热能与动力工程测试技术 第2版 严兆大 主编 第一、二章 概 述新

热能与动力工程测试技术第二版主编严兆大2018/1/1010723601A第一章概述1第二章测量系统的动态特性11第三章测量误差分析及处理25第四章传感器的基本类型及其工作第五章温度测量100第六章压力测量121第七章流速测量143第八章流量测量161第九章液位测量180第十章转速、转矩和功率测量191第十一章气体组分测量与分析210第十二章振动测量222第十三章噪声测量245第一章概述第二章测量系统的动态特性2018/1/1020723601A第一章概述第一节热能与动力工程测试技术发展概况第二节测量的基本概念第三节测量仪器的组成与分类第四节测量仪器的主要性能指标第五节现代计算机测试技术与系统简述2018/1/1030723601A第一节热能与动力工程测试技术发展概况测试技术对自然科学、工程技术发展的重要性，越来越为人们所认识和重视，它已成为科学研究不可缺少的重要手段2018/1/1040723601A第二节测量的基本概念一、测量方法二、非稳态和瞬变参数的测量三、模拟测量与数字测量系统2018/1/1050723601A一、测量方法1直接测量2间接测量3组合测量2018/1/1060723601A1直接测量1直读法用度量标准直接比较，或从仪表上直接读出被测量的绝对值，如用刻度尺测量长度，用弹簧秤测定质量等。2差值法从仪表上直接读出两量之差值作为所求之量，如用U形液柱式差压计测量介质的压差等。3替代法用已知量替代被测量，即调整已知量，使两者对仪表的影响相等，此时被测量即等于已知量，如用光学高温计测量温度等。4零值法使被测量对仪表的影响被同类的已知量的影响相抵消，则被测量便等于已知量，如用天平秤测定物质的质量、用电位计测量热电动势等。2018/1/1070723601A2间接测量被测量的数值不能直接从测量仪器上读得，而需要通过直接测得与被测量有一定函数关系的量，然后经过运算得到被测量的数值。2018/1/1080723601A3组合测量测量中使各个未知量以不同组合形式出现或改变测量条件以获得不同的组合，根据直接测量或间接测量所得数据，通过求解联立方程组求得未知量的数值。2018/1/1090723601A二、非稳态和瞬变参数的测量随时间不断改变数值的被测量，称为非稳态和瞬变参数或称动态参数，如非稳定工况或过渡工况时内燃机的转速、功率；在制冷过程中冷库的温度等。这些参数随时间变化的函数可以是周期函数、随机函数等。2018/1/10100723601A三、模拟测量与数字测量系统有时被测参数的量或它的变化，不表现为“可数”的形式，而是在测量过程中首先将被测物理量转换成模拟信号，并最终以仪表指针的位置或记录仪描绘的图形显示测量的结果。凡属此类测量，均称为模拟测量，其相应的测量系统称2018/1/10110723601A第三节测量仪器的组成与分类一、测量仪器的组成二、测量仪器的分类2018/1/10120723601A一、测量仪器的组成1感受件或传感器2中间件或传递件3效用件或显示元件2018/1/10130723601A一、测量仪器的组成图11测量仪器组成示意图2018/1/10140723601A1感受件或传感器1它必须随被测参数的变化而发生相应的内部变化这个内部变化就是传感器的输出信号。2它只能随被测参数的变化而发出信号,不受其他任何参数的影响。3感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系，即一个确定的信号只能与参数的一个值相对应。2018/1/10150723601A2中间件或传递件最简单的中间件是单纯起“传递”作用的元件，它将传感器的输出信号原封不动地传给效用件。2018/1/10160723601A3效用件或显示元件显示元件的功能是把被测量信号显示出来，按显示原理与方法的不同，又可分模拟显示和数字显示两种。2018/1/10170723601A二、测量仪器的分类测量仪器按其用途可分为范型仪器和实用仪器两类。2018/1/10180723601A第四节测量仪器的主要性能指标1精确度2恒定度3灵敏度4灵敏度阻滞5指示滞后时间2018/1/10190723601A1精确度精确度表示测量结果与真值一致的程度，它是系统误差与随机误差的综合反映。2018/1/10200723601A2恒定度仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度，称为恒定度。通常以读数的变差来表示。2018/1/10210723601A3灵敏度它以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例2018/1/10220723601A4灵敏度阻滞灵敏度阻滞又称为感量，此量是足以引起仪器指针从静止到作极微小移动的被测量的变化值。2018/1/10230723601A5指示滞后时间图12仪器读数的校正曲线2018/1/10240723601A第五节现代计算机测试技术与系统简述一、计算机测控系统的基本组成及功能二、总线技术的应用三、虚拟仪器VIVIRTUALINSTRUMENTS四、网络化测试仪器2018/1/10250723601A一、计算机测控系统的基本组成及功能1信号调理器完成由传感器输出信号的放大、整形、滤波等，以保证传感器输出信号成为A/D转换器能接受的电信号。2多路转换开关实现多路信号测量，并由它完成轮流切换被测量与模/数转换器的连接。3采样保持器它保证采样信号在A/D转换过程中不发生变化以提高测量精度。4A/D转换器它是将输入的模拟信号换成计算机能接受的数字信号；与之相对应的D/A转换器是将输入的数字信号换成模拟信号。2018/1/10260723601A4A/D转换器图14智能化仪器框图2018/1/10270723601A二、总线技术的应用总线实际上是连接功能部件或系统的一组公用信号线，它具有很强的兼容性和扩展能力，便于灵活组建测控系统。2018/1/10280723601A三、虚拟仪器VIVIRTUALINSTRUMENTS图15虚拟仪器系统框图2018/1/10290723601A三、虚拟仪器VIVIRTUALINSTRUMENTS图16汽车发动机试检测试系统2018/1/10300723601A四、网络化测试仪器图17面向INTERNET的测控系统结构框图2018/1/10310723601A第二章测量系统的动态特性第一节测量系统在瞬变参数测量中的动态特性第二节测量系统的动态响应第三节测量系统的动态标定2018/1/10320723601A第一节测量系统在瞬变参数测量中的动态特性一、测量系统的动态特性的数学描述二、传递函数三、基本测量系统的传递函数2018/1/10330723601A一、测量系统的动态特性的数学描述测量系统的动态特性通常采用常系数线性常微分方程来描述2018/1/10340723601A一、测量系统的动态特性的数学描述表21常见函数的拉普拉斯变换2018/1/10350723601A一、测量系统的动态特性的数学描述表21常见函数的拉普拉斯变换2018/1/10360723601A一、测量系统的动态特性的数学描述表21常见函数的拉普拉斯变换2018/1/10370723601A二、传递函数1串联环节2并联环节3反馈联接2018/1/10380723601A二、传递函数传递函数只是描述系统的动态性能，不说明系统的物理结构，只要动态特性相似，不同的系统可以有相似的传递函数。2018/1/10390723601A1串联环节图21两个环节的串联2018/1/10400723601A1串联环节图22两个环节的并联2018/1/10410723601A1串联环节两个传递函数分别为H1S和H2S环节串联后的测量系统2018/1/10420723601A2并联环节两个传递函数分别为H1S和H2S的环节并联的测量系统2018/1/10430723601A3反馈联接图23反馈联接2018/1/10440723601A三、基本测量系统的传递函数1零阶测量系统的传递函数2一阶测量系统的传递函数3二阶测量系统的传递函数2018/1/10450723601A1零阶测量系统的传递函数该系统的特点是，不管X随时间如何变化，系统的输出不受干扰也没有时间滞后。因此，可以认为零阶测量系统具有完全理想的特性。2018/1/10460723601A1零阶测量系统的传递函数图24零阶系统2018/1/10470723601A1零阶测量系统的传递函数图25仪器的近似线性特性2018/1/10480723601A2一阶测量系统的传递函数有些测量系统的非线性程度很明显，即使限制在较小的测量范围内，亦不能使范围误差减小到允许的量值，这种特性称为根本非线性特性。2018/1/10490723601A2一阶测量系统的传递函数图26测温热电偶2018/1/10500723601A2一阶测量系统的传递函数一阶测量系统的传递函数式中除A1、A0和B0以外，其余系数均为零2018/1/10510723601A3二阶测量系统的传递函数二阶测量系统的传递函数中除A2、A1、A0和B0外，其余系数均为零2018/1/10520723601A3二阶测量系统的传递函数图27二阶仪器示例测振仪等效图2018/1/10530723601A第二节测量系统的动态响应一、测量系统的阶跃响应二、测量系统的频率响应2018/1/10540723601A一、测量系统的阶跃响应1一阶测量系统的阶跃响应2二阶测量系统的阶跃响应3动态特性的评价指标2018/1/10550723601A一、测量系统的阶跃响应图28单位阶跃输入信号2018/1/10560723601A1一阶测量系统的阶跃响应2018/1/10570723601A1一阶测量系统的阶跃响应图29一阶系统的单位阶跃响应2018/1/10580723601A2二阶测量系统的阶跃响应1大阻尼情况12临界阻尼情况13小阻尼情况11对二阶测量系统输入同一阶跃信号，可呈现出不同的响应曲线。2为了提高响应速率而又不产生振荡，这类二阶测量系统常采用0608的阻尼比为最佳，它可使系统具有较好的隐定性。2018/1/10590723601A3小阻尼情况1图210二阶测量系统对单位阶跃输入的响应曲线2018/1/10600723601A3动态特性的评价指标1稳定时间TS也是评价二阶测量系统瞬态响应速率的重要指标。2最大过冲量AD也是评价二阶系统稳定性的重要指标。2018/1/10610723601A二、测量系统的频率响应1一阶测量系统的频率响应2二阶测量系统的频率响应3线性测量系统的频率响应2018/1/10620723601A二、测量系统的频率响应图211测量系统的频率响应2018/1/10630723601A1一阶测量系统的频率响应一阶测量系统的幅频特性和相频特性在时间常数确定后也随之确定，且越小，频率响应特性越好。2018/1/10640723601A1一阶测量系统的频率响应图212一阶测量系统的频率响2018/1/10650723601A2二阶测量系统的频率响应1特性曲线的纵坐标表示输入信号与输出信号之比，即动态测量的幅值误差。2为了达到不失真输出或将失真控制在较小值的目的，对/N的范围要求是当07时，若希望幅值误差控制在5，则要求/N0059；若希望幅值误差控制在则要求/N0071。3当1时，在/N1处测量系统A最大，系统出现谐振。2018/1/10660723601A2二阶测量系统的频率响应图213二阶测量系统的幅频特性和相频特性2018/1/10670723601A3线性测量系统的频率响应1串联环节测量系统频率响应函数2并联环节测量系统频率响应函数3负反馈联接测量系统频率响应函数4正反馈联接测量系统频率响应函数2018/1/10680723601A第三节测量系统的动态标定图214一阶测量系统阶跃响应试验2018/1/106907