《氢能源动力实验原理与指导》课件 第1章 绪论

第1章绪论目录测量和仪表的基本知识测量误差分析测量数据处理010203测量和仪表的基本知识01测量概述测量是人类对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程，借助专门工具，通过实验和数据分析计算，求出未知量的数值。Q=qUU所选用的测量单位q被测量与单位量的数字比值力学测量电学测量长度测量热工测量共同问题测量系统分析误差分析数据处理各自特点不同物理参数的测量原理与方法各类测量技术针对特定物理量，采用专门的传感器与检测手段测量方法分类（按结果产生方式）直接测量法最常用定义：将被测量直接与标准量比较使用预先标定好的仪器，直接求得被测量的数值典型示例水银温度计压力表电流表间接测量法定义：通过直接测量与被测量有确定函数关系的若干变量将测量结果代入关联式计算，间接求得被测量数值轴功率计算示例P=kMn测扭矩M和转速n求功率P组合测量法定义：使各未知量以不同组合形式出现通过联立方程组求解多个未知量铂电阻温度计示例测量不同温度下的电阻值，建立方程组联立求解温度系数a、b测量方法分类（按其他方式）偏差测量法用仪表指针位移表示被测量，简单迅速但精度较低零位测量法用指零仪表检测平衡状态，精度高但费时，不适用于迅速变化的信号微差测量法综合偏差法与零位法优点，先零位法取量值，再偏差法测余差等精度测量完全相同条件下的一系列重复测量，数据可靠性高非等精度测量多次测量中条件不尽相同，需引入权值进行数据处理静态vs动态测量静态：被测量不随时间变化；动态：随时间明显变化，数据处理更复杂仪表的基本知识按用途分类范型仪表vs实用仪表按作用分类检测·显示·控制·执行范型仪表又称标准仪表，用于复制或保持测量单位，是校验和刻度其他仪表的基准，精度很高高精度标准传递实用仪表直接供工业生产和科研实验使用，是现场测量中最常见的仪表类型工业级现场应用检测仪表获取被测信息并转换为可测信号，测量温度、压力、流量、液位等物理量显示仪表显示检测信息，分指示型、记录型、数字型控制仪表对输入信号进行放大、积分、微分等运算处理执行器接受控制信号，对测量过程进行操作或控制仪表主要性能指标1量程2/3量程2精确度0.2级3灵敏度mV/Pa4复现性稳定性5动态特性响应特性量程定义：仪表能测量的最大与最小输入量之间的范围选用原则：被测量值应落在量程之内，最好在三分之二量程附近精确度定义：测定值接近真值的程度，常用最大量程相对误差表示等级示例：0.2级仪表，误差不超过最大量程的±0.2%灵敏度定义：输出信号增量与输入信号增量之比，量纲因仪表而异示例：mV/Pa、mm/Pa等分辨率：仪表检测被测信号最小变化的能力复现性定义：同一条件下重复测量结果的一致程度物理意义：表征仪表长期维持输出特性恒定的性能，即稳定性动态特性定义：仪表对随时间变化被测量的响应特性关键指标：固有频率越高、时间常数越小，动态特性越好测量误差分析02测量误差的概念绝对误差δ=x-x₀δ：测量误差x：测定值x₀：真值相对误差δre=δ/mδre：相对误差δ：绝对误差m：约定值相同被测量用绝对误差评定精度不同被测量用相对误差评定绝对误差定义测定值与真值的差异量，记作δ=x-x₀。反映测量值偏离真值的绝对大小，适用于相同被测量的精度比较。相对误差的三种取法标称相对误差m取指示值实际相对误差m取实际值（约定真值）引用相对误差m取满刻度值评定原则应用场景当被测量相同时，用绝对误差直接比较偏差大小；当被测量不同（量纲或量级差异）时，必须用相对误差消除量纲影响，实现跨量程的精度评价。测量误差的分类系统误差特点多次测量时，误差大小和符号固定不变或按一定规律变化分类变值系统误差：累进、周期性、按复杂规律变化准确度决定测量的准确度，系统误差越小越准确消除方法可通过实验方法消除或引入更正值修正（更正值=-系统误差）粗大误差产生原因读数错误、记录运算错误、错误操作仪表数值特征数值远超同条件下的系统误差和随机误差处理方法一经证实必须从实验数据中剔除随机误差特点受大量微小随机因素作用，数值大小和符号均不固定来源仪表内部摩擦间隙、末位读数估计不准、环境微量变化统计规律不能通过实验剔除，但总体服从统计规律理论估计可从理论上估计其影响随机误差与系统误差的关系认识提高→系统误差复杂难消→随机误差二者并无绝对界限，可相互转化相互转化条件①认识水平提高，过去视为随机的误差可分离为系统误差②变化规律复杂或消除代价过大，系统误差当作随机处理精密度测定值复现性程度准确度偏离真值的程度精确度精密与准确的综合⇄精密度高，准确度不一定高⇄精确度是两者的综合指标⇄精确度高，两者都高直接测量误差分析正态分布特征参数σ小：尖锐，精密度高σ大：平坦，精密度低μ总体均值分布中心位置σ总体标准差数据离散程度1真值的估计被测量真值的最佳估计值=各测量值的算术平均值x̄=(x₁+x₂+...+xₙ)/n2标准误差的估算用残差vᵢ=xᵢ-x̄，由贝塞尔公式求标准误差估计值SS=√[Σ(xᵢ-x̄)²/(n-1)]3算术平均值的标准误差增加测量次数能提高精密度，但n>20后效果不明显S(x̄)=S/√n4测量结果的表示最终结果以置信区间形式给出，P为置信概率X=x̄±λ(P=置信概率)间接测量误差分析等影响原则难测放宽高次幂提高01最佳估计值求法Y

=

f

(

x̄₁

,

x̄₂

,...,

x̄ₙ

)间接测量量的最佳估计值可由各直接测量量的算术平均值代入函数关系式求得。这是误差传布理论的基础，确保测量结果具有最优统计特性。02误差传布公式σY

=√[Σ(

∂f/∂xi

·

σi

)²]间接测量量的标准误差是各独立直接测量量的标准误差与函数偏导数乘积的平方和的平方根。偏导数反映各分量对结果的敏感程度。等影响原则应用策略提高精度高次幂形式放松要求方根形式较大误差技术上难较小误差技术上易综合误差的计算实验设备周围环境人员水平实验方法随机误差综合标准误差：k项独立随机误差的平方和的均方根极限误差：Δi=3σi系统误差交变系统误差：按绝对值求和固定系统误差：按代数和综合粗大误差必须剔除，未剔除会造成误判误差合成定律综合极限误差=随机误差项+变化系统误差项+固定系统误差项测量数据处理03有效数字有效数字核心规则1根据仪表分辨度定出一般保留一位可疑数字（最小分格的十分之一）2"0"的作用至关重要14.0℃与14℃意义完全不同3首位非"0"数字前的"0"不改变有效数字位数温度精度对比示例14.0℃精确到0.1℃14℃精确到1℃有效数字化整法则→只保留一位可疑数字→舍弃采用"四舍六入五凑偶"法则→加减计算：小数点后位数取齐，等于最少的那个数→乘除计算：各数保留位数以百分误差最大的为准→对数计算：对数位数与真数有效位数相等→子样个数超过4个时，平均值有效位数可增加一位→表示精确度时，一般只取1~2位有效数字数据处理的基本方法列表法归纳整理将测量数据按顺序列成表格，简明醒目检查合理便于检查发现数据是否合理作图法形象直观用图线描述物理量关系，步骤清晰五步流程选纸→定轴→描点→绘图