安全监测监控技术及应用.ppt

第四章：常用的安全检测方法第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测噪声噪声噪声即噪闹之声，是指使人感到烦躁、令人讨厌的声音的统称。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测1）声音是在某种弹性介质中的一种振动过程。2）产生振动的振源频率在2020000Hz(赫兹)之间时，人可以听到它，称为声波。3）低于20Hz的波动称为次声波4）高于20000Hz的波动称为超声波。5）声音是声波以纵波形式在介质中的传播。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测1）影响睡眠和休息。长期下去，就会引起失眠、耳鸣、多梦、疲劳无力、记忆力衰退等。2）损害人的听力。噪声可以造成人体暂时性和持久性听力损伤。一般来说，85分贝以下的噪声不至于危害听觉，而超过100分贝时，将有近一半的人耳聋。3）引起人体其他疾病。一些实验表明噪声对人的神经系统、心血管系统都有一定影响、长期的噪声污染可引起头痛、惊慌、神经过敏等，甚至引起神经官能症。噪声也能导致心跳加速、血管痉挛、高血压、冠心病等。4）干扰人的正常工作和学习。当噪声高于90分贝时，交谈和思维几乎不能进行，它将严重影响人们的工作和学习。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测1）噪声的度量参数声压和声压级声压是指某点上各瞬间的压力与静压力之差值，单位为N/m，即帕(Pa)。2在空气中，正常人刚能听到的1000Hz声音的声压为210Pa，称为听阈声压，并规定为基准参考声压，记为P0。当声压为20Pa时，能使人耳开始产生疼痛，称之为痛阈声压。-5声压级表示声压与准参考声压P0的相对关系，记为LP，即第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测1）噪声的度量参数声强和声强级声强是在传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能量，记为I，单位为W/m。2声强级表示声强与参考声强I0（取I0=10W/m2）的相对关系，记为LI，即-12第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测1）噪声的度量参数声功率与声功率级声功率是声源在单位时间内发射出的总能量，用W表示，单位为瓦(W)。通用语言与若干乐器输出声功率值的近似值通用语言与若干乐器输出声功率值的近似值声源峰值功率男生会话210-3女生会话410-3单簧管510-2低音提琴1610-2钢琴2710-2管乐器3110-237in36in的低音鼓25.075件乐器的交响乐70100声功率级表示声功率W与参考基准声功率W0（W0=10W）的相对关系，记为LW，即-12第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测1）噪声的度量参数多声源的噪声级合成N个噪声级相同的声源，在离声源距离相同的一点所产生的总声压级为当两个不同噪声极L1和L2同时作用，且L1 L2时，则从噪声极L1到总噪声级L的附加值L可由下式第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的频谱分析做频谱分析时要把噪声划分成一定宽度的频带。各频带噪声的声压级称为频带声压级。在噪声研究中，常采用倍频程分析。两个频率相差一个倍频程意味着其频率之比为2，相差2个倍频程即为。相差n个倍频程时，两个频率之间有关系式：常用的还有1/3倍频程，即在两个相距为1倍频程的频率之间插入两个频率，其4个频率成如下比例：1:2:2:2。1/32/3第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的频谱分析按倍频程均匀划分的频带，其中心频率fn分别为各频带上下限频率之比例中项，即第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的响度分析及评价声音总效果声压声频率声音持续时间人的主观情况第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的响度分析及评价引入一个综合的声音强度的量度响度、响度级为使在任何频率条件下主客观量都能统一，就需要在各种频率条件下对人的听力进行试验，即选取1000Hz纯音作为基准音，其噪音听起来与基准纯音一样响，则噪声的响度级就等于这个纯音的声压级(分贝数)，试验得出的曲线称为等响曲线。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的响度分析及评价响度单位宋：频率1000Hz，声压比阀值声压大40dB的声音响度为1宋，在此基础上，声压级每增加10分贝，响度增加1倍。响度单位方：等响曲线上，频率1000Hz的纯音的声压级。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的响度分析及评价a.纯音响度、响度级计算b.噪声总响度的计算先测出噪声的频带声压级，然后从响度指数曲线查出各频带的响度指数，再按下式计算总响度：式中总响度，宋；频带中最大的响度指数；所有频带的响度指数之和；常数，对倍频带、1/2倍频带和1/3倍频带分别为0.3、0.2和0.15。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价噪声的响度分析及评价b.噪声总响度的计算从等响度曲线出发，在测量仪器上通过采用某些滤波器网络，对不同频率的声音信号实行不同程度的衰减，使得仪器的读数能近似地表达人对声音的响应，这种网络称为频率计权网络。A计权网络是效仿倍频程等响曲线中的40方曲线而设计，它较好地模仿了人耳对低频段(500Hz以下)不敏感，而对于10005000Hz声敏感的特点。B计权网络是效仿70方等响曲线，对低频有衰减。C计权网络是效仿100方等响曲线，在整个可听频率范围内近于平直，因此C计权网络表示总声压级。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价等效连续声级与噪声评价标准时间反映声音、频率、时间综合作用效果的噪声量度叫做等效连续声级。式中I(t)瞬时声强；基准声强；T某段统计时间总和，T=T1+T2+Tn；L某一间断时间内的A声级。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测2）噪声的分析与评价等效连续声级与噪声评价标准国际标准化组织(ISO)1971年提出利用噪声评价曲线确定噪声容许标准，左图为噪声评价曲线。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量仪器噪声的测量主要是声压级、声功率级及其噪声频谱的测量。一套声压级测量仪器包括传声器、声级计、频率分析仪、校准器等。可以利用声级计和滤波器进行简易的噪声频率分析，还可以将声级计的输出接信号分析仪进行精密的频率分析。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量仪器传声器传声器是将声波信号转换为相应电信号的传感器。其原理是用变换器把由声压引起的振动膜振动变成电参数的变化。根据变换器的形式不同，常用传声器有电容式、动圈式、压电式和永电体式等第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量仪器传声器振膜是一张拉紧的金属薄膜，厚度在0.00250.05mm之间，它在声压的作用下发生变形，起着可变电容器动片的作用，可变电容器的定片是背级。壳体上开有毛细孔，用来平衡振膜两侧的静压力，以防止振膜的破裂，而动态的应力变化(声压)很难通过毛细孔作用于内腔，从而保证仅有振膜的外测受到声压的作用。精密测量中最常用的一种传声器，其稳定性、可靠性、耐震性，以及频率特性均较好。其幅频特性平直部分的频率范围约为10Hz20kHz。a.电容式传声器第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量仪器传声器b.动圈式传声器动圈式传声器的结构如图，一个轻质振膜的中部有一个线圈，线圈放在永久磁场的气隙中，在声压的作用下，振膜和线圈移动并切割磁力线，产生与线圈移动速度成正比的感应电势。精度、灵敏度较低，体积大。其突出特点是输出阻抗小，所以接较长的电缆也不降低其灵敏度。温度和湿度的变化对其灵敏度也无大的影响。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量仪器传声器c.压电式传声器金属膜片与双压电晶体弯曲梁相连，膜片受到声压作用而变形时，双压电元件也产生变形，在压电元件梁端面产生电荷。通过变换电路可以输出电信号。膜片较厚，其固有频率较底，灵敏度较高，频响曲线平坦，结构简单、价格便宜，广泛用于普通声级计中。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量仪器声级计声级计是用一定频率和时间计权来测量声压级的仪器。声级计的种类很多，如调查用的声级计(三级)只有A计权网络；普通声级计(二级)具有A，B，C计权网络；精密声级计(一级)除了具有A、B、C计权网络外，还有外接滤波器插口，可进行倍频程或1/3倍频程滤波分析。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用噪声测量应注意的问题a.测量部位的选取传声器与被测机械噪声源的相对位置对测量结果有显著影响，因而，在进行数据比较时，必须标明传声器离开噪声源的距离。根据我国噪声测量规范：一般测点选在距机械表面1.5m，并离地面1.5m的位置；若机械本身尺寸很小(如小于0.25m)，测点应距所测机械表面较近，如0.5m，但应注意测点与测点周围反射面相距在23m以上；机械噪声大，测点宜取在相距510m处；对于行驶的机动车辆，测点应在距车体7.5m，并高出地面1.2m处；第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用噪声测量应注意的问题a.测量部位的选取相邻很近的两个噪声源，测点宜距噪声源很近，如0.2m或0.1m；如果研究噪声对操作人员的影响，可把测点选在工作人员经常所在的位置，以人耳的高度为准选择若干个测点；做为一般噪声源，测点应在所测机械规定表面的四周均布，且不少于4点；如相邻测点测出声级相差5dB以上，应在其间增加测点，机械的噪声级应取各测点的算术平均值；如果机械噪声不是均匀地向各个方向辐射，除了找出A声级最大的一点作为评价该机器噪声的主要依据外，同时还应当测出若干点(一般多于五点)作为评价的参考。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用噪声测量应注意的问题b.测量时间的选取测量各种动态设备的噪声，当测量最大值时，应取起动时或工作条件变动时的噪声，当测量平均正常噪声时，应取平稳工作时的噪声，当周围环境的噪声很大时，应选择环境噪声最小时(比如深夜)测量。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用噪声测量应注意的问题c.本底噪声的修正本底噪声，是指被测定的噪声源停止发声时，其周围环境的噪声。测量时，应当避免本底噪声对测量的影响。对被测对象进行噪声测量，所测得的总噪声级是被测对象噪声和本底噪声的合成。在存在本底噪声的环境里，被测对象的噪声无法直接测出，可由测到的合成噪声内减去本底噪声得到。本底噪声应低于所测机器噪声10分贝以上，否则应在所测机器噪声中扣除环境噪声修正值L。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用噪声测量应注意的问题d.干扰的排除电压不稳、气流、反射和传声器方向会影响的噪声测量的结果。电源电压如达不到规定范围，或者工作不稳定，将直接影响测量的准确性；进行噪声测量时，要避免气流的影响，若在室外测量，最好选择无风天气，风速超过四级以上时，可在传声器上戴上防风罩或包上一层绸布，在管道里测量时，在气流大的部位，如管壁口，也应如此，在空气动力设备排气口测量时，应避开风口和气流。测量时，还应注意反射所造成的影响，应尽可能地减少或排除噪声源周围的障碍物，在不能排除时要注意选择点的位置。用声级计进行测量时，若其传声器取向不同，测量结果也有一定的误差，因而，各测点都要保持同样的入射方向。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用声功率的测量和计算在一定的条件下，机器辐射的声功率是一个恒定的量，它能够客观地表征机器噪声源的特性。但声功率不是直接测出的，而是在特定的条件下由所测得声压级计算出来的，第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用声功率的测量和计算a.自由场法把机器放在室外空旷无噪声干扰的地方或在消声室内，即自由声场中。测量以机械为中心的半球面上或半圆柱面上（长机械）若干均匀分布点的声压级，便可以求得声功率级：Lw=Lp+10lgS式中:S测试球面或半圆柱面的面积（米2）；Lpn个测点的平均声压级，第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用声功率的测量和计算b.参考声源法自由场法要求的条件很难得到满足。这时，可采用一个已知声功率级Lp的参考声源与被测的噪声源相比较来测定机器的声功率。在相同的条件下，噪声源的声功率级Lw可用下式表示：Lw=Lp+L+Lr式中:L以机器为中心，半径为r的半球面上测出该噪声源的平均声压级；Lr 关掉噪声源，参考声源置于噪声源的位置，在同样测点上测得的平均声压级。第四章：常用的安全检测方法4.1噪声及其检测3）噪声测量的应用噪声诊断的应用噪声的测试与诊断在机械工程、航空航天、国防爆破、城市建设、房屋建筑、环境保护等方面都有很大的应用价值，随着工业技术的发展，越来越占有更重要的地位。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识振动三要素：振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数。简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即振动的运动规律为：式中：y-振动位移；t-时间；f-振动频率；A-位移的最大值，称为振幅；T-振动周期，为振动频率f的倒数；w-振动角频率；j-初始相位角。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识质量块受力产生的受迫振动在外力f(t)的作用下，质量块m的运动方程为：式中：c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，位移y(t)为振动系统的输出。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识质量块受力产生的受迫振动二阶系统，其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数、相频特性函数j(w)分别为：式中：w基础运动的圆频率；z振动系统的阻尼系数：wn振动系统的固有频率：第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识基础运动产生的受迫振动单自由度系统在基础受力作用下所产生的受迫振动质量块m的运动方程为:y1(t)为基础的绝对位移；y0(t)质量块m的绝对位移。令y01(t)=y0(t)-y1(t)，则有：第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识基础运动产生的受迫振动系统频率响应函数H()和幅频特性函数A()、相频特性函数()分别为：第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测1）振动的基础知识基础运动产生的受迫振动当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，两者相对运动极小；当激振频率远高于固有频率时，A()接近于1，输出和输入近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态；对于单自由度系统，可以用一元二次微分方程进行描述。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测2）振动的激励与激振器在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、响应和模态等时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。激励方式通常可以分为稳态正弦激振、瞬态激振和随机激振三种。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测2）振动的激励与激振器稳态正弦激振稳态正弦激振是最普遍的激振方法，它是借助激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。其优点是激振功率大，信噪比高，能保证响应测试的精度。稳态正弦激振要求在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差。为了测得整个频率范围内的频率响应，必须用多个频率进行试验以得到系统的响应数据，需要注意的是在每个测试频率处，只有当系统达到稳定状态才能进行测试，这对于小阻尼系统尤为重要。因此测试时间相对较长。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测2）振动的激励与激振器瞬态激振瞬态激振为对被测对象施加一个瞬态变化的力，是一种宽带激励方法。常用的激励方式有以下几种：a.快速正弦扫描激振b.脉冲激振c.阶跃（张弛）激振快速正弦扫描信号及其频谱第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测2）振动的激励与激振器激振器常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测2）振动的激励与激振器激振器a.电动式电动式激振器电动激振器主要用于对被激对象作绝对激振，因而在激振时最好让激振器壳体在空间保持基本静止，使激振器的能量尽量用于对被激对象的激励上。1激振器2试件3弹簧4柔性杆第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测2）振动的激励与激振器激振器b.电磁式电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。励磁线圈3包括一组直流线圈和一组交流线圈，当电流通过励磁线圈便产生相应的磁通，从而在铁芯2和衔铁4之间产生电磁力，实现两者之间无接触的相对激振。用力检测线圈5检测激振力，位移传感器6测量激振器与衔铁之间的相对位移。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动的激励与激振器激振器c.电液式1顶杆2电液伺服阀3活塞电液式激振器的优点是激振力大，行程亦大，单位力的体积小。但由于油液的可压缩性和调整流动压力油的摩擦，使电液式激振器的高频特性变差，一般只适用于较低的频率范围，通常为零点几Hz到数百Hz，其波形也比电动式激振器差。此外，它的结构复杂，制造精度要求也高，并需一套液压系统，成本较高。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器机械振动测试方法一般有机械方法、光学方法和电测方法。机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度不高的场合。光学方法主要用于精密测量和振动传感器的标定。电测法应用范围最广。拾取振动信息的装置通常称拾振器，传感器是其核心组成部分。表达振动信号特性的基本参数是位移、速度、加速度、频率和相位。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器a.测振传感器的合理选择被测量是位移、速度或加速度l低频时直接用位移传感器；l高频用加速度传感器；l考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量；l考察振动环境时，宜作振动速度的测量；l要监测机件的位置变化时，宜作位移的测量。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器a.测振传感器的合理选择传感器的频率范围、量程、灵敏度l根据被测系统的振动频率范围来选用；l一般质量大的拾振器上限频率低、灵敏度高；l质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器a.测振传感器的合理选择使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、校准l等例如激光测振尽管有很高的分辨力和测量精确度，由于对环境（隔振）要求极严、设备又极昂贵，它只适用于实验室作精密测量或校准。l电涡流和电容传感器均属非接触式，但前者对环境要求低而被广泛应用于工业现场对机器振动的测量中。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器b.惯性式传感器惯性式拾振动器的力学模型当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，两者相对运动极小；当激振频率远高于固有频率时，A()接近于1，输出和输入近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器c.电涡流式位移传感器l电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器；l涡流传感器已成系列，测量范围从0.5mm至10mm以上，灵敏阈约为测量范围的0.1%。l常用的外径8mm的传感器与工件的安装间隙约1mm，在0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm，频响范围为012000Hz。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器c.电涡流式位移传感器电涡流位移传感器测量轴振动的示意图轴心轨迹和两个传感器的时域波形图第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器d.磁电式速度传感器1弹簧2壳体3阻尼环4磁钢5线圈6芯轴磁电式绝对速度计绝对式速度计实际上是先由惯性系统将被测物体的振动速度z1(t)转换成质块壳体的相对速度z01(t)，而后用磁电变换原理，将z01(t)转换成输出电压的。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器d.磁电式速度传感器1顶杆2弹簧片3磁钢4线圈5引出线6壳体磁电式相对速度传感器第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器d.磁电式速度传感器绝对式速度计固有频率一般取为1015Hz。上限测量频率决定于传感器的惯性部分质量，一般在1kHz以下。磁电式振动速度传感器的优点是不需要外加电源，输出信号可以不经调理放大即可远距离传送，这在实际长期监测中是十分方便的。另一方面，由于磁电式振动速度传感器中存在机械运动部件，它与被测系统同频率振动，不仅限制了传感器的测量上限，而且其疲劳极限造成传感器的寿命比较短。在长期连续测量中必须考虑传感器的寿命，要求传感器的寿命大于被测对象的检修周期。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器d.压电式加速度传感器(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型惯性式传感器压电式加速度计的幅频特性曲线S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器常用测振传感器d.压电式加速度传感器加速度计的固定方法第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器测振装置的校准第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器测振装置的校准接触式传感器，常用的校准方法有绝对法和相对法。绝对法将拾振器固定在校准振动台上，由正弦信号发生器经功率放大器推动振动台，用激光干涉振动仪直接测量振动台的振幅，再和被校准拾振器的输出比较，以确定被校准拾振器的灵敏度，这便是用激光干涉仪的绝对校准法。此方法可以同时测量拾振器的频率响应。采用激光干涉仪的绝对校准法设备复杂，操作和环境要求高，只适合计量单位和测振仪器制造厂使用。振动仪器厂家常生产一种小型的、经过校准的已知振级的激振器。这种激振器只产生加速度为已知定值的几种频率的激振。这种装置不能全面标定频率响应曲线，但可以在现场方便地核查传感器在这给定频率点的灵敏度。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器测振装置的校准相对法又称为背靠背比较校准法。将待校准的传感器和经过国家计量等部门严格校准过的传感器背靠背地（或仔细地并排地）安装在振动试验台上承受相同的振动。将两个传感器的输出进行比较，就可以计算出在该频率点待校准传感器的灵敏度。这时，严格校准过的传感器起着“振动标准传递”的作用。通常称为参考传感器。第四章：常用的安全检测方法4.2振动检测3）振动测量与测振传感器测振装置的校准涡流位移传感器的校准仪第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力？通过对结构的力、扭矩和压力的测量，可以分析其受力状况和工作状态，验证设计计算，确定工作过程和某些物理现象的机理。对设备和结构的安全运行、自动控制及设计理论的发展等都有重要指导作用。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量力的静力效应和动力效应力的静力效应和动力效应利用静力效应测力利用静力效应测力：力的静力效应使物体产生变形，通过测定物体的变形量或用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值。例如，可用差动变压器、激光干涉等方法测定弹性体变形达到测力的目的；也可利用与力有关的物理效应，如压电效应、压磁效应等。利用动力效应测力：利用动力效应测力：力的动力效应使物体产生加速度，测定了物体的质量及所获得的加速度大小就测定了力值。在重力场中地球的引力使物体产生重力加速度，因而可以用已知质量的物体在重力场某处的重力来体现力值。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量1）应力、应变的测量常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。回忆应变片和电桥！l电桥加减特性l调平衡l提高测量灵敏度l温度补偿l消除弯矩影响第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量1）应力、应变的测量第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量1）应力、应变的测量第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量1）应力、应变的测量第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量2）电阻应变式测力装置测量力时可以在弹性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。柱式弹性元件第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量2）电阻应变式测力装置柱式弹性元件弹性范围内：式中：F作用在弹性元件上的集中力；E材料弹性模量，碳钢E=200220GPa；A圆柱的横截面积。对于实心圆柱弹性元件的直径：对于空心圆柱弹性元件的外径：第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量2）电阻应变式测力装置梁式弹性元件通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。等截面梁式弹性元件：当力作用在自由端时，刚性端截面中产生的应力最大，而自由端产生的挠度最大，在距受力点为l0的上下表面，沿l向贴电阻应变片R1，R2和R3，R4。粘贴应变片处的应变为：第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量2）电阻应变式测力装置梁式弹性元件等强度梁：梁厚为h，梁长为l，固定端宽为b0，自由端宽为b。集中力F作用在顶点。梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁，其应变为：第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量2）电阻应变式测力装置梁式弹性元件 双端固定梁双端固定梁：双端固定梁的二端都固定，中间加载荷F，梁宽为b，梁厚为h，梁长为l，应变片粘贴在中间位置，则梁的应变为：这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂梁小。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量2）电阻应变式测力装置环式弹性元件通过元件的弯曲变形测力。在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同，其中与作用力成39.6处(图中B点)应变等于零。在水平中心线上则有最大的应变：式中：R为圆环外径，h为圆环壁厚，b为圆环宽度。将应变片贴在1、2、3和4处，1、3处受拉应力；2、4处受压应力。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量3）其它测力传感器电容式力传感器其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量3）其它测力传感器压电式力传感器其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。压磁式测力装置某些铁磁材料受到外力作用时，引起导磁率变化现象，称作压磁效应。其逆效应称作磁致伸缩效应。硅钢受压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。在硅钢叠片上开有4个对称的通孔，孔中分别绕有互相垂直的两个线圈，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量3）其它测力传感器差动变压器式测力传感器差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次极产生相应电信号。其特点是工作温度范围较宽，为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量4）扭矩的测量原理扭矩由力和力臂的乘积来定义，单位是Nm。测量转轴应变和测量转轴两横截面相对扭转角的方法来测量扭矩。当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力max。在与轴线成45度的方向上有最大正应力1和2，其值为1=2=max。相应的变形为1和2，当测得应变后，便可算出max。轴的扭矩为：Wn材料的抗扭模量，对于实心圆轴：第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量4）扭矩的测量原理第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量4）扭矩的测量扭矩测量信号的传输集电装置由两部份组成：与应变片相连，随旋转件转动的集流环（滑环）和与外部测量仪器相连，压靠在滑环上的电刷（拉线）。第四章：常用的安全检测方法4.3力、扭矩、压力的测量4）扭矩的测量扭矩测量信号的传输对对集集电电装置一般要求装置一般要求(1)接触电阻变化所产生的虚假应变小于应变仪的读数误差，即T0）时，回路中就会产生电势，从而形成电流，串接在回路中的电流表指针将发生偏转，这一现象称为温差电效应，通常称为热电效应。相应的热电势称为温差电势，通常称为热电势。接点1称为工作端或热端(T)，测量时，将其置于被测的温度场中。接点2称为自由端或冷端（T0），测量时，其温度应保持恒定。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量2）热电偶温度计中间温度定律热电偶的热电势只取决于构成热电偶的两个电极A、B的材料性质以及A、B两个接点的温度值T、T0，而与温度热电极的分布以及热电极的尺寸和形状无关。热电偶的中间温度定律是指当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即:式中：Tn称为中间温度。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量2）热电偶温度计中间温度定律例如，用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T0=30时，测得热电势E(T,T0)=39.17mv，求实际炉温。由T0=30查分度表得E（30，0）=1.2mv，根据中间温度定律得:E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）=39.17+1.2=40.37(mv)则查表得炉温T=946。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量2）热电偶温度计中间导体定律在热电偶测温回路中，通常要接入导线和测量仪表。中间导体定律指出，在热电偶回路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路的总的热电势没有影响。热电偶接入中间导体的回路第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量2）热电偶温度计标准电极定律如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为:标准电极定律使得热电偶电极的选配提供了方便。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计热电阻温度计是利用金属导体或半导体的感温电阻，把温度的变化转换成电阻值变化的传感器。热电阻和热敏电阻是利用电阻率的温度系数，随温度的变化而变化的特点而工作的。纯金属有正的温度系数，温度每升高1,电阻约增加0.40.6%，而半导体电阻率却随温度升高而减少，即有负的电阻温度系数。在20时，温度每变化1，电阻率却要变化约-2%-6%，它们都可用来制造热电阻或热敏电阻。第四章：常用的安全检测方法4.3温度的测量3）热电阻温度计金属电阻温度计对于绝大多数金属，电阻随温度升高而增大的特性方程为：式中：Rt,Rt0分别为热电阻在t和t0时的电阻值；a1,a2,.,an热电阻的温度系数（1/）。温度系数ai在一定的温度范围内，可以近似认为为一个常数，不同的金属导体，ai取值的范围不同。通常情况下，它是温度的函数。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计金属电阻温度计在选用感温材料时，应满足如下要求在选用感温材料时，应满足如下要求：l温度系数ai的值要大，纯金属的温度系数ai比合金要高；l在测量范围内，材料的物理、化学性质应稳定；l在测量范围内，电阻温度系数要保持常数；l具有较高的电阻率；l材料容易提纯，确保较好的复制性；l满足以上要求的材料有铂、铜、铁和镍。而铂和铜应用较广。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计铂热电阻铂丝在0以上，其电阻值与温度之间具有较好的线性度。铜热电阻铜热电阻的线性较好。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计半导体热敏电阻由于半导体热敏电阻比金属热电阻具有更高的电阻温度系数，所以它有较高的灵敏度。同时，具有较好的动态特性。半导体热敏电阻包括正温度系数、负温度系数、临界温度系数热敏电阻等几类。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计半导体热敏电阻负温度系数热敏电阻的特性：热敏电阻的温度特性温度特性在工作温度范围内，应在微小工作电流条件下，使之不存在自身加热现象，此时热敏电阻与温度之间的关系近似符合指数函数规律，即:式中：T被测温度（K），T0参考温度（K）；RT，R0温度分别为T和T0时的热敏电阻值；B热敏电阻的材料常数，通常可由实验获得。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计半导体热敏电阻负温度系数热敏电阻的特性：热敏电阻伏安特性图在稳态情况下，通过热电阻的电流I与其两端之间的电压V的关系。当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热，电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律，适于温度测量；当电流增大到一定值时，流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性，即使电流增大，端电压反而下降。伏安特性第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量3）热电阻温度计半导体热敏电阻负温度系数热敏电阻的特性：安时特性热敏电阻安时特性安时特性是指热敏电阻在不同的外加电压下，电流达到稳定量值所需的时间。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量4）辐射测温全辐射温度计被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆上并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量4）辐射测温光学高温计和光电高温计结构简单，使用方便，测温范围广(7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。光学高温计是利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加的原理制成，由于采用单一波长进行亮度比较，也称单色辐射温度计。光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。光电高温计用光敏元件代替人眼，实现了光电自动测量。特点:灵敏度和准确度高；波长范围不受限制，可见光与红外范围均可，测温下限可向低温扩展；响应时间短；便于自动测量和控制，能自动记录和远距离传送。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量4）辐射测温比色高温计通过测量热辐射体在两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为比色温度计量程为8002000，精度为0.5，测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量4）辐射测温红外温测红外探测器是红外探测系统的关键元件，大体可分为两类：热探测器、光探测器。热探测器：它基于热电效应，即入射辐射与探测器相互作用时引起探测元件的温度变化，进而引起探测器中与温度有关的电学性质变化。常用的热探测器有热电堆型，热释电型及热敏电阻型。光探测器：它的工作原理基于光电效应,即入射辐射与探测器相互作用时，激发电子。光探测器的响应时间比热探测器短的多。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量4）辐射测温红外温测红外测温仪：表面温度测量范围为0600。第四章：常用的安全检测方法4.4温度的测量4）辐射测温红外温测红外热像仪测温基于被测物体的红外热辐射。能在一定宽温域做不接触、无害、实时、连续的温度测量。光学系统收集辐射线，经滤波处理后将景物图形聚集在探测器上，光学机械扫描包括两个扫描镜组:垂直扫描和水平扫描。扫描器位于光学系统和探测器之间，当镜子摆动时，从物体到达探测器的光束也随之移动，形成物点与物象互相对应。然后探测器将光学系统逐点扫描所依次搜集的景物温度空间分布信息，变为按时序排列的电信号，经过信号处理后，由显示器显示出可见图象物体温度的空间分布情况。第四章：常用的安全检测方法4.5微粒检测4）辐射测温红外温测