燃气轮机试验与测试技术 课件全套 许传龙 第1-10章 燃气轮机试验与测试技术- 燃气轮机试验规范与整机试验技

燃气轮机试验与测试技术01第1章

CHAPTERONE概论燃气轮机的发展史，就是一个设计、制造、试验、设计修改后再制造、再试验的不断摸索和反复完善的过程。本章先把"为什么测、测什么、怎么建测量系统"讲清楚。1试验测试的作用与意义（1.1）——研发三大支撑技术之一2技术发展趋势（1.2）——五个方向发展3本书的内容体系（1.3）——三大模块4测量与测量系统基础（1.4–1.8）——五节基础机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.1试验测试的作用与意义图1-2国产300MWF级重型燃气轮机（国家电力投资集团有限公司供图）。2024年2月28日首台样机总装下线，是国内首次实现大功率重型燃气轮机自主设计制造。燃气轮机研发的三大支撑技术试验与测试·设计·材料工艺1燃气轮机是集气动、热力、材料、结构、制造及测试等多学科的高技术复杂机电系统。2部分工作过程和特性仍不能从理论上详尽描述，只能依靠试验。3它也是考核新材料、新技术、新结构、新工艺的有效途径。燃气轮机水平取决于试验测试技术水平。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论

燃气轮机试验与测试技术1.1国际水平与自主发展以H级和J级燃气轮机为代表的新一代燃气轮机技术日趋成熟，已投入商业运行。64%联合循环效率2019年通用电气9HA.02重型燃气轮机创造的世界纪录826MW输出功率与64%的联合循环效率记录同属一项世界纪录1650℃透平进口温度2020年三菱重工J级机组，联合循环效率超过64%我国在先进燃气轮机特别是重型燃气轮机核心技术上长期依赖国外，产业尚未实现完全自主发展。2016年我国启动"航空发动机和燃气轮机"国家科技重大专项，燃气轮机同时被列入"十四五"规划和2035年远景目标纲要。300MW2024年首台样机总装下线机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.2燃气轮机试验测试技术发展趋势1.2技术发展趋势五个发展方向试验和测试技术是将试验件、试验设备、传感器、测控系统、控制器与执行器耦合在一起的综合性、前沿性技术。目标是实现参数测量—数据处理—试验过程控制—试验管理的全自动化。随着现代传感器、电子、通信、控制、计算机等技术的发展，燃气轮机试验和测试技术向自动化、无线化、虚拟化、网络化和智能化等方向发展。11.2.1非接触多维全场动态测试技术激光诊断·PIV·层析成像21.2.2智能化传感器技术自主校零·自动补偿·自诊断31.2.3无线传感器技术布置灵活·实时性好·低维护41.2.4虚拟仪器技术软件定义仪器·软测量51.2.5分布式网络化测试技术资源共享·控制分散·信息集中先进测试技术可加速试验进程、提高试验质量，显著缩短新机研制周期。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.2.1非接触多维全场动态测试技术压气机、燃烧室和透平是燃气轮机三大关键部件，其内部流场具有非定常性、强三维性和强湍流脉动等特点。传统接触式探针现有常规测量手段·点测量只能对流场、燃烧场的宏观性能参数和少量空间点的速度、温度、燃气组分浓度进行测量。无法为内部复杂流道、燃烧室的设计和计算方法验证提供真实的流场、燃烧场信息。探针对流场、燃烧场测量会产生严重干扰。激光诊断技术非接触式测试·场测量对燃烧流场基本没有扰动，测量结果能更好地反映真实的燃烧流动过程。时间分辨率可达纳秒级甚至飞秒级，空间分辨率可达毫米级甚至微米级。可获取速度场、温度场及组分浓度场，实现流场与燃烧场的可视化测量。发展非接触式多维全场动态测试技术对真实反映流场、燃烧场状态极为重要，已成为重要发展方向之一。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.2.2–1.2.3智能化传感器与无线传感器智能化传感器技术传感器+微处理器+数据挖掘/深度学习普通传感器只有感知—输出的单一功能，失效后无法及时判定。与微处理器、数据挖掘、深度学习结合后，兼有检测、变换、数据处理、故障自诊断等功能。具备自主校零、自主标定、自校正与自动补偿功能，自主传感器成为可能。显著提高燃气轮机测试效率、测试精度与测试安全性。无线传感器技术检测物理量+无线通信模块传输布置灵活、成本低廉、实时性好、易于扩展。不受布线限制，维护难度低。能耗问题：可能电池耗尽。信号干扰与传输距离受限。智能化解决"测得准"，无线化解决"测得着"，二者互补构成新一代燃气轮机测试网络。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.2.4–1.2.5虚拟仪器与分布式网络化测试1.2.4–1.2.5虚拟化与网络化虚拟化是用软件实现硬件功能；网络化是把测试分散到网络中。信息技术的发展推动传感器本身发生质的飞跃。1.2.4虚拟仪器技术以通用硬件平台+软件和算法实现传感器的特定硬件功能。虚拟示波器、虚拟多功能电源、虚拟信号发生器、虚拟数据采集仪。1.2.5分布式网络化测试技术软硬件分布在网络中的计算机上，通过消息传递实现远程监控。资源共享、控制分散、信息集中，测量由集中模式变为分布模式。测试网络由集中变分布、由本地变远程，具备开放性、互操作性与智能化。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论·燃气轮机试验与测试技术1.3本书的内容体系图1-3燃气轮机试验与测试技术内容体系三大模块构成全书内容测试技术基础/参数测量方法与仪器仪表/燃气轮机试验技术测试技术基础：测量基本概念、测量误差与不确定度分析。参数测量方法与仪器仪表：温度、压力、流量、燃气组分、参数场等。燃气轮机试验技术：试验测试标准规范和整机试验技术。强化原理阐述并导向应用实践，体现本领域最新需求与发展。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.4测量的基本概念图1-4燃气轮机性能测试系统简图（图中仅列出主要测量参数的测点位置）测量是借助专门工具、通过试验获得数据并分析计算，将被测量X0以测量单位U的倍数μ显示出来的过程：X0=μU（1-1）；实测时X0≈xU（1-2），μ

为被测量的真实数值，简称真值。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.4.2测量方法及其分类（1）直接测量法将被测量直接与测量单位比较，或直接从仪器获得被测量数值。（2）间接测量法轴功率P（1-3），式中M为转矩，n为主轴转速。（3）组合测量法R=R0（1+at+bt²）（1-4），联立求解a和b。按比较方式：偏差测量法Δp=ρgΔh（1-5）、零差测量法、微差测量法D=L+ΔL（1-6）；间接测量法一般用于无法直接测量或直接测量困难、误差较大的情况。图1-5

U形管液柱式压力计（偏差法）原理示意图：管中液柱偏离初始零刻度点，偏离量就代表了被测压力值。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.5测量仪表的组成图1-9干簧管浮球液位计测量原理（浮球内磁铁、分压电路与转换电路共同组成转换器）被测对象→传感器→转换器→显示器传感器直接与被测对象联系，提取被测量变化并转换成输出信号。转换器把输出信号转换成便于传输和处理的规范信号，如4~20mA。显示器向测试人员显示测量结果，分指示式、记录式、数字式和信号式。三者可以是单一部件也可由多部件组成，通过管路或信号线路连接实现信息传递。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.5.1–1.5.2显示器与现代测试系统图1-12现代测试系统的基本形式：被测量→传感器→信号调理→数据采集卡→计算机显示器四类指示式（指针与标尺相对位置显示瞬时值，无法记录随时间的变化）；记录式（有笔与无纸记录仪，无纸记录仪是动态数据采集系统最常采用的显示器）；数字式（机械式与电子式，精度高、速度快、无读数误差）；信号式（超限报警并与安全保护装置联动）。标准接口型（GPIB/VXI/PXI）结合数据处理软件，使高度自动化和智能化的现代测试系统成为现实，即虚拟仪器。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.6信号传输开环系统（直接变换式仪表）各环节开环串联，信号沿一个方向传输，按偏差测量法工作：X=K1K2K3I=KI（1-7），K为仪表传递系数；要保证指示准确，必须保持每个环节的灵敏度不变。闭环系统（平衡式仪表）输入电动势e与反馈电压U相减，Δe经放大推动伺服电动机，直至Δe=0，θ=Ke（1-9）。K只与反馈环节K3有关，与K1、K2无关，故模拟式仪表准确度高。测试系统间的信号传输分三类：有线传输（基带式或调制方式）、无线传输（只能采用调制方式：连续波、脉冲、脉码、数字调制；多路有频分制与时分制）、光输系统（带宽和信息容量比微波传输高10万倍）。图1-16电子电位差计各环节的信号传输图1-17按传输方式的信号传输分类：有线传输采用基带式传输或调制方式，无线传输只能采用调制方式机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.7测量系统的基本特性图1-29一阶系统模型：力学、电学与热学范畴的一阶系统，其输入-输出关系均可用τ·dy/dt+y=Kx（1-25）表示静态特性量程A；灵敏度S=Δy/Δx（1-10）；准确度（示值误差δ=x-μ（1-11））；分辨率；线性度δL；回程误差δH；重复性、稳定性、可靠性、灵敏阈与漂移。动态特性传递函数H(s)=Y(s)/X(s)（1-18）；频率响应函数H(jω)（1-19）；幅频特性A(ω)与相频特性φ(ω)。不失真条件：A(ω)=K为常数且φ(ω)=-ωτ0；实际只能在满足精度的某一频率范围内近似不失真。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.8测量系统的检定与校验检定：评定仪表的计量性能，并与规定的指标比较，以确定其是否合格。校验：比较实际值与测量系统的输出值，并对系统进行修正。检定管“系统是否可信”，校验管“输出是否要修正”，二者共同保障测量结果有意义。检定方法定点法（标准状态法）：提供被检仪表测量所需的标准量值来确定示值误差，如用物质的状态转变点温度检定温度计。示值比较法：被检仪表与标准仪表同时测量同一被测量；标准仪表的允许误差为被检仪表的1/3~1/10，检定点不得少于5点，检定精密仪表时不得少于7点。检定与校验内容①各测量仪器仪表按要求定期检定；②

分辨率与量程满足测量目标要求；③

幅频特性与相频特性在整个测量频率范围内满足要求；④

保证重复性；⑤

保证准确性；⑥

检查维护各部件；⑦

长时间运行测试以确定稳定可靠。检定与校验的方法包括定期检查、在线监测、比对试验：高精度测量系统宜采用在线监测与比对试验相结合，低精度测量系统可采用定期检查。机械工业出版社·教材配套课件02第2章·原书P18–P29CHAPTERTWO测量误差与不确定度只有在得到测量结果的同时指出测量误差的范围，所得的测量结果才是有意义的。本章回答“测得准不准、误差从哪里来、如何科学表达”。1误差的基本概念（2.1）——三类误差与三种真值2随机误差分析与处理（2.2）——正态分布与置信度3粗大误差分析与处理（2.3）——三准则判别坏值4系统误差分析与处理（2.4）——分类、判定与削弱5函数误差与误差合成（2.5）——传播、分配与最佳方案6测量结果的不确定度评定（2.6）——A/B类与合成扩展机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.1误差的定义与分类2.1绝对误差=测量结果-真值真值已知的三种情形理论真值：内角和180°、圆周率π等约定真值：国际计量大会规定的七种单位量值相对真值：高一级仪器误差为低一级的1/3~1/10粗大误差明显歪曲测量结果、使该次测量失效的误差，也称疏忽误差；原因有读错记错、操作错误、系统突发故障，应当剔除。系统误差相同条件下多次重复测量时，误差大小和符号保持不变（恒值）或按确定规律变化（变值）；增加测量次数不能减少它。随机误差绝对值和符号不可预知地变化，也称偶然误差；单个值不确定，但一系列重复测量值的分布服从统计规律，其大小表明精密度。随机误差与系统误差并无绝对界限，在一定条件下可以互相转化：随着测量条件改善和认识水平提高，一些过去视为随机误差的误差可分离出来作为系统误差处理。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度

·燃气轮机试验与测试技术2.1.3精密度、正确度与准确度精密度相同测量条件下对同一被测量多次测量时，测量值的重复性程度；反映随机误差的大小，随机误差越小、测量值分布越密集，精密度越高。正确度相同测量条件下多次测量时，测量值偏离被测量真值的程度；反映系统误差的大小，系统误差越小，测量结果的正确度越高。准确度精密度和正确度的综合，也称精确度；反映测量结果中系统误差和随机误差的综合数值，即测量结果与真值的一致程度。同一被测量的多次测量中，精密度高准确度不一定高，正确度高准确度也不一定高；只有精密度和正确度都高，准确度才会高。图2-1精密度高、正确度低图2-2精密度低、正确度高图2-3准确度高（精密度高、正确度高）机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度·燃气轮机试验与测试技术2.2.1随机误差的分布规律图2-4随机误差的概率密度分布曲线：曲线与横坐标之间的总面积等于1，阴影面积表示随机误差落在δ与δ+dδ之间的概率概率密度函数f(δ)=[1/(σ√2π)]·exp(−δ²/2σ²)（2-1）；令δ=x−μ得f(x)（2-2）。式中σ为标准差（均方根误差），μ

为真值（数学期望）；式（2-1）、（2-2）称为概率方程或高斯方程。四条特性对称性（等值性）：绝对值相等的误差概率相同；有界性：误差不超过某一限度；单峰性：误差为零时出现机会最大；抵偿性：n→∞时误差代数和等于零。由概率论中心极限定理可知，大量、微小、独立的随机误差服从正态分布——这是后续所有统计处理的理论前提。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度

燃气轮机试验与测试技术2.2.2测量值及其随机误差估计图2-5随机误差的正态分布曲线（σ

决定曲线的“肥瘦”程度）有限次测量的估计当n→∞时，测量值的数学期望等于各测量值的算术平均值（2-3）；实际测量中以等精度有限次重复测量值的算术平均值作为被测量真值的估计值（2-4）。σ越小，分布曲线越窄、越陡，任一单次测量对相对真值的离散程度越小、可靠性越大、精密度越高。估计公式算术平均值x̄=(1/n)·Σxi（2-4）；贝塞尔公式σ(x)=√[Σvi²/(n−1)]（2-6），式中vi=xi−x̄为残差（剩余误差）；测量子样算术平均值的标准差σ(x̄)=σ(x)/√n（2-7）。用多次重复测量取得的子样平均值作为测量结果，比单次测定值具有更高的精密度；但由于是平方根关系，n达到20~30次后再增加，效果就不明显了。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.2.3–2.2.4置信度与测量结果的表示表2-1正态分布置信系数与置信水平的关系表（摘录）Z0.00.10.20.30.40.5注：行为置信系数Z的整数位，列为Z的小数位（0.0~0.5）。例2-1查表2-1得φ(1)=0.6827，φ(2)=0.9545，φ(3)=0.9973；相应显著性水平α=1−φ(Z)依次为0.3173、0.0455、0.0027。例2-2

转速20次重复测量：x̄=4752.0r/min，σ(x)=2.0r/min，σ(x̄)=0.447r/min；查表2-1得Z=1.96，a=1.96×0.447≈0.9r/min。结果：x=(4752.0±0.9)r/min（P=95%）。置信区间用±Zσ(x)表示；α(Z)=1−φ(Z)（2-9）。测量结果是以子样平均值为中心、以置信区间半长为误差限的量（2-12）。随机误差超过±3σ的概率小于0.3%，是小概率事件。机械工业出版社·教材配套课件置信系数Z置信水平φ(Z)00.10.20.30.40.50.60.70.80.900.00.07970.15850.23580.31080.38290.45150.51610.57630.631910.68270.72870.76990.80640.83850.86640.89040.91090.92810.942620.95450.96430.97220.97850.98360.98760.99070.99310.99490.996330.99730.99810.99860.9990.99930.99950.99970.99980.999850.9999第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.3粗大误差分析与处理2.3可疑测量值的判别三步1物理方法鉴别：查差错与瞬变原因2补充测量：重复测量或更换仪器3统计检验方法：建立判据后处理三种准则都以正态分布为基础。拉依达准则（3σ准则）最常用；遵循逐个剔除原则，一次只能剔除一个数据；计算方法简便迅速，适用于正态分布、测量次数较多的情况，但n<10时失效。格拉布斯准则理论严谨、概率意义明确，经试验证明判断粗大误差较好；求出格拉布斯鉴别值T(n,α)·σ(x)，残差最大值大于鉴别值即剔除；T(n,α)中n随数据剔除而变化（表2-2）。t检验准则判断时隔离被怀疑的测量值，用剩余n−1个测量值求x̄′与σ(x)′，计算t检验鉴别值K(α,n)·σ(x)′并进行比较。对可疑测量值的剔除不能靠主观臆断，不能人为地、毫无根据地去除误差大的测量值，以期得到所谓“符合规律”的测量结果。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.4系统误差的分类、判定与削弱图2-7各类特征的系统误差：曲线a恒定；b、c累计；d周期性；e复杂规律按变化规律分类恒定系统误差（曲线a）：大小和方向不随时间和条件改变。变值系统误差：累计（曲线b、c，线性与非线性）、周期性（曲线d）、复杂变化规律（曲线e，为前三者的组合）。产生原因：仪器、设备、试验装置不完备或环境条件变化；试验方案、方法、原理不完善。判定恒定系统误差用试验对比法（标准器件法、标准仪器法）与改变外界测量条件法；变值系统误差用残差观察法（适用于系统误差比随机误差大的情况）、马利科夫准则判累计系统误差C=Σvi−Σvi（2-13）、阿贝-赫梅特准则判周期性系统误差A=Σvivi+1（2-14）。削弱方法：零式法、替代法、变换法、补偿法、对称观测法、半周期法。修正值法只能消除已定的系统误差，且不具有通用性。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.5.1–2.5.2函数误差与误差合成函数系统误差间接测量量y=f(x1,x2,…,xm)（2-22）；函数系统误差εy=Σ(∂f/∂xi)·εi（2-23）。∂f/∂xi为误差传播系数：与εy量纲相同时起误差放大或缩小作用，不同时起误差单位换算作用。函数随机误差y+δy=f(x1+δ1,…,xm+δm)（2-24）；按泰勒级数展开并略去二阶以上小量得δy=Σ(∂f/∂xi)·δi（2-25）。各输入量标准差为σi，协方差Dij=ρij·σiσj，则y的标准差σy含协方差项（2-26）；各输入量随机误差相对独立时Dij=0，简化为σy=√Σ[(∂f/∂xi)²·σi²]（2-27）；各随机误差都为正态分布时可得函数极限误差公式（2-28）。合成标准差σ=√Σ(aiσi)²（2-29），互不相关时σ=√Σ(aiσi)²（2-30）；各分量量纲一致且相关系数为0时ai=1，σ=√Σσi²（2-31）。极限误差合成：δi=kiσi（2-32）、δ=kσ（2-33），代入得δ=k√Σ(aiσi)²（2-34）。各单项极限误差的置信系数ki不仅与置信水平有关，也与随机误差的分布有关。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.5.3–2.5.5误差分配与最佳测量方案图2-11弓高弦长法测量工件直径：函数式D=l²/(4h)+h，据此确定最佳测量方案未定系统误差合成其取值具有随机性、有抵偿作用，可按随机误差公式合成（2-35~2-40）。误差分配三步①按等影响原则分配：使各分项误差对函数误差的影响相等（2-43~2-45）；②

按可能性调整：难以实现的分项适当扩大、容易实现的尽可能缩小；③

验算调整后的总误差，超差则再缩小可缩小的误差项。最佳方案：选误差项数少的函数公式，并使误差传播系数尽量小。例2-4两轴中心距测量：方法一σL=0.91μm、方法二1.09μm、方法三0.64μm——方法三最小，因其误差项数少、函数式简单且不含内尺寸。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度

燃气轮机试验与测试技术2.6.1–2.6.2不确定度概念与标准不确定度评定2.6测量不确定度：表征合理赋予被测量值分散性的参数。A类评定：用统计分析的方法。B类评定：用不同于统计分析的其他方法。不确定度来源被测量定义不完整；实现定义的方法不理想；取样代表性不够；对环境影响的测量与控制不完善；模拟仪器读数的人为偏差；仪器计量性能局限；标准值与标准物质不准；引用常数不准确；测量原理与程序的近似或假定；重复观测值的随机变化；系统误差修正不完善；粗大误差未被剔除；测量条件变化。相关术语标准不确定度：用标准差表示的不确定度。合成标准不确定度：各分量方差与协方差加权和的正平方根。扩展不确定度：测量结果取值区间的半宽度。包含因子：对合成标准不确定度所乘的倍数因子，一般取2~3。A、B两类只是计算不确定度的两种不同途径，都基于某种概率分布，本质上并没有区别，不能把它们混淆为随机误差和系统误差。机械工业出版社·教材配套课件第2章

测量误差与不确定度燃气轮机试验与测试技术2.6.3–2.6.5合成、扩展不确定度与结果表示合成标准不确定度uC(y)=√[Σui²+2ΣΣρij·ui·uj]（2-61）；间接测量时uC(y)=√[Σ(ai·u(xi))²+2ΣΣai·aj·ρij·u(xi)·u(xj)]（2-62），ai为灵敏系数（误差合成中称传播系数）。记u(yi)=ai·u(xi)（2-63），则uC(y)=√[Σu(yi)²+2ΣΣρij·u(yi)·u(yj)]（2-64）；xi与xj互相独立时ρij=0，简化为uC(y)=√Σu(yi)²（2-65）。有效自由度按韦尔奇-萨特斯韦特公式计算（2-66）。扩展不确定度两种表示：U=k·uC(y)（2-67）；按给定置信概率U=kP·uC(y)（2-68）。包含因子k的确定方法有自由度法、超越系数法和简易法；自由度法取kP=tP(ϑeff)（2-69），ϑeff足够大时近似为U95=2uC(y)或U99=3uC(y)（2-70）。例2-7

10次测量平均值400.02℃，加热电偶修正值0.48℃得400.5℃。A类uA=0.03℃；B类uB1=0.35℃、uB2=2.0/2.58=0.78℃；三个分量互不相关，uC(y)=0.86℃；取k=2，U=2×0.86=1.7℃。评定报告：测量结果为400.5℃，U=1.7℃，k=2。只有附加不确定度说明的测量结果才是完整和有意义的。机械工业出版社·教材配套课件03第3章·原书P30–P39CHAPTERTHREE接触式温度测量技术透平进口温度是影响燃气轮机效率的重要参数，H/J级重型燃气轮机透平进口温度已达1600℃。本章讲清楚“温度怎么定义、用什么仪表测、热电偶为什么能测”。1温度测量概述（3.1）——温标、ITS-90与测温方法2膨胀式温度计（3.2）——玻璃管、双金属与压力式3热电偶温度计（3.3）——原理、定律、补偿与测量4燃气轮机上的应用（3.3.7–3.3.8）——叶片测温与校验机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

·燃气轮机试验与测试技术3.1.1–3.1.2温标与ITS-90国际温标温标三要素固定点：物质不同相之间可复现的平衡温度；标准仪器：一种测温物质制成的、作为实现温标的仪器；内插公式：确定任意点温度值的数学关系。经验温标以摄氏温标（1742，水银玻璃温度计，冰点0℃、沸点100℃，分100等份）与华氏温标（1724，冰点32℉、沸点212℉）为代表，依据水银受热体积膨胀建立：F=9/5·t+32（3-1）。热力学温标1848年由开尔文以热力学第二定律为基础引出，以卡诺循环为基础：Q2/Q1=T2/T1（3-2），与测温物质无关，又称开氏温标。规定水三相点热力学温度273.16K；T=t+273.15（3-3），故水三相点为0.01℃。ITS-90国际温标由国际计量委员会在第18届国际计量大会第7号决议通过，1990年1月1日正式实施，是国际协议性温标：与热力学温标接近、复现性好、使用方便。定义国际开氏温度T90（K）与摄氏温度t90（℃），关系同式（3-5）。固定点与温度点共17个：14个高纯物质的三相点、熔点和凝固点，3个蒸气压或气体温度计测定的温度点。各温区的内插仪器：0.65~5.0K用氦蒸气压温度计；3.0~24.5561K用定容式气体温度计；13.8033~961.78K用铂电阻温度计；961.78K以上用光电高温计。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

·燃气轮机试验与测试技术3.1.3温度测量方法表3-2常用测温仪表的种类及优缺点（摘录）测温方式温度仪表的种类测温范围/℃非接触式辐射式400~2000非接触式光学式700~3200非接触式比色式900~1700非接触式红外式（热敏探测）-50~3200非接触式红外式（光学探测）0~3500非接触式红外式（热电探测）200~2000接触式膨胀式（液体）-50~600接触式膨胀式（双金属）-80~600接触式压力式（液体）-30~600接触式压力式（气体）-20~550优缺点：非接触式测温不破坏被测温度场、响应快、测温范围大，但低温段不准、易受外界干扰、标定困难；接触式结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉，但测温上限与准确度受材料限制，且不能记录和远传。两大类方法按仪表是否与被测对象接触划分。非接触式通过热辐射、声学、光学等原理测温，元件不接触介质：测温范围广、不受测温上限限制、不破坏被测温度场、热惯性小、响应速度快。接触式需与被测介质充分热交换，存在测温延迟，并受耐高温材料限制。接触式测温仪表结构简单、可靠，测量准确度较高。本部分重点介绍常用的接触式温度测量方法。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

燃气轮机试验与测试技术3.2膨胀式温度计图3-2双金属温度计原理图：两种线膨胀系数不同的金属片叠焊成双金属片感温元件，一端固定、一端为自由端①玻璃管液体膨胀式：ΔV=V0(α−α′)(t2−t1)（3-6），h=ΔV/(πd²/4)（3-7）；V0越大、α

越大、d越小，灵敏度越高但量程越小；水银在−38~356℃保持液态，可作精密标准温度计。②

固体膨胀式（双金属）：偏转角α=K·L·(t−t0)/δ（3-8），抗振耐用，精度等级仅1~2.5级，测温约−80~600℃。③

压力式：由温包、毛细管和弹性压力表组成；充气式上限500~550℃、充液式−40~550℃；工作距离不超过60m。判断：膨胀式温度计的共同局限是信号不能远传和自动记录。玻璃温度计准确度高但易损坏、只适合现场直接读数，并需定期校验零点位置，避免玻璃热胀冷缩引起的零点漂移。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.1热电偶测温原理图3-4塞贝克效应示意图：由两种不同导体A、B组成闭合回路，两接点1、2处于不同温度T和T0时回路产生热电流EAB(T,T0)=[ϕAB(T)−φA(T)+φB(T)]−[ϕAB(T0)−φA(T0)+φB(T0)]=eAB(T)−eAB(T0)（3-11）塞贝克效应两种不同导体A、B组成闭合回路，两接点处于不同温度T和T0时回路产生热电流，其电动势称热电动势——1821年塞贝克发现的热电现象。热电动势的组成由温差电动势与接触电动势组成。温差电动势（汤姆逊电动势）eA(T,T0)=φA(T)−φA(T0)（3-9）：只与导体性质及两端温度有关，与导体长度、截面积、沿长度的温度分布无关。测量热电动势EAB(T,T0)的大小即可确定温度T，这就是热电偶测温的工作原理。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.2热电偶的基本定律图3-8加有中间导体的热电偶回路均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论截面积如何以及温度分布如何，都不可能产生热电动势，据此可检测热电极材料的均匀性。中间导体定律由几种不同材料组成的闭合回路，若各种材料接触点的温度都相同，则该回路中的热电动势为零。EABC(T,T1,T0)=eAB(T)+eBA(T0)=EAB(T,T0)（3-12）推论接入第三种均质材料，只要两端温度相同就不影响回路热电动势（3-12），故连接导线与显示仪表均可视为中间导体（3-15）；还可用开路热电偶测量液态金属与金属壁面温度（图3-9）。中间温度定律：EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)=EAB(T1,T3)（3-21），为补偿导线提供理论依据。三条定律共同保证“测热电动势即可确定热端温度”在工程接线中成立。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.3热电偶冷端温度补偿图3-12补偿导线在热电偶回路的连接：A′、B′为补偿导线，冷端由原T′0变为新冷端T0①补偿导线法：延长型与补偿型，使用温度0~100℃，须与热电偶配套；②

计算修正法：E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)（3-22），适用于实验室；③

冰点槽法：准确度高但需冰水两相共存，仅用于实验室校验；④

冷端补偿器法：不平衡电桥，R1=R2=R3=RCu=1Ω，供电4V，20℃平衡。为什么必须补偿热电动势只有在冷端温度恒定且已知时，才是热端温度的单值函数；实际应用中冷端处于温度波动的环境，因此必须进行冷端温度补偿。补偿电桥原理冷端温度升高时RCu增大，a、b两端输出不平衡电压Uab，而热电偶热电动势Ex减小；若Uab的增加量等于Ex的减少量，则指示值不随冷端温度变化，实现自动补偿。现场在线测量首选补偿导线＋补偿电桥；实验室高精度测量首选冰点槽法。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.4–3.3.5标准化热电偶与热电偶构造图3-15普通热电偶的结构示意图标准化热电偶定型生产、工艺成熟、性能稳定并已列入国家标准化文件，具有统一的分度表，规定了热电动势与温度的关系、热电极材料、热电性质与允许偏差。常用分度号有S、R、B、K、E、J、T：S/R/B为贵金属，K/E/J/T为廉金属。非标准化热电偶用于超高温、超低温、高真空与核辐射等场合，需逐支标定。典型性能B型长期可用至1600℃；K型长期1200℃、平均灵敏度约0.04mV/℃；E型热电动势率最高；T型在−200~350℃准确度最高。普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒组成；特殊热电偶含铠装热电偶（外径0.25~12mm，时间常数可小到毫秒级）、薄膜热电偶（热响应达微秒级）、消耗式快速微型热电偶（响应时间4~6s）。热电极材料应满足：物理化学性能稳定、热电特性好且近似线性、灵敏度高、电导率高而电阻温度系数小、复现性好、资源丰富价格便宜。测量空间受限、温度变化复杂的瞬态测温必须选薄膜热电偶。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.6热电动势测量动圈式仪表以磁电原理测量微安级电流：旋转力矩M=nBAI（3-23）与张丝反力矩平衡得偏转角α=CI（3-25），偏转角与电流成单值正比例关系；但回路电阻变化会带来误差。直流电位差计高精度测量改用直流电位差计：按随动平衡方式工作、静态平衡时热电偶回路无电流，故对回路电阻变化没有严格要求；自动电子电位差计精度等级0.5级，可自动显示记录并自动补偿参比端温度。数字电压表由输入电路、A/D转换器、数字显示器、逻辑控制电路组成，A/D转换器是其核心。判断：要求精度选电位差计，要求自动化与记录选电子电位差计或数字电压表。图3-22动圈式仪表测量机构示意图图3-26手动电位差计原理机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

燃气轮机试验与测试技术3.3.7–3.3.8燃气轮机上的应用与热电偶校验图3-30薄膜热电偶在透平叶片上安装的示意图及实物图（安装时使用通孔引线连接技术解决超高温环境下的信号传输问题）校验：必须在表3-6所列温度点进行，校验点温度控制在±5℃，标准表允许误差为被检表的1/3~1/10，目前常采用双极比较法。应用背景H级燃气轮机透平进口温度超过1400℃，热端部件温度必须实时监控。薄膜热电偶热响应时间达微秒级，用于透平叶片与燃烧室壁的瞬态温度测量。试验装置（图3-31）透平叶片安装在管式真空炉中，高温1000℃、低温700℃，进行四次循环加热（S1~S4）。SGT5-8000H应用16个N型三支热电偶测量末级叶片出口流道温度；两叶片流道温度偏差达54℃，远超分散度保护动作值40℃，系统触发保护使燃气轮机跳闸。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术3.4热电阻温度计图3-39热电阻体的引线形式（原书）1—二线制2—三线制3—四线制原理电阻随温度变化的参数型敏感元件，与测阻仪表配套组成温度计。材料金属铂（Pt50/100/300）、铜（Cu50/100）与半导体热敏电阻。结构电阻体/引线/绝缘套管/保护套管/接线盒（图3-37、3-38）。引线二线/三线/四线制；三线制可消除引线电阻，工业最常用。校验定点法（冰点槽+恒温槽）/比较法（JJG229—2010）。结论：灵敏度高、精度高、稳定性好，是−200~600℃尤其是低温测量的主力。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术04第4章热辐射及其他温度测量技术4.1热辐射式温度计：普朗克/维恩/斯特藩定律，单色、全辐射、比色及多波长测温4.2其他温度测量技术：示温涂料、磷光、晶体测温应用燃气轮机透平叶片表面温度的非接触在线测量机械工业出版社·教材配套课件第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.1.1热辐射测温基本原理图4-1黑体的单色辐射力与波长和温度之间的关系普朗克定律(4-1)E₀λ=c₁λ⁻⁵/(e^(c₂/λT)−1)c₁=3.7413×10⁻¹⁶W·m²，c₂=1.4388×10⁻²m·K维恩公式(4-2)E₀λ=c₁λ⁻⁵e^(−c₂/λT)T<3000K时对普朗克公式的近似，误差<1%斯特藩-玻尔兹曼(4-3)E₀=σT⁴σ=5.67032×10⁻⁸W/(m²·K⁴)发射率ε=E′/E₀（实际表面与同温黑体辐射力之比）描述物体偏离黑体程度；实际物体ε<1，需已知其特性方可反演真实温度。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.1.2单色辐射高温计图4-3典型光电高温计的结构亮度温度Tp亮度Lλ∝单色辐射力Eλ；按黑体刻度，测得亮度温度Tp恒低于真实温度T（ελ<1）。光电高温计结构（图4-3/4-4）光学系统+探测器（硅光电池/热敏/热释电）+信号处理与显示。测温量程上限可达3000℃；高温段800~3000℃用硅光电池（0.4~1.1μm），中温0~1000℃用薄膜热电堆（8~14μm）。注意：非黑体ελ影响、中间介质散射/吸收、不宜测反光强或透明火焰——需修正或创造黑体条件。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.1.3辐射温度和全辐射温度计图4-5全辐射高温计原理示意图（原书）辐射温度Tc(4-8/4-9)σTc⁴=εσT⁴⇒Tc=T·ε^(1/4)示值恒低于真实温度T，须按ε校正（ε<1）。结构要点（图4-5）物镜+光阑+热电堆（4~8支热电偶串联）+铂箔+目镜；机壳内壁涂黑以近黑体。使用注意：ε

随成分/表面/温度剧变；介质吸收；环境温升致冷端误差；L/D比须受限。精度等级1%以下（1.5%/2.0%/2.5%）。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.1.4比色温度计及多波长温度计图4-9双通道光电比色高温计原理（原书）比色温度Ts(4-10~4-12)两波长光谱强度比定温；灰体ελ1=ελ2时Ts=T（最接近真实温度）。结构形式单通道（调制盘交替滤光）/双通道（分光至两探测器），见图4-7、4-9。多波长/三波长(4-16~4-20)发射率随波长线性时，三色温度≈真实温度，可同时测T与ε。亮度/辐射/比色温度均非真实温度，须已知ε方能反演；多波长法最适于高温目标。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.1.5辐射温度计在燃气轮机上的应用图4-13高压透平叶片的温度测量结果（原书）探针与安装（图4-10~12）机匣不同位置周向固定，扫描转子叶片表面，采集大面域辐射。叶片温度分布（图4-13）逐转逐叶片信号→计算机处理→彩色分布图，用于部件健康监测。多波长试验（图4-14/15）蓝宝石探针+光纤→光谱仪/多光谱传感器，测气体温度变化曲线。辐射测温测温范围宽、响应快、不干扰目标温度场，是燃气轮机高温部件温度测量的首选非接触手段。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.2.1示温涂料法图4-16高压涡轮导向器表面示温涂料变色（原书）原理物质颜色随温度不可逆变化；用多点变色涂料或混合多种单变色涂料制得。涂覆与标定涂膜0.03~0.05mm，带状约10mm宽；宜窄条/点状。标定：比色卡或等温线法。性能与局限范围100~1200℃，精度±(5~8)℃；不宜接触高温燃气/摩擦面，变色受升温速度与时间影响。不需引线、不干扰流场，适于航空发动机热端部件、旋转件大面积连续温度场测试。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.2.2磷光测温法图4-18磷光寿命随温度升高变化的典型趋势（原书）磷光强度比法(4-21~4-23)FIR=A·exp(−ΔE/kBT)+C热耦合能级对能级差200~2000cm⁻¹；两波长磷光强度比值随温度单调变化，可抑制光源扰动误差。磷光寿命法(4-24/4-25)I=I₀·e^(−t/τ)τ为强度衰减至1/e的时间，随温度升高而缩短；频域法tanΔφ=2πfτ，时域法拟合指数衰减曲线。典型磷光材料与应用Y₂O₃:Eu、Y₂O₂S:Sm、YAG:Dy等；Y₂O₂S:Sm在900~1425℃测温误差不超过±1℃。图4-20：YAG:Nd激光激发燃烧室壁面磷光涂层，光电倍增管（PMT）收集磷光信号。磷光寿命法不受样品形态、发光强弱、光散射与光源波动影响，具有测温范围宽、重复性好、精度高的优点，已应用于燃气轮机与航空发动机高温部件及其壁面温度测量。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.2.3晶体测温法图4-22

SiC晶体的X射线衍射峰位置和半高宽随退火温度的变化曲线（原书）温度记忆效应晶体受高能粒子辐照产生非平衡缺陷，高温退火后缺陷消除程度与所经历的最高温度及退火时间有确定函数关系，缺陷浓度由XRD精确测量。测温晶体（表4-1）第一代金刚石、第二代碳化硅（SiC）、第三代氮化铝等；SiC晶体测温范围150~1430℃，精度±3.3℃。微型晶体与安装（图4-21）外形<0.4mm³的微型测温晶体无需引线、可阵列布点；嵌入式安装测表面温度，支撑式安装测近表面气流温度。局限：只能测量被测物经历的最高温度，测量前需对被测物进行强度评估。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术05第5章压力及差压测量技术5.1液柱式压力计：U形管、单管式、斜管式微压计与误差修正5.2弹性式压力计：弹簧管、膜片膜盒、波纹管及弹性元件特性5.3压力传感器及变送器：电位器/应变/压电/电感/电容/霍尔式5.4压力变送器的校验：计量性能要求、校验设备与校验规程机械工业出版社·教材配套课件第5章

压力及差压测量技术5.0压力的基本概念p压力（压强）物体单位面积上作用的法向力的大小，单位为Pa。1Pa=1N/m²常用单位：1kPa=10³Pa1MPa=10⁶Pa压力脉动会造成通流部件的热与机械应力疲劳，压力准确测量对运行安全与经济性意义重大。按随时间变化划分静定压：每秒变化量为分度值1%或每分钟变化量在5%以内；变动压：超过静定压限度，其中非周期变化称波动压力、不连续且变化大者称冲击压力；脉动压：压力随时间周期性变化且变化速度超过静定压限度。按参考零点划分绝对压力（单位后加abs）：以绝对真空为零点；表压力（单位后加G）：以大气压力为零点；差压力：以大气压力以外的任意压力为零点。三者关系：绝对压力=表压力+大气压力。按测量原理划分①重力与被测压力平衡：液柱式压力计、活塞式压力计；②

弹性力与被测压力平衡：各类弹性式压力计，工业应用最广；③

利用物质其他与压力有关的物理性质：压力传感器，半导体压阻式与压电式发展迅速。本册第5章沿「液柱式→弹性式→压力传感器及变送器→校验」的主线展开，与后文流量测量中的差压方法相互衔接。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术

·5.1.1U形管压力计图5-1

U形管压力计的结构（原书）静力学平衡关系(5-1)Δp=p₁−p₂=h(ρ₁−ρ₂)g=(h₁+h₂)(ρ₁−ρ₂)gh为两肘管封液高度差，h=h₁+h₂；g为重力加速度。结构与应用一根灌注一半容积液体的U形玻璃管加一根标尺；可测液体和气体的相对压力及压力差。管径与封液选用内径一般5~20mm，为减小毛细现象影响最好不小于10mm；管径小时不能用水（毛细现象），可采用酒精。读数误差标尺分格值1mm时两次液面读数总绝对误差约2mm；被测差压很低时应选密度更小的封液（水、汞、四氯化碳）。液柱式压力计结构简单、价格低廉、灵敏度高，适用于低压、负压与差压的高精度测量并可作基准器；但测量范围较窄、玻璃易碎，不适合生产现场使用。常用形式为U形管、单管式与斜管式微压计。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.1.2/5.1.3单管式与斜管式微压计图5-2单管式压力计的结构单管式压力计(5-2~5-4)h₁A₁=h₂A₂，Δp=(h₂+h₁)(ρ₁−ρ₂)g=h₂(1+d²/D²)(ρ₁−ρ₂)g；只需读取一个液面高度值。管长5m、封液为水银时测量上限6×10⁵Pa，酒精时0.4×10⁵Pa，下限一般不小于2000Pa。图5-3斜管式微压计的结构斜管式微压计(5-5~5-8)h₂=l·sinα，Δp=l(1+d²/D²)ρ₁g=Kl；读数被放大1/sinα倍。α

不能小于15°，过小则液面拉长易冲散，使用范围一般为100~2500Pa。测正压通大容器、测负压通肘管。单管式把U形管一边换成大截面容器以消除双液面读数误差（肘管直径5mm、容器150mm时系数为1+1/900）；斜管式通过改变倾斜角α即改变K值，以适应不同的微小差压测量范围。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.1.4液柱式压力计的测量误差及其修正3项主要误差源液柱式压力计的实际测量精度主要受环境温度、重力加速度和毛细现象影响，需逐项修正。读数提示眼睛应与封液弯月面最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。1环境温度变化的影响(5-9)h₂₀=h[1−β(t−20)]，h₂₀为20℃封液液柱高度，h为温度t时的液柱高度，β

为封液体膨胀系数，t为实际温度。封液体膨胀系数比标尺线膨胀系数大1~2个数量级，一般工业测量主要修正封液密度变化；精密测量还需修正标尺长度。2重力加速度变化的修正(5-10/5-11)按使用地点的海拔H与纬度φ计算gφ，再据hN=f(hφ)将测量地点液柱高度折算为标准地点数值。gN为标准重力加速度，取9.80665m/s²；R为地球公称半径（纬度45°海平面处），R=6356766m。3毛细现象造成的误差弯月面引起读数误差并使液柱升高或降低；实际应用常加大管径，封液为酒精时d>3mm，水或水银时d>8mm。此外还有刻度、读数、安装误差：U形管与单管压力计都要求垂直安装，防止非垂直状态造成两端高度差误差。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.2弹性式压力计（特性与材料）图5-4弹性元件的弹性特性（原书）弹性特性(5-12)s=f(p)或s=f(F)或φ=f(M)曲线1线性（弹簧管），曲线2、3非线性（膜片、膜盒）；刚度与灵敏度互为倒数K=1/S。弹性储能(5-13)W=σeεe/2=σe²/(2E)σe大、E小者可实现柔软且灵敏（原书图5-7）。弹性滞后与弹性后效滞后：加、减负荷时弹性特性不重合（原书图5-5）。后效：卸载后需经一段时间才完成变形（原书图5-6），可持续几分钟到几十小时。迟滞误差与材料二者统称迟滞误差，是回差和零点误差的根本原因。恒弹性合金弹性模量温度系数一般±10×10⁻⁶℃⁻¹。弹性式压力计结构简单、灵敏度高、精度高，适用压力范围0~10³MPa；常用弹性元件为弹簧管、膜片、膜盒和波纹管，对应弹簧管压力计、膜式压力计和波纹管式压力计。机械工业出版社·教材配套课件18/42燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.3弹簧管压力计图5-8单圈弹簧管压力计结构原理示意图（原书）结构组成与传动由弹簧管、齿轮传动机构、指针和刻度盘组成；齿轮机构把自由端的线性位移转换为指针角位移，连杆调节螺钉用于校正指示范围，游丝用于消除齿轮啮合间隙。图5-9弹簧管及其横截面工作原理管内压力高于外部时，椭圆截面短轴延伸、长轴缩短而趋向圆形，自由端向管延伸方向移动产生位移s（图5-10），最大位移通常控制在2~5mm。精度等级与量程普通型1~4级，精密型0.1~0.5级；测量范围为真空至10⁶kPa。使用要求：压力波动较大时示值应在量程约1/2处；压力变化较小时可在约2/3处；被测压力通常不应低于量程的1/3。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.4膜式压力计图5-11膜片和膜盒元件与分类膜片为边缘固定的圆形薄片，受压向低压侧弯曲产生中心位移（挠度）；两片膜片周边焊接成膜盒，多个膜盒串联组成膜盒组以获得最大位移。选用与量程被测压力大于60kPa常选膜片，小于40kPa常选膜盒；膜盒压力计250Pa~60kPa，膜片压力计1600Pa~2.5MPa。波纹膜片弹性特性(5-14)挠度与压力关系取决于波纹形状、数量、深度及膜片厚度与直径，边缘波纹影响最大；挠性膜片多用丁腈橡胶，靠弹簧平衡压力。膜式压力计的传动与显示原理与弹簧管压力计大致相同（结构见原书图5-12膜盒式压力计）；膜式压力计精度等级一般为2.5级，最高可达1.5级。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.5波纹管式压力计波纹管元件轴对称的管状波纹薄壳，具有沿轴线的伸缩性；在压力作用下表现出比拉伸时更宽的线性输出范围，因此通常在压缩状态下使用。分无缝波纹管与有缝（焊接）波纹管，前者的波纹截面形状有U形、C形、锯齿形等。双波纹管压力计原理接入被测压力后B1被压缩，填充液经阻尼环与阻尼旁路流向B2，B2伸长并拉伸量程弹簧，直至力平衡；连接轴位移经推板、摆杆带动扭力管转动，心轴转角即反映被测压力大小。图5-13波纹管（原书）图5-14双波纹管压力计的结构示意图波纹管B3通过小孔与B1相通，起温度补偿作用；阻尼阀控制填充液流动阻力，防止仪表迟延过大或系统振荡；单向保护阀保护仪表在压力过大或单向受压时不受损坏。波纹管式压力计灵敏度高，可测压力1.0~10⁶Pa，精度等级1.5级。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.6弹性压力计的误差及修正5.2.6五类主要误差迟滞误差：加载与卸载时变形量不一致弹性后效误差：变形滞后于压力变化间隙误差：活动部件间隙使显示与变形不符摩擦误差：活动部件之间的摩擦力温度误差：温度改变材料弹性模量受上述因素局限，传统弹性压力计要达到0.1%的精度非常困难。提高弹性压力计精度的四条途径误差既来自结构设计与加工精度，也来自弹性材料本身的属性，需从材料、转换方式、支承与工艺四个层面同时改进。1选用优质弹性材料选无迟滞或迟滞极小的“全弹性”材料与温度误差微小的“恒弹性”材料，如恒弹性合金Ni42CrTi、Ni36CrTiAl，以及理想的全弹性和恒弹性材料熔凝石英。2改进转换技术采用新颖的转换技术以减少或消除中间传动机构，从而减少间隙误差和摩擦误差，例如利用电阻应变转换技术。3限制位移与改进支承限制弹性元件的位移量，并使用无干摩擦的弹性支承或磁悬浮支承等创新支承方式。4优化制造工艺采用合适的制造工艺，以充分发挥材料的性能优势。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.1电位器式压力传感器图5-15精密电位器的电路图（原书）精度约0.5~1级；触点摩擦、电位器磨损与污染使其可靠性差、分辨率低、动态特性差。转换原理将测压弹性元件产生的位移转换为微型电位器滑动触点的位移，把压力变化转化为电阻值的变化。精密电位器是可实现机械位移与电信号模拟转换的重要机电转换元件。基本工作原理在电阻元件的1、2端加固定直流工作电压，从1、3端就有电压输出，其大小与电刷位置相关；电刷臂随被测量产生位移时，输出电压也发生相应变化。与动圈式仪表组合（图5-16）Rx的滑动触点由弹簧管压力表的扇形齿轮驱动，Rx与R5~R8、外接电阻Rw组成电桥；压力增加使Rx上升、电桥失去平衡、输出电压增大，指针偏转增大。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.2应变式压力传感器图5-17金属丝式应变片的结构（原书）三个转换环节力或压力(F或p)→应变(ε)→电阻变化(ΔR)→电压输出(U)。压力转应变由弹性敏感元件完成，应变转电阻由应变片完成，电阻转电压由测量电路完成。应变效应(5-15~5-19)R=ρL/A；ΔR/R=(1+2μ)ε+Δρ/ρ；K=(1+2μ)+(Δρ/ρ)/ε。金属应变片K≈1+2μ，一般为1.7~3.6；半导体压阻效应达60~170，几何应变效应可忽略。应变片形式（图5-18/5-19）金属丝式由敏感栅、基底、盖板、引线和黏结剂组成；箔式采用光刻腐蚀工艺，横向部分特别粗、散热好，使用范围日益扩大；半导体应变片分体型与扩散型，扩散型应用最普遍。应用形式有膜片式、筒式和组合式三种（原书图5-20~5-22）：测低压用膜片式，测中压用膜片-应变筒式，测高压用应变筒式；组合式自振频率低，不适合测量高频脉动压力。应变式压力传感器精度通常为0.1~0.25级，常用于工业精确测量。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.3压电式压力传感器图5-23石英晶体（原书）压电式传感器精度很高，通常为0.1~0.2级；因无法避免漏电，不宜测量频率太低的压力信号，特别是静态压力。压电效应与晶轴压电材料受压（受力）时表面产生电荷，压力消除后恢复原状。石英晶体以z轴（光轴）、x轴（电轴）、y轴（机械轴）描述：沿x轴受力为纵向压电效应，沿y轴受力为横向压电效应，沿z轴则不产生压电效应。压电方程与材料qx=dxx·Fx(5-20)，切片上产生电荷的大小与几何尺寸无关；qy=−dyy·Fy(5-21)。材料分两类：单晶压电晶体（石英、酒石酸钾钠等）与多晶压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等）。等效电路与测量电路晶体电容量Ca=εrε0S/d，可等效为电荷源并联电容或电压源串联电容（原书图5-25）；电压放大器（5-22~5-27）使输出电压与输入电压成正比，电荷放大器Uo≈−q/Cf（5-28~5-31）只与电荷和反馈电容有关。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.3.4电感式压力传感器图5-28差动变压器式传感器结构示意图（原书）差动变压器式原理(5-32)铁心随弹性元件位移改变一次绕组与上下两段二次绕组的耦合；二次绕组反相串联，铁心居中时总输出电动势为零，上移为正、下移为负。图5-29电感式压力（差压）传感器结构（原书）输出与供电输出与绕组匝数、绕组电流和供电频率有关；一次绕组采用恒流供电较为有利，测量波动压力时供电频率应至少比压力波动最高频率高十倍，但过高会降低灵敏度。电感式传感器分为自感式、差动变压器式和电涡流式三类，其中差动变压器式应用最广泛；二次仪表一般有动圈表和自动平衡电子差动仪。其灵敏度高、输出功率大、结构简单、工作可靠，但零点漂移不易消除、体积较大，不适合测量高频脉动压力，精度一般为0.5~1级。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.3.5电容式压力传感器图5-30电容式压力传感器原理（原书）图5-32常用电容式压力传感器的结构形式（原书）原理与基本关系(5-33~5-39)测压弹性膜片作为活动极板，与固定极板构成可变电容：C0=KεA/d0，压力变化改变极板间距，电容量随之变化，相对变化与位移呈非线性。差动式电容结构(5-40~5-46)活动极板置于两固定极板之间（图5-31），灵敏度提高1倍；当Δd0=d0/6时非线性误差由17%降至2.8%。电容之“差”与“和”的比值与压力成正比且与介电常数无关。δ室与测量电路(5-47~5-49)δ室以硅油传压、过载时膜片贴球形凹面获得保护；测量电路有交流电桥、谐振电路、运算放大器式（5-47~5-49，输出与动极板位移呈线性）和脉冲宽度调制（PWM）电路。优点是灵敏度高、动态响应快、结构简单、输入能量低且不受磁场影响，精度可达0.