机械工程测试技术.docx

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机械工程测试技术

机械工程测试技术

主讲：

王惠明

山东农业大学机电学院

第一章：

测试系统的特征与性能指标

第一节：

测试系统的组成：

第二节：

测试系统的静态特性与性能指标

第三节：

测试系统的选择：

第二章：

测量系统的误差合成

第一节：

测量误差的基本概念:

第二节：

随机误差

第三节：

系统误差的处理

第四节：

试验规划与数据整理

第三章：

常用传感器的工作原理

第一节：

传感器的分类：

第二节：

电阻式传感器

第三节：

电感式传感器

第四节：

电容式传感器

第五节：

压电式传感器

第六节：

磁电式传感器

第七节：

热电偶传感器

第八节：

光电传感器

第九节：

霍而传感器

第十节：

湿敏传感器

第十一节：

气敏传感器

第十二节：

数字式传感器

第四章：

常见非电参数的测量方法

第一节：

力、压力和力矩的测量:

第二节：

转速的测量：

第三节：

速度的测量

第四节：

加速度的测量

第五节：

位移的测量

第六节：

温度的测量

第七节：

压力的测量

第八节：

流量的测量

第九节：

液位的测量

第十节：

气体成分的测量

第五章：

测试系统的抗干扰技术

第一节：

干扰的分类：

第二节：

干扰的引入

第三节：

干扰的抑制方法：

第一章：

测试系统的特征与性能指标

第一节：

测试系统的组成：

被测对象传感器信号调整电路微机数据处理显示、打印

被测对象：

需要测定的动态被测信号。

如:

震动、位移、转动、温度、湿度、粘度、浓度等。

传感器：

感知被测信号的变化，将变化的信号变为电量输出。

信号调整电路：

按照后续设备的要求，对信号进行放大、整型、滤波。

调制、解调衰减等。

微机数据处理：

按预定的程序对信号进行采集、数据运算、分析、处理、存储等

第二节：

测试系统的静态特性与性能指标

测量系统的输入信号为不随时间变化的恒定信号，称被测对象处于静态。

测量静态参数时，输入与输出之间的关系，称为测试系统的静态特性。

包括：

线性度、灵敏度、滞后、漂移、重复性、分辨率等。

线性度：

测量装置的输出曲线与直线之间的偏差程度成为线性度。

输入与输出成正比即Y=ax,为线性度好。

输出曲线与直线之间的偏差为非线性误差：

是仪表的最大误差与量程的比值即

线性度是非线性误差的百分数即：

灵敏度S：

输出信号增量与输入信号增量的比值。

即

指示仪表是单位输入信号所引起的指针偏转角度或位移量。

滞后：

测量系统在由小到大和由大到小的测量时，同一输入量不同输出量的程度。

用引用误差表示。

即：

|ΔH|－同一输入量正、反行程输出量的最大差值；

A－测量系统的满量程。

滞后又称为变差或回程误差。

漂移：

在保持输入不变的情况下，经过一段时间后输出的变化量。

是环境条件变化引起的灵敏度变化，又称灵敏度漂移。

零点漂移：

即零点的位移量。

满量程漂移：

从零点到满量程的漂移量，又称总误差。

漂移是由环境条件的变化，元件的老化、磨损、变性所引起。

分辨率（分辨力）：

能测到最小输入变化量的能力。

即能引起输出量变化的最小输入变化量。

分辨率

∆xmax__满量程范围内最小变化量的最大值

重复性：

在同一条件下，同一被测量连续多次测量所得结果的重复程度。

即：

∆R－多次反复测量的最大误差。

A－量程。

二、测试系统的动态特性：

输入变化的信号时，输入和输出量之间的关系，叫测试系统的动态特性。

1.幅频特性：

当输入信号的幅值不变时，仪表显示幅值与被测信号频率的关系叫幅频特性，用振幅比M表示。

β—阻尼度，；q—频率比；

m—仪表感受件活动部分的质量；μ—阻尼系数；k—自振频率；

C－感受件的高度；ω－被测频率。

当振幅比M=1时振幅无畸变；当M>1时显示值>实际值；当M<1时显示值<实际值。

当β越小q不大于0.5时，M接近于1；β=0.6~0.8时，M=1范围大，振幅畸变小，误差小。

2、相频特性：

当被测信号的频率不同时，显示值在相位上滞后于信号的程度，用滞后角Φ表示。

可见Φ与β、q有关，当β、q减小时Φ减小；对相位角要求严格的测量时，应用同频率特性的仪器；当测单一频率信号或多路相位无关的信号时，相位差无关紧要。

由幅频特性和相频特性图可知，提高自振频率K，可真实地指示被测脉动参数变化。

例题：

某压力传感器的K=200HZ，β=0.4，当测100HZ的正弦变化压力时，求振幅误差和相位误差。

解：

因β=0.4，q=100/200=0.5，

大于1，误差0.18，振幅误差18%。

3、动态特性的应用：

测瞬时值时，示值应同步被测信号，幅值误差和相频误差应尽量小，应提高k和减小q。

测平均值时，示值不需同步被测信号，应降低k提高β。

要求高灵敏度时，应使q＝1，降低β。

三、实现不失真测量的条件：

当测试系统的输入x（t）和输出y（t）满足下列关系式：

y（t）＝Ax（t-t0）

其中A和t0为常数，则该系统输出和输入波形精确一致，其幅值放大了A倍和时间延迟了t0，该系统具有不失真测量特性。

第三节：

测试系统的选择：

一、量程：

先估计测量值，使被测值落在量程的2/3附近。

二、精度：

仪表指示值接近于被测真值的准确程度。

指示值与被测真值之间的误差为绝对误差。

量程内的最大绝对误差与量程的比值为仪表的精度等级。

如0.2级为最大误差不超过量程的0.2%，用高一级精度仪器示值代替真值。

根据测量的目的要求选择仪器的精度等级。

三、线性度、灵敏度、动态特性：

仪器的线性度要好；根据目的选择灵敏度；需考虑动态特性时，应使k>ω,多路参数测量时应考虑相位滞后的要求。

四、使用环境：

1、环境温度的上、下限。

2、环境湿度的上、下限。

3、环境磁场的干扰。

4、允许承受的震动。

5、允许腐蚀性物质的存在程度。

第二章：

测量系统的误差合成

第一节：

测量误差的基本概念:

一、名词术语：

真值：

测量条件下某物理量的真实数值。

多次测量的算术平均值可作为真值。

标称值：

测量器具上标注的量值。

存在误差，通常给出误差范围或精度等级。

示值：

由测量仪器给出的量值。

测量结果：

由测量所得的值及其误差。

误差：

测量结果与真值之差。

误差＝测量结果－真值

测量精度：

反映测量结果与真值接近程度的量称为精度。

准确度：

各测量平均值与真值的接近程度。

反映了系统误差小，准确度高。

精度精密度：

各测点值之间相差的大小程度。

反映了偶然误差小，精密度高。

精确度：

系统误差和偶然误差都小，精确度高。

精度在数值上用相对误差表示。

如0.1％

二、误差的分类：

系统误差、随机误差、粗大误差。

1、系统误差：

固定的或按一定规律变化的误差。

如：

刻度不准，调零不准等。

（当误差的绝对值、符号不变或按一定规律变化时为系统误差。

它是可控制或修正的）

2、随机误差：

不固定或没有变化规律的误差。

如：

仪表零件变形、配合不稳、油膜不均、环境条件改变（温度、湿度、气压、光强、灰尘、磁场变化）引起。

随机误差的特征：

对称性：

绝对值相同的正负误差出现的次数相等。

单峰性：

绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。

有界性：

随机误差的绝对值不超过一定界限。

抵偿性：

随机误差的算术平均值趋于零。

由上述4个特征可见，随机误差符合正态分布规律；误差不可修正，但了解规律后可控制，减小对测试结果的影响。

3、粗大误差：

明显歪曲测量结果的误差。

如：

测错、读错、记错、算错等。

当某数明显的过大或过小时，作为粗大误差去掉。

三、误差产生的原因：

1、测量装置的误差：

仪器的结构、制造、调整、校正不当，连接不当、示值不准引起的误差。

2、环境误差：

因环境条件引起仪表和被测对象的变化所造成的误差。

3、方法误差：

因采用的测量方法不正确所造成的误差。

4、人员误差：

因人员技术水平不同或主观因素引起的误差。

四、测量误差的表示方法：

绝对误差、相对误差、引用误差。

绝对误差：

绝对误差＝测得值－真值。

（正值或负值）

相对误差：

相对误差＝绝对误差／真值x100％＝绝对误差／测得值x100％。

例：

测得油温318.4K，高精度仪器测得318.2K，绝对误差=318.4-318.2=0.2

相对误差=0.2/318.2×100%=0.063%

引用误差：

引用误差＝绝对误差／量程x100％。

如：

当量程为500K时，引用误差＝0.2/500x100％=0.4%

仪表的最大引用误差为仪表的准确度等级。

第二节：

随机误差

一、随机误差的正态分布：

随机误差具有正态分布规律，其表达式为：

式中：

e—自然对数；δ－测量误差＝测值－真值；σ－标准误差。

随机误差的均方根误差为标准误差。

当随机误差的绝对值为δ时，在－σ，＋σ范围内就是随机误差落在该区间内的概率。

当σ的绝对值减小时，曲线变高变陡，即绝对值小的误差出现的概率大，测量精密度高。

（σ的大小说明随机误差出现的概率分布情况）

随机误差在δ＝±σ范围内的概率为68.27％。

随机误差在δ＝±2σ范围内的概率为95.44％。

随机误差在δ＝±3σ范围内的概率为99.73％。

二、极限误差∆ℓ

在一个有限次的测量中，任何一个随机误差的数值都不超过这个数值，这个值叫极限误差。

δ超出±3σ范围的概率为0.27％。

所以极限误差∆ℓ＝±3σ。

∆ℓ＝±3σ作为区分随机误差和粗大误差的界限，当∣∆ℓ∣>3σ时作为粗大误差舍去。

三、剩余误差

无限次测量的算术平均值接近于真值。

即：

可用算术平均值代替真值求随机误差。

用算术平均值代替真值求得的随机误差叫剩余误差。

Xi–测得值

剩余误差有如下性质：

1、剩余误差得代数和为零。

2、剩余误差得平方和为最小。

因随机误差具有对称性，用该性质检查算术平均值和Vi的正确性。

第三节：

系统误差的处理

一、系统误差的来源：

测量装置误差；环境误差；试验方法误差；动态误差；测量人员误差。

二、系统误差的发现：

1:

剩余误差分析法：

若Vί大体正负相同，无显著变化规律，为无系统误差。

若Vί有规律地递增递减，且开始与结束符号相反，为存在线性系统误差。

若Vί有规律地有正变负，有负变正循环交替，周期变化，则存在周期性误差。

若Vί有复杂变化规律，侧为复杂规律地系统误差。

2:

误差关系比较法：

若复合Q=0.7979σ,为无系统误差。

式中：

Q__平均算术误差；Xi__测得的第i个值；

‾X__算术平均值；σ－用Vi计算的标准误差

3:

变化条件法：

当测量条件改变时，偏差改变符号，为有固定的系统误差。

三、系统误差的减小和消除

修正法：

做出误差曲线或图表，对测得值进行修正。

消除根源法：

消除产生误差的根源。

如：

温度。

抵消法：

进行两次测量，取两次测量的平均值。

四、粗大误差的处理：

当某数明显的过大或过小时，作为粗大误差去掉。

当某数算术平均值的偏差∆X>3σ时，作为粗大误差去掉。

第四节：

试验规划与数据整理

一、试验的准备与规划

包括：

制定试验大纲、准备试验对象、准备测量仪器、准备技术文件、组织训练试验人员等。

（一）、测量仪器精度的选择：

直接测量参数：

据该参数的允许误差选定仪表精度。

间接测量参数：

按误差分配原则确定仪表精度。

1、间接测量误差分配：

（1）、根据规定确定间接测量误差范围。

（2）、按等作用原则计算各直接测量参数误差。

式中：

n__直接测量参数的个数。

σy__间接测量参数的允许标准误差。

σxi__第ί个直接测量参数的标准误差。

按等作用原则分配误差时，若某项允许误差难以实现时，可将该项误差扩大，将误差易实现项缩小，使总误差小于给定的允许误差。

例题：

根据国家规定，内燃机实验中油耗ge的测量误差不得大于1％，试确定用重量法测油耗时所用仪器的精度。

解：

可根据条件进行选择，适当扩大或缩小某项误差。

（二）、选择仪表时应注意的问题：

根据测量参数的使用范围确定仪表的量程。

测量的最大值接近仪表的量程的2/3为好。

校正仪表的误差应为测量仪表误差的1／３～１／１０．

例题：

现有1.5级精度，量程0～1100℃和2.5级精度，量程0～600℃的热电温度计各一只，测500℃的排气温度，求用两只温度计的误差。

解：

1、用1.5级温度计时：

δ1＝1.5％×1100/500＝3.3％。

2、用2.5级温度计时：

δ2＝2.5％×600/500＝3％。

测动态参数时，选择仪器除考虑仪器的精度和灵敏度外，还应考虑动态特性，要满足要求。

（三）、试验大纲的编写：

试验的目的和任务、试验内容、试验方法、试验用仪器和设备、对试验工况的要求、数据处理的方法。

二、组织试验时应注意的问题：

调试（磨合）被测对象，检查、记录有关技术参数，检查测量仪表。

保证试验结果的可比性，对比性试验应在尽可能短的时间内完成。

每种试验条件下需2～3次的重复试验。

需多次测量时的最少测量次数为：

式中：

V0__允许误差。

至少选择6个测点，一般8～10个。

注意选择有代表性的点。

三、测量数据的整理：

求算术平均值：

求剩余误差：

Vί=Xί–

求标准误差：

求算术平均值的标准误差：

求极限误差：

∆ℓ=±3σ

测试结果表达：

间接测量的计算，应先求得直接测量的算术平均值及误差后，再计算出间接测量的算术平均值和误差。

第三章：

常用传感器

第一节：

传感器的分类：

一、分类：

测机械量：

力、力矩、应力、位移、速度、长度、厚度、角度、圆度等。

按被测测热工量：

温度、压力、流量、流速、位置等。

参数分：

测物理化学量：

密度、湿度、粘度、浓度、盐度、烟度等。

测生物医学量：

血压、眼压、脑压、体温、血流、心电、听觉、视觉等。

电阻式：

电位器式、电阻应变式、压电式等。

磁阻式：

电感式、变压器式、电涡流式等。

按工作电容式：

电容传感器。

原理分：

电荷式：

压电传感器。

电势式：

感应式、霍尔式、热电式、光电式。

二、对传感器的要求：

1、足够的容量，量程足够大，过载能力强。

2、与系统匹配性好，灵敏度高，比值大。

3、快速、准确、可靠。

4、足够的精度，稳定性好，寿命长、成本低。

5、适应性好，抗干扰、杂音小、耗能低。

三、发展方向：

1、固体化：

用半导体、电介质、铁电体材料制成。

2、集成化和多功能化：

多元件、多电路集成；多参数同时测取。

如：

多功能气体传感器，温湿传感器。

3、图象化：

二维、三维空间测量，感受“象”的信息。

4、智能化：

将信号检测、处理、驱动电路集成为一体。

第二节：

电阻式传感器

将被测信号的变量，变为电阻阻值的变化，以改变电量。

形式：

电位器式、应变片式、金属电阻式、半导体电阻式等。

一、电位器式传感器：

构造：

由绕线电阻体和电刷组成。

工作：

改变电刷位置，可改变电阻或电压。

空载时：

R=L/L0xR0或U=R/R0xU0=L/L0xU0

式中：

R0——电位器总电阻，R__电刷位置电阻，

U0——电位器工作电压，U__电位器输出电压，

L0__电刷总行程，L—电刷位置行程。

可见：

只要有位移就对应一个电压输出，为线性关系。

有负载时：

式中：

r=R/R0=L/L0=X；m=R0/Rf。

Rf---负载电阻。

可见：

由于加入Rf，即m的出现，输出Uf为非线性。

当Rf∝时，即m0时，Uf为线性。

因Rf不可能无穷大，故出现负载误差。

负载误差：

δf=1~2%;必须Rf=（10~20）R0

当电位器输出接高阻抗放大器时，可改善线性关系。

分辩力:

∆U=Umax/n.式中：

n---线圈匝数。

Umax－最大电压输出量。

用途：

可作为变阻器或分压器用，测量直线位移或角位移，由非电量变为电量。

（风门式空气流量传感器）

如：

Umax=10V，n=100圈时，ΔU=0.1V，小于0.1V的信号不能识别。

优点：

结构简单，性能稳定，输出信号大，受外界影响小。

缺点：

动态响应差，分辨率低，精度不高。

二、电阻应变式传感器

金属导体受力发生应变时，电阻值的变化，称为导体的应变效应。

分类：

金属应变片：

金属丝式、金属箔式、金属薄膜式。

半导体应变片：

体型半导体式、薄膜型半导体式、扩散性半导体式、P-N结元件。

常用金属丝式、金属箔式、体型半导体式。

（一）、金属电阻应变片

外力变化时，L、S、ρ变化ΔL、ΔS、Δρ，R变化ΔR，

电阻变化率∆R/R=Kε式中：

ε—纵向应变效应，ε＝∆L/L;K__灵敏度。

材料：

铜镍合金、镍铬合金、铁铬铝合金、铂铱合金等。

丝状应变片：

用康铜、镍铬、卡玛合金等制成。

φ=0.02~0.05mm,I=10~50mA,R=50~1000Ω,常用120Ω。

箔状应变片：

用康铜、镍铬等制成，h=0.003~0.01mm，I=100~300mA.

散热好，通过电流大，寿命长，柔性好。

半导体在轴线方向受力时，其阻值发生变化的现象，称为半导体的压阻效应。

表达式：

可见：

电阻的变化由应力引起的形状变化和电阻率变化两部分组成，后项是前项变化的50～70倍，主要是后项。

参数：

阻值：

60Ω120Ω350Ω600Ω1000Ω

K值：

P型硅175，N型硅－133，P型锗102，N型硅－157

绝缘电阻：

100mΩ以上；Imax=25mA

用途：

受力应变的测量，压力可测104～109Pa.

优点：

灵敏度高，精度1.0～0.1％、高精度0.03～0.01％，动态性能好，体积小。

缺点：

温度稳定性差，静态非线性大。

三、热电组传感器

金属热电组：

铂、铜、镍、铟、锰等。

热电阻半导体热电组：

热敏电阻。

（一）、金属热电组：

常用铂电阻和铜电阻。

1、铂电阻：

R与t的关系为：

0～850℃，Rt=R0（1+At+Bt2）

-200~0℃，Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]

式中：

R0、Rt—0度和t度时的电阻值。

A、B、C—常数。

A=3.90802×10－3℃－1；B=-5.80195×10－7℃－2；

C=-4.27350×5.80195×10－12℃－3。

灵敏度：

K=3.9×10－3℃；线径:

φ=0.03~0.07mm

优点：

铂电阻准确度高，稳定性好。

国际使用温标（IPTS-68）规定：

在－259.34~630.74℃内铂电阻温度计作为标准仪器，其纯度＝R100/R0≥1.3925。

工程常用R100/R0＝1.391。

2、铜电阻：

R与t的关系为：

Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）

式中常数A=4.28899×10-3℃-1；B=-2.133×10－7℃-2；

C=1.233×10－9℃-3

灵敏度：

K=4.3×10－3／℃

优点：

价格低，电阻温度系数大，在－50~150℃内电阻与温度呈线性关系。

缺点：

电阻率小，ρ＝0.017Ωmm2/m,一定电阻时细长，体积大，易氧化，不宜在侵蚀介质中使用，用于低温测量。

允许电流I<5mA;时间常数Ⅰ级－（90~180）S,Ⅱ级－（30~90）S,Ⅲ级－（10~30）S,Ⅳ级－<10S;最小插入深度为保护套管外径的8～10倍。

3、金属电阻的技术指标：

分度号：

铂，Pt50,Pt100;铜，Cu50,Cu100

（二）、热敏电阻

R与t的关系为：

式中：

e---自然对数；B---系数，与材料和工艺有关。

灵敏度：

K=-B/T2=-（3×10－2～5×10－2）℃

特性：

R-T特性：

随温度的提高电阻率减小。

热敏电阻适用于精度要求不高的低温测量，测量范围为－50~300℃.

V-A特性：

随电压的升高电流增大，达一定电压时电流下降，由一最大电流点。

优点：

电阻系数大，（是金属电阻的4~9倍），有正负温度系数，电阻率大。

缺点：

性能不稳定，非线性电阻，准确度低。

第三节：

电感式传感器

将被测信号的变化量变为电感变化量。

测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等。

分类：

按工作原理分：

自感式；互感式。

按结构分：

气隙型；螺旋管型。

一、自感式传感器

构造：

线圈、铁芯、磁铁等组成。

原理：

磁铁上下移动使气隙δ变化，气隙磁阻变化，线圈电感变化引起线圈电压或电流变化。

形式：

变气隙式，变面积式，差动式。

1、

变气隙式：

当磁铁移动（减小）∆δ时，

电感为：

式中：

δ0－空气隙初始间隙；

L0－线圈初始电感量。

灵敏度：

线性度：

δL=∆δm/δ0式中：

∆δm－气隙最大改变量。

2、变面积式：

当磁铁移动面积变化∆S时，电感为：

∆L=KS∆S/δ0

式中：

KS＝N2μ0/2＝const（常数）

灵敏度：

K=∆L/∆S=KS/δ0＝const（常数）

线性度：

δL=0。

有理想直线性，K=常数，非线性误差为零。

3、差动式：

磁铁上下移动∆δ时间隙发生变化，当磁铁下移时，

δ1=δ0+∆δ;δ2=δ0-∆δ

电感

线性度;δL=∆δ/δ0,有理想的线性关系。

灵敏度：

K=2L0/δ0，灵敏度提高了一倍。

二、互感式：

构造：

铁芯、线圈、磁铁等组成。

工作：

当W有电流通过时，在W1、W2中感应电势E1、E2，磁铁在中间时，E1=E2输出为零。

磁铁上（右）移时E1>E2,磁铁下（左）移时E1

次级感应电动势：

当次级开路时，初级线圈电流为：

次级输出电压为：

将电流代入上式得：

灵敏度：

K=E出/∆M

优点：

结构简单、精度高、灵敏度高、测量范围广。

（＃－j表示电压比电流落后900）

三、电涡流式：

将金属导体与线圈靠近，并线圈通过交变电流时，线圈的交变磁场会使金属导体产生感应电流，该电流呈涡状，称电涡流。

电涡流产生的磁场φ2与线圈电流产生的磁场φ1方向相反，使线圈的阻抗产生变化。

即：

Z＝f（μ.δ.ω.h.І.ρ）式中：

μ－磁导率；δ－线圈与金属的距离；ω－角频率；h－涡流穿透深度；І－激磁电流；ρ－电阻率。

可见：

改变其中任意一项，可改变阻抗Z。

通常固定其它项，改变δ来改变Z和L。

优点：

灵敏度高（mv/mm）;分辨力大（0.01μm）;精度高（误差0.1％）；抗干扰。

缺点：

频率响应低，不易测高频动态参数。

应用：

1、改变线圈与金属的距离δ改变Z、L，测位移、振动、厚度等。

2、R与线圈和金属的ρ有关，ρ与温度有关，可测温度、浓度、材质。

3、L与金属的磁导率μ有关，由μ的变化变为电量变化，可测应力、硬度等。

第四