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第10章 典型测试系统设计实例第10章 典型测试系统设计实例10.1 应变测量案例10.2 温度测量案例 10.3 位移测量案例10.4 噪声测量案例10.5 结构模态分析案例 10.6 旋转机械的网络化检测诊断重点：掌握一些实际的测试技术，对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 掌握测量系统设计方法了解噪声测量基本方法了解模态分析基本概念回顾测试系统的设计步骤（1）明确测试系统设计任务（2）测试系统总体方案设计（3）测试系统的详细设计a) 测量精度设计b) 测量方法的选择c) 传感器的确定d) 信号调理系统的确定e) 测试系统的软件设计（4）测试系统的性能评定10.2 温度测量案例10.2.1 温度测量方法简介 温度测量的特殊要求 所选择参数仅是温度的单值函数 选择参数与温度之间的函数简单、稳定、连续变化 测温介质能够迅速与被测介质达到热平衡，温度跟踪性好 常见的测温方法 利用热胀冷缩原理 利用热电效应 利用物体导电率随温度变化的现象-热阻效应 利用物体热辐射强度随温度变化的现象-红外探测器原理10.2 温度测量案例 常用温度计及其使用范围10.2 温度测量案例10.2.2 高速机车轴温测试系统任务描述——温度测试背景高速、重载发展——支承轴承发热增多轴承磨损和产生缺陷——不正常发热增大重要性轴承温度升高后果：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热切轴，车毁人亡测试任务在线监测高速机车的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴箱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，进行声光报警和定位指示数据存储，随时调用10.2 温度测量案例测试要求主要技术参数测温范围：-55～+125℃测温精度：±1℃ （0～85℃）测温点数：38点（可根据不同车型而增减） 报警温度：绝对温度（75℃）和相对温度（环境温度+55℃） 供电电压：110VDC (波动范围：65-140VDC)；功耗小于15W 其他要求抗干扰能力强、适应恶劣的工作环境、稳定可靠工作有完善的自检功能数据自动存储和查询防尘防水精度、实时性、可靠性哪个更重要？测试系统本身的可靠性最关键！10.2 温度测量案例测试方案在线？离线？ 必须实时在线检测温度，抗干扰能力强测试系统架构？ 计算机测量系统 传感器的选择 热敏电阻传感器？热电偶？红外监测仪？数字温度传感器？……1）半导体热敏电阻传感器测量误差大。PN结温度传感器容易老化、失效传感器的互换性差，需定期标定，工作量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，使结构复杂传输弱小的模拟信号，抗干扰能力弱，测量结果的稳定性和可靠性差2）地面红外线机车轴温检测仪只能在机车通过监测点时监测轴箱轴承——无法全程监测不能监测牵引电机轴承和抱轴承温度热电偶是否可以克服这些缺点？10.2 温度测量案例 可见，传统的模拟型温度传感器精度低、抗干扰能力差。3）数字式温度传感器（DS1820温度传感器芯片） 原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器（振荡频率与温度之间有一个特定的关系）的脉冲计数，将温度信号直接转变为数字信号。 特征：无需外围器件，用9位二进制数字量形式输出温度值 温度测量范围：-55-125℃，分辨率为0.5℃将温度转换为数字量的时间小于200ms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：＜1℃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，抗干扰能力强，能适应恶劣的工业环境，工作稳定可靠 优势：外围电路简单、精度高、对电源要求不高、抗干扰能力强。因此，选用数字式温度传感器10.2 温度测量案例数据处理方案：检测计算机系统的选择工业控制计算机优点：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：体积较大，价格也较高，常用于参量类型和数目较多、要求运算速度快的监测和控制任务 单片计算机优点：结构简单、价格低廉、功能相对简单缺点：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。ARM板的嵌入式计算机 功能、速度、体积、价格均介于工业控制计算机和单片计算机之间。所有类型计算机均可完成任务；从成本、体积、计算性能要求等方面考虑，选择单片机。10.2 温度测量案例测试系统的设计系统硬件构成图数据传输： 接线盒与主机之间采用双总线传输，当一个有故障时，自动转换到另一个总线。 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。10.2 温度测量案例测试系统的设计软件设计程序核心是主机与传感器的单总线串行通信抗干扰设计（强干扰源多、电磁