向；⑶安裝方式；⑷尺寸與重量；⑸電纜：連接方式、長度、屏蔽等；⑹輔助裝置；⑺最大運(yùn)動(dòng)界限；⑻最小運(yùn)動(dòng)界限；⑼靈敏度、橫向靈敏度、頻率范圍、相位特性、使用溫度范圍、抗干擾能力等。23可編輯課件PPT1.7.2.2放大器的選擇⑴輸入特性：最大允許輸入值單端輸入（一端接傳感器，一端接地）差動(dòng)輸入（兩端均接傳感器）輸入方式直流耦合交流耦合輸入耦合方式高阻輸入低阻輸入輸入阻抗24可編輯課件PPT⑵放大特性：①增益范圍及增益的穩(wěn)定性；②帶寬；③線性度。⑶輸出特性①滿足顯示、記錄設(shè)備的要求；②輸出的穩(wěn)定性。⑷其它特性①信噪比；②增益的溫度系數(shù)；③抗干擾能力。25可編輯課件PPT1.7.2.3記錄儀器的選擇⑴頻率沖擊波：采用高速瞬態(tài)波形記錄儀器或帶掃描變換器的波形記錄儀；低頻振動(dòng)：采用盒式磁帶模擬數(shù)據(jù)記錄儀。⑵信號(hào)持續(xù)時(shí)間瞬變信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，可采用高速瞬態(tài)波形記錄儀器或帶掃描變換器的波形記錄儀；超低頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間長，若信號(hào)持續(xù)時(shí)間長而變化又較快時(shí)，采用大容量的瞬態(tài)記錄儀、DR方式磁帶記錄儀等。⑶信號(hào)的幅度、內(nèi)阻、輸出功率等⑷信號(hào)的通道數(shù)⑸記錄精度26可編輯課件PPT1.7.3典型測量與監(jiān)測系統(tǒng)1.7.3.1車輛的振動(dòng)測試與分析收割機(jī)在土路上以的最高速度行駛時(shí)，四個(gè)車輪振動(dòng)對(duì)座椅振動(dòng)的影響如何？測振傳感器選用應(yīng)變片式加速度計(jì)，測點(diǎn)布置如下圖。

圖1.119測點(diǎn)布置圖1、2、3、4、5應(yīng)變式加速度計(jì)、、27可編輯課件PPT測試系統(tǒng)框圖如圖1.120所示。圖1.120測試系統(tǒng)框圖１＃應(yīng)變式加速度計(jì)２＃應(yīng)變式加速度計(jì)３＃應(yīng)變式加速度計(jì)５＃應(yīng)變式加速度計(jì)４＃應(yīng)變式加速度計(jì)低通濾波器動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀磁帶記錄儀電池28可編輯課件PPT將磁帶記錄儀記錄的加速度信號(hào)輸送到頻譜分析儀中進(jìn)行自譜、互譜、傳遞函數(shù)及凝聚函數(shù)分析，其自譜與凝聚函數(shù)如圖1.121所示。座椅振動(dòng)加速度的自譜如圖1.121所示。由圖可見，座椅振動(dòng)的頻率主要在以下。凝聚函數(shù)如圖1.121所示，圖中：右后輪與座椅振動(dòng)之間的凝聚函數(shù)；左前輪與座椅振動(dòng)之間的凝聚函數(shù)；右前輪與座椅振動(dòng)之間的凝聚函數(shù)。29可編輯課件PPT圖1.121座椅振動(dòng)自譜圖30可編輯課件PPT圖1.121座椅振動(dòng)凝聚函數(shù)圖31可編輯課件PPT圖1.121座椅振動(dòng)凝聚函數(shù)圖32可編輯課件PPT圖1.121座椅振動(dòng)凝聚函數(shù)圖33可編輯課件PPT由圖1.121可以看出:⑴右后輪與座椅的振動(dòng)之間的凝聚函數(shù)的值都在左右。說明座椅的振動(dòng)主要不是由右后輪振動(dòng)引起。左后輪振動(dòng)對(duì)座椅振動(dòng)的影響很小，故在圖中未畫出。⑵左前輪與座椅的振動(dòng)之間的凝聚函數(shù)的值在（）的頻率范圍內(nèi)較大，達(dá)以上，即在這個(gè)頻率范圍內(nèi)左前輪振動(dòng)對(duì)座椅振動(dòng)的影響較大。⑶右前輪與座椅的振動(dòng)之間的凝聚函數(shù)的值在（）和（）的頻率范圍內(nèi)較大，也達(dá)到以上，即在這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)右前輪振動(dòng)對(duì)座椅振動(dòng)的影響也較大。

34可編輯課件PPT1.7.3.2機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)機(jī)床振動(dòng)會(huì)影響動(dòng)態(tài)精度和被加工零件的質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率和刀具的耐用度。強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)降低機(jī)床的使用性能。通過動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，可了解其動(dòng)態(tài)特性，尋找出防止和消除機(jī)床振動(dòng)的方法和提高抗振性的途徑。

立式鉆床脈沖激勵(lì)法的實(shí)驗(yàn)框圖如圖1.122所示。測得的諧振頻率與振型圖如圖1.123所示。實(shí)驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)脈沖激勵(lì)具有激勵(lì)能量集中、精度高、模態(tài)分辨率強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但所需實(shí)驗(yàn)時(shí)間長具有方法簡單、實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、頻響寬等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)而言精度略差一點(diǎn)35可編輯課件PPT圖1.122脈沖激勵(lì)法測試系統(tǒng)框圖1－立式鉆床；2－沖擊錘；3－加速度傳感器；4－電荷放大器；5－分析儀；6－繪圖儀36可編輯課件PPT圖1.123立式鉆床固有振型37可編輯課件PPT1.7.3.3大型汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測對(duì)于一些汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等機(jī)組，在發(fā)生故障前的一段時(shí)間內(nèi)，必然產(chǎn)生異常振動(dòng)現(xiàn)象，因此配備一套振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行中的異常振動(dòng)，排除隱患，防止事故。圖1.124是某電廠大型汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測示意圖。多路電荷放大器雙積分電路顯示器報(bào)警器打印機(jī)顯示器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)軸承軸承圖1.124大型發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測示意圖38可編輯課件PPT1.7.3.4環(huán)境振動(dòng)測量分析火車駛過時(shí)引起地表振動(dòng)，對(duì)兩邊建筑物的影響可用加速度傳感器進(jìn)行測量，測點(diǎn)布置如圖1.125所示。

圖1.125火車引起地表振動(dòng)的監(jiān)測點(diǎn)分布圖39可編輯課件PPT表1.21給出了火車引起周圍環(huán)境振動(dòng)的幅頻特性。表1.21火車激起環(huán)境振動(dòng)的加速度值測點(diǎn)貨車垂直振動(dòng)客車垂直振動(dòng)貨車水平振動(dòng)客車水平振動(dòng)鐵路道邊81.5

dB78.5

dB90.5

dB84

dB一樓地面66.4

dB64.5

dB59.5

dB59

dB二樓地面

65

dB63.5

dB55

dB53.5

dB三樓地面65.5

dB64.5

dB54.5

dB54

dB40可編輯課件PPT由表可知：客車比貨車激起的振動(dòng)加速度小。經(jīng)頻譜分析，振動(dòng)的主要能量集中在，其頻譜如圖1.126所示。

圖1.126火車振動(dòng)頻譜圖垂直振動(dòng)，測點(diǎn)路基；41可編輯課件PPT圖1.126火車振動(dòng)頻譜圖垂直振動(dòng)，測點(diǎn)三樓；42可編輯課件PPT圖1.126火車振動(dòng)頻譜圖水平振動(dòng)，測點(diǎn)路基；43可編輯課件PPT圖1.126火車振動(dòng)頻譜圖水平振動(dòng)，測點(diǎn)二樓44可編輯課件PPT1.7.3.5橋墩水下部位裂紋探測鐵路、公路橋梁橋墩的檢測對(duì)保證交通安全是十分重要的。但橋墩水下和地表以下部位的缺陷是很難直接發(fā)現(xiàn)的，用壓電加速度計(jì)來檢測橋墩的振動(dòng)，并進(jìn)行譜分析，則可較準(zhǔn)確地判斷橋墩的內(nèi)部缺陷。圖1.127為橋墩水下部位裂紋探測示意圖。用放電炮的方式通過水箱使橋墩承受一個(gè)垂直方向的激勵(lì)，用壓電加速度計(jì)測量橋墩的響應(yīng)，經(jīng)電荷放大器、數(shù)據(jù)記錄儀，送入頻譜分析儀。經(jīng)頻譜分析后，可判定橋墩有無缺陷。45可編輯課件PPT圖1.127橋墩水下部位裂紋探測示意圖缺陷放電炮用水箱（起振箱）壓電加速度計(jì)電荷放大器數(shù)據(jù)記錄儀頻譜分析儀46可編輯課件PPT無缺陷的橋墩相當(dāng)于一個(gè)堅(jiān)固的整體，即相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量塊，其橋墩的力學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)單自由度系統(tǒng)，振動(dòng)只有一個(gè)諧振點(diǎn)，其加速度響應(yīng)曲線為單峰，如圖1.127所示；有缺陷時(shí)，橋墩的力學(xué)系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，相當(dāng)于兩個(gè)或多個(gè)自由度系統(tǒng)，具有多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，加速度曲線為雙峰或多峰，如圖1.127所示。圖1.127、橋墩水下部位裂紋探測示意圖47可編輯課件PPT1.7.3.6穩(wěn)態(tài)正弦波頻率掃描試驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)方法研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，有兩類方法：⑴保持激振力幅恒定，進(jìn)行頻率掃描，測量