10典型测试系统设计实例.ppt

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1、测试技术测试技术 典型测试系统设计实例典型测试系统设计实例(4)第十章第十章内容内容 1.塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试2.无心磨削的工件棱圆度精密检测无心磨削的工件棱圆度精密检测3.高速机车轴温测试系统高速机车轴温测试系统4.润滑油膜厚度检测润滑油膜厚度检测5.缝纫机噪声源测试分析缝纫机噪声源测试分析6.旋转机械故障监测诊断网络化系统旋转机械故障监测诊断网络化系统重点重点：掌握一些具体的测试技术，对一个测试系统的设计有一个基本掌握一些具体的测试技术，对一个测试系统的设计有一个基本的概念，学会分析方法与设计思路的概念，学会分析方法与设计思路 测试系统的设计涉及测试系统的设计涉及p

2、明确测试任务明确测试任务p制定测试方案制定测试方案p选择传感器选择传感器p设计后续测试系统设计后续测试系统p测试系统效能分析测试系统效能分析回顾回顾回顾回顾测试对象测试对象 10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试测试任务测试任务对新设计的某型号塔式起重机样机进行对新设计的某型号塔式起重机样机进行强度检测强度检测 测试目的测试目的F通过测试来通过测试来验证理论计算验证理论计算，为产品的进一步改进，为产品的进一步改进提供依据提供依据F对样机对样机提出评价意见提出评价意见，作为新产品鉴定的依据，作为新产品鉴定的依据测试参考测试参考F根据原始设计资料，选择在应力应变最大处粘贴根据原始设计

3、资料，选择在应力应变最大处粘贴应变片进行测量应变片进行测量F根据两种不同破坏情况，按照根据两种不同破坏情况，按照JJ30-85JJ30-85塔式起重塔式起重机结构试验方法机结构试验方法测试静态、动态应力应变测试静态、动态应力应变 10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试强度检测强度检测正、切应力测量正、切应力测量 判断最大应力是否大于许用应力判断最大应力是否大于许用应力测试方案测试方案 问题最终归结于问题最终归结于测量测量最危险截面最危险截面的静态与动态应力应变的静态与动态应力应变 测量方法：测量方法：应变片应变片+电桥电桥静态测量静态测量时由于有多个测点，通常配用预调平衡箱，利用

4、外时由于有多个测点，通常配用预调平衡箱，利用外加电阻对电桥调平衡，以便于与应变仪连接加电阻对电桥调平衡，以便于与应变仪连接 动态测量动态测量由于测点少不需要配用预调平衡箱，直接与应变仪由于测点少不需要配用预调平衡箱，直接与应变仪连接，使用光线示波器作为动态应变记录装置连接，使用光线示波器作为动态应变记录装置 10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试静态应力测试系统框图静态应力测试系统框图 动态应力测试系统框图动态应力测试系统框图 测点布置：测点布置：测点测点位置位置和测点和测点方向方向是影响结构强度试验是否可靠的两个是影响结构强度试验是否可靠的两个 重要因素重要因素10.1塔式起重

5、机结构强度测试塔式起重机结构强度测试断面正应力分布断面正应力分布各种断面的应力分布规律：各种断面的应力分布规律：a a断面上通常只有两种力：正应断面上通常只有两种力：正应 力、剪应力力、剪应力b b断面断面角点处只有正应力，而无角点处只有正应力，而无 剪应力。剪应力。正应力的最大值出现正应力的最大值出现 在角点处在角点处,即为主应力。即为主应力。c c剪应力的分布形式根据其断面剪应力的分布形式根据其断面 形状不同而不同，一般来说，形状不同而不同，一般来说，最大剪应力产生在中性轴处。最大剪应力产生在中性轴处。10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试测点位置：测点位置：最大正应力法最大

6、正应力法角点法角点法箱形梁断面在外力拉（压）、弯曲、箱形梁断面在外力拉（压）、弯曲、扭（转）矩作用下的正应力分布扭（转）矩作用下的正应力分布贴片方法：在箱形断面贴片方法：在箱形断面角点处贴应变片。角点处贴应变片。测试方案测试方案 10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试测量系统共布置了测量系统共布置了20个测点个测点 测试条件测试条件 假设条件：假设条件：载荷不包括吊钩重量，载荷误差应小于载荷不包括吊钩重量，载荷误差应小于1%1%；各工况皆是处于各工况皆是处于空钩离地状态时进行仪器调零空钩离地状态时进行仪器调零；测试数据；测试数据均为吊重引起的应力，不应包括自重和风阻应力均为吊重引

7、起的应力，不应包括自重和风阻应力环境条件：环境条件：测试温度测试温度10102525，湿度，湿度50%50%70%70%，风力，风力1 1级级测试工况：测试工况：测试中选取了五种不同起重重量、三种变幅测试中选取了五种不同起重重量、三种变幅幅度、两种方位角进行组合变化，分别测试各种工况下最幅度、两种方位角进行组合变化，分别测试各种工况下最大应力大应力10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试测试步骤测试步骤 检查和调整试验样机检查和调整试验样机粘贴应变片并干燥、密封、检查绝缘粘贴应变片并干燥、密封、检查绝缘接好应变测试系统，调试仪器，合理选择灵敏度，消除不正常现象接好应变测试系统，调试

8、仪器，合理选择灵敏度，消除不正常现象取空载状态作为初始状态，将应变仪调零取空载状态作为初始状态，将应变仪调零按照测试工况，分别测试各种情况下的最大应力按照测试工况，分别测试各种情况下的最大应力10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试工况序号工况序号R距离距离Q吊重吊重测试点测试点备注备注110m29.4kN0 120额定载荷额定载荷210m29.4kN45 120额定载荷额定载荷310m36.75kN0 120超载超载25%410m36.75kN45 120超载超载25%518m17.15kN0 120额定载荷额定载荷618m17.15kN45 120额定载荷额定载荷718m21.

9、4kN0 120超载超载25%818m21.4kN45 120超载超载25%nQ起重量起重量nR幅度幅度吊点到吊点到塔机回转塔机回转中心的距中心的距离离n起重臂起重臂与塔身之与塔身之间的方位间的方位角角。数据处理与结果分析数据处理与结果分析静态：相同试验条件下多次测量取平均值静态：相同试验条件下多次测量取平均值动态：用光线示波器记录下动态应变曲线动态：用光线示波器记录下动态应变曲线,确定最大应力、确定最大应力、平均应力、动载系数。平均应力、动载系数。1 1）单向应力状态下的平面应力计算）单向应力状态下的平面应力计算 2）平面应力状态的主应力计算）平面应力状态的主应力计算3）与设计指标比较）与设

10、计指标比较10.1塔式起重机结构强度测试塔式起重机结构强度测试10.2无心磨削的工件棱圆度精密检测无心磨削的工件棱圆度精密检测 测试对象测试对象特点：加工自动定位特点：加工自动定位3点定位点定位导轮的摩擦力带动工件旋转导轮的摩擦力带动工件旋转导轮导轮的摩擦力和的摩擦力和砂轮砂轮的切削力使工件支撑在的切削力使工件支撑在托架托架上进行上进行自动定心自动定心，实现砂轮对工件外圆，实现砂轮对工件外圆的连续加工的连续加工等直径加工等直径加工n问题问题：回转中心动态不稳定性回转中心动态不稳定性造成工件外圆造成工件外圆 形状为棱圆问题形状为棱圆问题 一般为低次的一般为低次的3 3、5 5、7 7次奇数棱圆和

11、高次的次奇数棱圆和高次的1212、1414、1616次偶数棱圆（次偶数棱圆（常见为三棱圆）常见为三棱圆）砂轮导轮工件托架三棱圆三棱圆传动轴无心复合磨削传动轴无心复合磨削 2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 测试任务测试任务棱圆的棱圆的棱数棱数和和棱圆度棱圆度检测检测测量精度达到微米级测量精度达到微米级实现量化分析和评估实现量化分析和评估测试方案测试方案1）测量外圆）测量外圆直径直径工件外圆测量常规方法工件外圆测量常规方法等分棱圆角度，测量出相应的直径数值等分棱圆角度，测量出相应的直径数值希望经数据处理获得棱圆的棱数和圆度误差希望经数据处理获得棱圆的棱数和圆度误差 由

12、于由于棱圆的各个方向直径在加工过程中是被保证的，因此，棱圆的各个方向直径在加工过程中是被保证的，因此，直直径测量无法反映棱圆形状。径测量无法反映棱圆形状。2）测量棱圆）测量棱圆半径半径 由于外圆表面到圆心的距离不同，所以使用位移传感器测量棱由于外圆表面到圆心的距离不同，所以使用位移传感器测量棱圆各个方向的外圆表面到圆心的距离圆各个方向的外圆表面到圆心的距离 2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 采取测量棱圆半径采取测量棱圆半径测试方案测试方案 测量系统组成测量系统组成回转工作台：以实现工件的回转，中心不变回转工作台：以实现工件的回转，中心不变位移测量传感器：测量外圆位

13、移的动态数值位移测量传感器：测量外圆位移的动态数值位移传感器的调理装置位移传感器的调理装置信号处理和显示装置信号处理和显示装置 传感器传感器工件工件信号信号调理调理信号处理信号处理显示显示回转台回转台2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 选择传感器考虑问题选择传感器考虑问题精度：精度：为了保证磨削加工的工件测量精度为为了保证磨削加工的工件测量精度为微米级微米级，必须选用，必须选用高精度的位高精度的位移传感器移传感器量程：量程：由于是磨削加工，外圆形状误差不会很大，由于是磨削加工，外圆形状误差不会很大，小量程小量程可满足测量要求可满足测量要求测量方式：测量方式：工件的棱

14、圆度测量确定为工件的棱圆度测量确定为离线方式离线方式，工作台，工作台低速回转低速回转下测量即可，下测量即可，传感器的频响特性不需要很高传感器的频响特性不需要很高接触方式：接触方式：测量方式测量方式可选用接触或非接触方式可选用接触或非接触方式成本问题：成本问题：尽可能减小尽可能减小2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 传感器选择传感器选择 变间距电容传感器？电涡流传感器？电感传感器？变间距电容传感器？电涡流传感器？电感传感器？变间距电容传感器变间距电容传感器 优点：优点：测量精度高，灵敏度高，响应速度快，能抵抗测量精度高，灵敏度高，响应速度快，能抵抗高温、振动和潮湿，特

15、别适用于恶劣环境中作非接触高温、振动和潮湿，特别适用于恶劣环境中作非接触测量，适应于测位移小量程测量，适应于测位移小量程 缺点：缺点：测量电路较为测量电路较为复杂复杂，一般采用调幅电路或调频，一般采用调幅电路或调频电路，后续调理电路相对复杂，电路，后续调理电路相对复杂，增加了系统复杂性增加了系统复杂性电涡流传感器电涡流传感器 优点：优点：具有灵敏度高、响应快速、非接触测量的特点具有灵敏度高、响应快速、非接触测量的特点 缺点：缺点：常规类型量程常规类型量程1 12mm2mm，从实际应用来讲，其精，从实际应用来讲，其精度不足；如选用高精度型，其量程为度不足；如选用高精度型，其量程为250um250

16、um，分辨率，分辨率0.01um0.01um，但这种类型，但这种类型成本较高成本较高。2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 传感器选择传感器选择差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器 能提供所需的准确度、精度和可靠性能提供所需的准确度、精度和可靠性，尽管为接触式测量，尽管为接触式测量，但考虑作为研究使用，棱圆测量的工作量不大，而且该测量传感但考虑作为研究使用，棱圆测量的工作量不大，而且该测量传感器已成功应用于圆度仪作为测量头器已成功应用于圆度仪作为测量头.圆度仪圆度仪差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器因此，选用差动变压器位移传感器因此，选用差动变压器位移传感器

17、2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 信号处理方法的选择信号处理方法的选择 棱圆的棱数为工件回转一周位移波动的周期数，棱圆度为波动的幅棱圆的棱数为工件回转一周位移波动的周期数，棱圆度为波动的幅度。由度。由位移数据波动的频率位移数据波动的频率与与工件回转频率工件回转频率的倍数可确定棱圆的棱数。的倍数可确定棱圆的棱数。数据处理可采取数据处理可采取频域谱分析方法频域谱分析方法：数据采集方便，频率分辨率：数据采集方便，频率分辨率高，应用方便。高，应用方便。1X为工件回转频率，为工件回转频率，3X的频率为棱圆为的频率为棱圆为三棱圆、其幅值的大小表现了棱圆度三棱圆、其幅值的大小表

18、现了棱圆度 典型棱圆典型棱圆幅值谱幅值谱2、无心磨削的工件棱圆度精密检测、无心磨削的工件棱圆度精密检测 测试系统的设计与分析测试系统的设计与分析 棱圆测量系统基本框图棱圆测量系统基本框图 采用虚拟仪器采用虚拟仪器 信号采集信号采集 数据分析和处理数据分析和处理 结果输出结果输出 图形用户操作界面图形用户操作界面 所有软硬件均为市售产所有软硬件均为市售产品，此方案简单易行。品，此方案简单易行。变压器传感器变压器传感器电感式测微仪电感式测微仪数据采集卡数据采集卡PCPC主机主机任务描述任务描述温度测试温度测试 背景背景高速、重载发展高速、重载发展支承轴承发热增多支承轴承发热增多轴承磨损和产生缺陷轴

19、承磨损和产生缺陷不正常发热增大不正常发热增大重要性重要性 轴承温度升高，轻则热轴、固死造成机损，轴承温度升高，轻则热轴、固死造成机损，影响机车正常运转；重则造成疲劳破坏和影响机车正常运转；重则造成疲劳破坏和热切轴，车毁人亡热切轴，车毁人亡 测试任务测试任务在线监测在线监测高速机车的轴箱轴承、牵引电机高速机车的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴承及空心轴承处的温度轴承、抱轴承及空心轴承处的温度在控制室实时显示各测点的实际温度，进在控制室实时显示各测点的实际温度，进行声光报警和定位指示行声光报警和定位指示数据存储，随时调用数据存储，随时调用3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 测试要求测试要求

20、主要技术参数主要技术参数测温范围：测温范围：-55-55+125+125测温精度：测温精度：1 1 （0 08585）测温点数：测温点数：3838点（可根据不同车型而增减）点（可根据不同车型而增减）报警温度：报警温度：绝对温度（绝对温度（7575）和相对温度（环境温度）和相对温度（环境温度+55+55）供电电压：供电电压：110VDC(110VDC(波动范围：波动范围：65140VDC)65140VDC)；功耗小于；功耗小于15W15W 其他要求其他要求抗干扰能力强、适应恶劣的工作环境、防尘防水、稳定可靠工作抗干扰能力强、适应恶劣的工作环境、防尘防水、稳定可靠工作系统可靠性高系统可靠性高有完善

21、的自检功能有完善的自检功能数据自动存储和查询数据自动存储和查询3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 测试方案测试方案p传感器的选择传感器的选择 半导体温度传感器？红外监测仪？数字温度传感器？半导体温度传感器？红外监测仪？数字温度传感器？1 1）半导体）半导体PNPN结温度传感器结温度传感器测量误差大测量误差大。PNPN结温度传感器容易老化、失效；结温度传感器容易老化、失效；两线制使测点到仪表的引线较长，引线误差较大两线制使测点到仪表的引线较长，引线误差较大连线多，环节多，每个测点到仪表均需连线、均需放大调理，连线多，环节多，每个测点到仪表均需连线、均需放大调理，使使结构复杂结构复杂需

22、定期标定，工作量大，传感器的需定期标定，工作量大，传感器的互换性差互换性差传输弱小的模拟信号，传输弱小的模拟信号，抗干扰能力弱抗干扰能力弱，测量结果的，测量结果的稳定性和稳定性和可靠性差可靠性差2 2）地面）地面红外线红外线机车轴温检测仪机车轴温检测仪只能在机车通过监测点时监测轴箱轴承只能在机车通过监测点时监测轴箱轴承无法全程监测无法全程监测不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 可见，传统的模拟型温度传感器精度低、抗干扰能力差、多点可见，传统的模拟型温度传感器精度低、抗干扰能力差、多点测量不能穿行通信等。测量不能穿行通信

23、等。3 3）数字式温度传感器（数字式温度传感器（DS1820DS1820温度传感器芯片）温度传感器芯片）优势：优势：外围电路简单、精度高、对电源要求不高、抗干扰能力强。外围电路简单、精度高、对电源要求不高、抗干扰能力强。原理：原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数。内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数。特征：特征：无需外围器件，用无需外围器件，用9 9位二进制数字量形式输出温度值位二进制数字量形式输出温度值 温度测量范围：温度测量范围：-55-125-55-125，分辨率为，分辨率为0.50.5将温度转换为数字量的时间小于将温度转换为数字量的时间小于200ms200ms采用

24、串行单总线结构传输数据，即仅用一根数据线接收命令和传送数据采用串行单总线结构传输数据，即仅用一根数据线接收命令和传送数据测温误差：测温误差：11用户可自定义永久的报警温度设置用户可自定义永久的报警温度设置适合于工业现场的温度监测和控制，适合于工业现场的温度监测和控制，抗干扰能力强抗干扰能力强，能适应恶劣的工业，能适应恶劣的工业环境，环境，工作稳定可靠工作稳定可靠 3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 因此，选用数字式温度传感器因此，选用数字式温度传感器测试方案测试方案 p检测计算机系统的检测计算机系统的选择选择n工业控制计算机工业控制计算机优点：优点：功能强大、运算速度快、编程方便（

25、采用高级计算机语言）、通用性强功能强大、运算速度快、编程方便（采用高级计算机语言）、通用性强缺点：缺点：体积较大，价格也较高体积较大，价格也较高，常用于参量类型和数目较多、要求运算速度快、，常用于参量类型和数目较多、要求运算速度快、显示界面复杂的监测和控制任务显示界面复杂的监测和控制任务 nARMARM板的嵌入式计算机板的嵌入式计算机优点：优点：功能和运算速度功能和运算速度介于工业控制计算机与单片计算机之间介于工业控制计算机与单片计算机之间，比工业控制计算，比工业控制计算机低，但比单片计算机高出许多机低，但比单片计算机高出许多缺点：缺点：体积比工业控制计算机小许多，但比单片计算机大；其价格比工

26、业控制计体积比工业控制计算机小许多，但比单片计算机大；其价格比工业控制计算机低许多，但比单片计算机高算机低许多，但比单片计算机高n单片计算机单片计算机优点：优点：结构简单、价格低廉、功能相对简单结构简单、价格低廉、功能相对简单缺点：缺点：运行速度较慢和数据处理能力较弱，常用于参量类型和数目较少、要求运运行速度较慢和数据处理能力较弱，常用于参量类型和数目较少、要求运算速度不高、显示界面简单的小型监测和控制任务，其最典型的应用是自动算速度不高、显示界面简单的小型监测和控制任务，其最典型的应用是自动（智能）监测仪表。（智能）监测仪表。从成本、体积、计算性能要求等方面考虑，选择从成本、体积、计算性能要

27、求等方面考虑，选择单片机。单片机。3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 测试系统的设计测试系统的设计n系统硬件构成图系统硬件构成图n数据传输：数据传输：串行串行单总线结构单总线结构，为了提高数据传输的可靠性和节省，为了提高数据传输的可靠性和节省连线，将两根单总线连接成环形，所有传感器连接在环形总线上；连线，将两根单总线连接成环形，所有传感器连接在环形总线上；只有一根单总线处于工作状态。只有一根单总线处于工作状态。3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 测试系统的设计测试系统的设计n软件设计软件设计程序核心是主机与传感器的单程序核心是主机与传感器的单总线串行通信总线串行通信n抗

28、干扰设计抗干扰设计 强干扰源多、电磁辐射严重强干扰源多、电磁辐射严重系统电源抗干扰：系统电源抗干扰：输入端加滤波器输入端加滤波器 磁环吸收（拟制高频）磁环吸收（拟制高频）系统主板抗干扰：系统主板抗干扰：F加粗电源线和地线加粗电源线和地线F地线有效接地地线有效接地F机壳屏蔽机壳屏蔽F主电路板与电源间加屏蔽主电路板与电源间加屏蔽钢板钢板软件抗干扰：软件抗干扰：自动复位能力自动复位能力 对于受到干扰的数据多次测量对于受到干扰的数据多次测量3、高速机车轴温测试系统、高速机车轴温测试系统 主程序流程图主程序流程图测试任务：测试任务：背景背景对对于于在在高高速速、重重载载、高高温温条条件件下下工工作作的的

29、机机器器，摩摩擦擦、磨磨损损是是其其发发生故障的最主要原因生故障的最主要原因润润滑滑是是减减少少摩摩擦擦与与磨磨损损的的简简便便而而有效的方法有效的方法轴轴承承的的有有效效润润滑滑必必须须满满足足最最小小油油膜厚度处轴承两表面不直接接触膜厚度处轴承两表面不直接接触任务任务对对摩摩擦擦副副间间微微小小区区域域内内的的油油膜膜厚厚度进行直接测量度进行直接测量监测油膜的工作状态监测油膜的工作状态4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测测试方案测试方案p传感器选择传感器选择1 1）电阻法）电阻法定性测量定性测量 通过测量油膜的电阻大小来判断其厚度通过测量油膜的电阻大小来判断其厚度 油膜的电学性能极不稳定

30、油膜的电学性能极不稳定电阻标定困难，难以定量电阻标定困难，难以定量 2 2）放电电压法）放电电压法 利用电压击穿原理，根据电压与电流的关系来推算出代表油膜厚利用电压击穿原理，根据电压与电流的关系来推算出代表油膜厚度的放电电压度的放电电压 润滑膜的性质和纯洁程度对放电电压的影响润滑膜的性质和纯洁程度对放电电压的影响测量结果稳定性测量结果稳定性差，难以定量测定差，难以定量测定3 3）电容法）电容法 当润滑油的当润滑油的介电常数介电常数已知，根据电容值随油膜的厚度增大而降已知，根据电容值随油膜的厚度增大而降低的变化关系测得油膜厚度低的变化关系测得油膜厚度 建立电容值与油膜厚度关系时油膜间隙形状不明确

31、建立电容值与油膜厚度关系时油膜间隙形状不明确 4 4）X X光透射法光透射法 利用利用X X光穿过润滑油光穿过润滑油,光强度与油膜厚度成正比进行测量光强度与油膜厚度成正比进行测量 困难是光束位置精确的调整困难是光束位置精确的调整4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测5)5)激光衍射法：激光衍射法：激激光光束束通通过过缝缝隙隙时时，由由于于衍衍射射现现象象将将在在屏屏幕幕上上出出现现条条纹纹,测测量量衍衍射条纹的宽度即可算出缝隙的宽度射条纹的宽度即可算出缝隙的宽度.主主要要困困难难是是所所测测缝缝隙隙的的下下限限值值较较大大。例例如如对对于于功功率率为为1mW1mW的的激激光光器器，若若缝缝隙隙

32、小小于于7.62m7.62m时时，屏屏幕幕上上的的条条纹纹就就模模糊糊。因因此此要要测测量量较较窄窄的缝隙得采用更大功率的激光器的缝隙得采用更大功率的激光器 6 6）光纤检测法）光纤检测法光纤位移传感器光纤位移传感器 光光纤纤传传感感器器具具有有灵灵敏敏度度高高、频频带带宽宽、测测量量范范围围大大、抗抗干干扰扰性性强强、体体积积小小、可可弯弯曲曲、极极易易接接近近被被测测对对象象、灵灵敏敏度度高高、耐耐高高压压、耐耐腐腐蚀蚀、可非接触测量。可非接触测量。4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测因此，选择光纤传感器。因此，选择光纤传感器。n光纤传感器设计：光纤传感器设计：采采用用反反射射式式强强度

33、度调调制制光光纤纤位位移移传传感感器器（非非功能型）功能型）输输出出光光纤纤的的光光功功率率取取决决于于光光纤纤端端部部与与反反射部件之间的距离射部件之间的距离d d。假设假设:T=tan:T=tan 根据几何光学可知：根据几何光学可知：4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测当当da/(2T),d2dT a2dT 时，耦合进输出光纤的时，耦合进输出光纤的光功率为零光功率为零；当当d(a+2r)/d(a+2r)/（2T2T）时，输出光纤与输入光纤的像发出的光锥底端相）时，输出光纤与输入光纤的像发出的光锥底端相交，其相交的截面积恒为交，其相交的截面积恒为rr，此光锥的底面积为，此光锥的底面积为(2

34、dT),(2dT),故故在此在此范围内间隙的传光系数恒定范围内间隙的传光系数恒定（一般定义为相交截面积与光锥底面积之（一般定义为相交截面积与光锥底面积之比）为（比）为（r/2dTr/2dT）；当当a/2Td(a+2r)/2Ta/2Td(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的光通量时，耦合到输出光纤的光通量由输入光纤的像由输入光纤的像发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积所决定。发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积所决定。根据几何关系易得根据几何关系易得 故输出光纤接受的光功率故输出光纤接受的光功率P PO O与入射光功率与入射光功率P Pi i之比为之比为 因此，我们可以根据检测到的光强信

35、号推演出被测距离的大小。因此，我们可以根据检测到的光强信号推演出被测距离的大小。4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测n 利利用用线线性性近近似似法法进进行行计计算算，几几何何分分析析即即可可给给出出输输出出光光纤纤端端面面受受光光锥照射的锥照射的表面所占的百分比表面所占的百分比为为n光纤位移传感器的性能分析光纤位移传感器的性能分析 1 1）当）当0da/2T0d(a+2r)/2Td(a+2r)/2T时：时：光电二极管输出的电压为光电二极管输出的电压为V=VV=V0 0+S(r/2dT)+S(r/2dT)，可见输出可见输出V V随随d d的增大而的增大而单调减小。单调减小。因此，因此，当当d=

36、(a+2r)/2Td=(a+2r)/2T时，输出电压时，输出电压V V达到最大。达到最大。4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测n光纤位移传感器的安装光纤位移传感器的安装 在在滑滑动动轴轴承承的的轴轴颈颈上上贴贴一一块块反反射射纸纸，在在轴轴瓦瓦上上安安装装两两根根光光纤纤。两两根根光光纤纤测测量量端的端面对齐固定在轴瓦上。端的端面对齐固定在轴瓦上。输输入入光光纤纤的的另另一一端端对对准准激激光光光光源源，输出光纤的另一端则对准光电二极管。输出光纤的另一端则对准光电二极管。光光电电二二极极管管（PINPIN管管）输输出出的的信信号号进进入后续处理装置入后续处理装置 4、润滑油膜厚度检测、润滑油

37、膜厚度检测安装示意图安装示意图p光源及后续测量系统选择光源及后续测量系统选择光源光源激光光源为氦氖激光灯激光光源为氦氖激光灯光电信号采集系统电路板组成：光电信号采集系统电路板组成：光电二极管光电二极管(PIN(PIN管管)运算放大器运算放大器芯片芯片直接输出电压，输出电压与芯片接受到的光功率成正比直接输出电压，输出电压与芯片接受到的光功率成正比p系统分析系统分析 解解决决了了其其他他方方法法无无法法消消除除的的电电磁磁干干扰扰、使使用用寿寿命命短短、不不耐耐高高温温、不耐腐蚀不耐腐蚀等问题等问题,可实现油膜厚度的精密检测。可实现油膜厚度的精密检测。4、润滑油膜厚度检测、润滑油膜厚度检测1 1）

38、噪声测量基础）噪声测量基础噪声定义：噪声定义：物理定义：物理定义：大量频率和相位各异的声音大量频率和相位各异的声音复合复合而成的无序合声。而成的无序合声。实际定义实际定义：不需要的声音。：不需要的声音。噪声测量专用环境：噪声测量专用环境：全消声室全消声室：六个面全有吸声材料。吸声本领特：六个面全有吸声材料。吸声本领特别强、室内声音主要是直达声而反射声极小的房别强、室内声音主要是直达声而反射声极小的房间。提供自由声场。间。提供自由声场。半消声室半消声室：五个面有吸声材料，地面没有。提：五个面有吸声材料，地面没有。提供半自由声场。供半自由声场。混响室混响室：吸声本领尽量低，室内声音经过多次：吸声本

39、领尽量低，室内声音经过多次反射形成声能分布均匀的房间。提供扩散声场。反射形成声能分布均匀的房间。提供扩散声场。5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析（1）声压）声压P及声压级及声压级LP n声压声压P：声波作用于物体上的压力，单位是帕（声波作用于物体上的压力，单位是帕（PaPa）听阈声压听阈声压：人耳可听到的最弱声压，：人耳可听到的最弱声压，2 105 PaPa痛阈声压痛阈声压：人耳感觉疼痛的声压，：人耳感觉疼痛的声压，20Pa(100万倍万倍)n声压级声压级LP 单位是单位是分贝分贝（dB）定义为：定义为：式中：式中：P表示测量声压，表示测量声压，P0表示基准声压（其值为听阈声压）。

40、表示基准声压（其值为听阈声压）。则：人耳可听声范围是则：人耳可听声范围是0120dB。0dB是否是否表示无表示无声音？声音？2 2）噪声测量基本参数噪声测量基本参数5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析（2）声强）声强I及声强级及声强级LIn声强声强I：单位时间内垂直于声波传播方向上单位面积内所通过：单位时间内垂直于声波传播方向上单位面积内所通过的能量，单位是的能量，单位是Wm2 n声强级声强级LIn定义：定义：nI表示测量声强，表示测量声强，I0表示基准声强，取为表示基准声强，取为1012 Wm2 可见：声强为矢量。可见：声强为矢量。5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析（3

41、）声功率）声功率W及声功率级及声功率级LW n声功率声功率：声源在：声源在单位时间单位时间内发射出的内发射出的总能量。总能量。n定义：定义：n声功率级声功率级：n定义：定义：式中，式中，W W0 0表示基准声功率，取为表示基准声功率，取为10101212 W W n声功率级是反映声源发射总能量的物理量，且声功率级是反映声源发射总能量的物理量，且与测量位置无关与测量位置无关，因此，因此它是声源特性的重要指标之一它是声源特性的重要指标之一。声功率为标量。声功率为标量。5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析几种物理量的比较：几种物理量的比较：n声压或声压级测量声压或声压级测量 优点：测量容易

42、优点：测量容易 缺点：缺点：测量结果受测量环境的影响和限制测量结果受测量环境的影响和限制n声功率测量声功率测量 优点：测量结果反应被测物实际发出的能量优点：测量结果反应被测物实际发出的能量 缺点：不能直接测得，只能通过声压级计算获得缺点：不能直接测得，只能通过声压级计算获得n声强测量声强测量 优点：优点：能反映噪声的方向性能反映噪声的方向性 缺点：测量比较困难缺点：测量比较困难5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析问题：问题：如果已知声场中两个声源的声压级均为如果已知声场中两个声源的声压级均为8080分贝，分贝，则总声压级为多少？则总声压级为多少？=niLwtotwiL110/10lg

43、10则：声场中总声压级与总声功率级合成方法为：则：声场中总声压级与总声功率级合成方法为：当噪声源是由两个或当噪声源是由两个或n个组成，总声压级应该是两个或个组成，总声压级应该是两个或n个噪声个噪声源声压源声压能量的叠加能量的叠加。所以，。所以，声压合成方声压合成方法为：法为：3 3）噪声级的合成噪声级的合成5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析背景噪声的扣除背景噪声的扣除n本底噪声本底噪声：在噪声测量时，即使所测量的声源停止发声，环境也存在着：在噪声测量时，即使所测量的声源停止发声，环境也存在着一定的噪声，称之为本底噪声。一定的噪声，称之为本底噪声。n工程意义工程意义：只有从测量结果中

44、扣除本底噪声后，才能得到所考察噪声的：只有从测量结果中扣除本底噪声后，才能得到所考察噪声的正确声压级值。正确声压级值。n扣除值：扣除值：注意：注意：若被测噪声源的声级高于本底噪声的声级若被测噪声源的声级高于本底噪声的声级10dB10dB，则可忽略本底噪声的，则可忽略本底噪声的影响；影响；若被测噪声源的声级与本底噪声相差若被测噪声源的声级与本底噪声相差3 310dB10dB，则按上表进行修正；，则按上表进行修正；若两者相差小于若两者相差小于dBdB，则测量结果无效。，则测量结果无效。两声两声压级压级算算术术差差345678910扣除扣除值值 L3.002.301.701.250.950.750.

45、600.455、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析4）声功率的测量与计算声功率的测量与计算 声功率无法直接测量声功率无法直接测量，只能通过测量声压级经计算而得到。，只能通过测量声压级经计算而得到。（1）在自由声场中）在自由声场中(如果测量面是球面如果测量面是球面)，则有：，则有：式中，式中，是在测试球面半径是在测试球面半径上所测的多点声压级的平均值。设有上所测的多点声压级的平均值。设有n 个测个测点，求法如下：点，求法如下：（2）若在半球方向上传播，相当于开阔地面或半消声室，则：）若在半球方向上传播，相当于开阔地面或半消声室，则：注意：球面半径要求足够大，通常约大于整个被测物尺度的注意

46、：球面半径要求足够大，通常约大于整个被测物尺度的2倍。倍。5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析 （3）在混响声场中测量）在混响声场中测量 (a)用传声器在房间中几个位置上测量声级，取平均值；用传声器在房间中几个位置上测量声级，取平均值；(b)被测声源声功率如下：被测声源声功率如下：式中：式中：V为混响室房间体积，为混响室房间体积，T为混响时间。为混响时间。混响时间定义为混响时间定义为:在一定频带在一定频带,房间内发一声音房间内发一声音,等声音稳定后等声音稳定后,突然切断声源突然切断声源,其声强衰减其声强衰减60dB时所需要的时间时所需要的时间,其值为：其值为：式中：式中：S为房间总面

47、积，为房间总面积，为各表面平均吸声系数，为各表面平均吸声系数，m为空气中声波传播的强度衰为空气中声波传播的强度衰减常数。减常数。混响室是测量机器声功率的理想环境混响室是测量机器声功率的理想环境,只要测量较少的点就能求得声功率只要测量较少的点就能求得声功率,但在但在混响室中不能测量声源的指向性混响室中不能测量声源的指向性.5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析n噪声频谱测量的目的：噪声频谱测量的目的：找出噪声产生的原因找出噪声产生的原因n噪声频谱的测量技术噪声频谱的测量技术 频谱分析仪频谱分析仪 恒定频率带宽分析仪恒定频率带宽分析仪 恒定频率百分比分析仪（噪声测量常用）恒定频率百分比分析

48、仪（噪声测量常用）n测量各个频带的声压级测量各个频带的声压级 在某一频带中，声音的声压级称为该频带声压级在某一频带中，声音的声压级称为该频带声压级 讨论频带声压级时应该指明频带的宽度讨论频带声压级时应该指明频带的宽度 5 5）噪声的频谱测量噪声的频谱测量5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析中心中心频频率率频频率范率范围围中心中心频频率率频频率范率范围围31.522.44510007101400634590200014002800125901804000280056002501803558000560011200500355710160001120022400中心中心频频率率频频率范率

49、范围围中心中心频频率率频频率范率范围围2522.42880071090031.52835.5100090011204035.5451250112014005045561600140018006356712000180022408071902500224028001009011231502800355012511214040003550450016014018050004500560020018022463005600710025022428080007100900031028035510000900011200400355450125001120014000500450560160001400

50、018000630560710倍频程倍频程中心频中心频率与频率范围率与频率范围1/3倍频程倍频程中心频中心频率与频率范围率与频率范围5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析某电容器某电容器45A工频电流下工频电流下噪声频谱图噪声频谱图 5、缝纫机噪声源测试分析、缝纫机噪声源测试分析6）噪声的主观评价噪声的主观评价n人耳对声音所感觉的强度取决于：人耳对声音所感觉的强度取决于：(1)(1)声压大小声压大小 (2)(2)声音的频率特征声音的频率特征 人耳对高频声敏感人耳对高频声敏感,对低频声不敏感对低频声不敏感n根据人耳的这种特性，引入一个把频率和声压统一起来的、可以根据人耳的这种特性，引入一