流体机械工程测试技术题解

1、流体机械工程测試技术习题解为了引导同学们深入思考问题，特给出下列习题解答供学习参考。1，名词解释测量就是用同性质的标准量与被测量相比较并确定被测量对标准量的倍数（标准量应是国际上或国家所公认的，性能稳定的）。测定就是指间接测量。 测试就是指借助于专用设备，通过试验、测量、数据处理等基本环节，获得被试验对象的有关信息量值的专门技术。实时测试（在物化现象发生的同时对其进行的测量，没有时间滞后。）在被测过程发生的实际时间内，迅速及时采集所需全部测试数据，随后（或存储一段时间后）直接给出各种所需的测量结果，这种测量方式称为实时测试。实时测试是实现测试自动化的重要手段。系统误差在同一条件下多次测量同一量

2、时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，按某一确定的规律变化的误差。随机误差在实际相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号的变化，时大时小，时正时负，没有确定的规律，也不可预定，但具有抵偿性的误差。粗差（疏忽误差）明显歪曲测量结果的误差。真值在某一时刻和某一位置或状态下，某量的效应体现出的客观值或真实值。约定真值（1）指测量次数无限多时所求得的平均值；（2）高精度仪表的测得值。正确度表明测量结果偏离真值的程度，反映了系统误差的大小。精密度表明测量结果的离散程度，或者说是测量值重复（集中）一致的程度，反映了随机误差的大小。准确度反映了系统误差和随机误差合成的大小程度。精度精度一词原

3、为精密度的简称，现可通常用作泛指性的广义名词。可指正确度、精密度亦可指准确度。不确定度是指试验最后多点测定值的两条包络线之间宽度的二分之一。直接测量被测参数通过测量仪器直接获得。间接测量被测参数须通过直接测量的量及它们之间相互关系求得。静态(稳态)测量就是机组在稳定运行时，对被测参数的测量（此时各参数基本上不随时间而变化）。动态测量就是对随时间变化而变化的被测参数进行的测量。非电量电测法就是将各种非电量（力、温度、流量，物位等）转换为电量（电流、电压、频率）或电路参数（电感、电容等）的变而加以测量的二次（次级）测量方法传感器将感受的物理量（非电量：力、温度、流量，物位等）转换为另一种物理量（电

4、量：电流、电压/电感、电容等）输出的装置。电阻应变效应当金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随之发生变化的现象。压电效应当某些固体材料变形时能产生电荷。这种作用是可逆的，即在材料上加上电荷时也可使它产生变形。压阻效应是指单晶半导体材料的某一晶向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。闪频效应当光线以一定的频率照射在以同样大小频率运动的物体上，由于人眼的暂留现象，该物体会呈现出不动的假象。如果运动物体频率低于光线频率，运动物体会被看成在徐徐的反转，反之亦被看成在徐徐的正转。霍尔效应把半导体单晶薄片置于磁场B中，再在它的两个纵向端面上通以一定大小的控制电流I，则晶体的两个横向端面之间出现

5、电势UF，这种现象称为霍尔效应。光电效应在半导体与金属或半导体PN结接合面上，当受到光的照射时，会发生电子与空穴的分离，从而在接合面两端产生了电势，这种现象被称为光电效应。光学多普勒效应当光源与光接收器之间存在相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间相对速度有关。这种现象就是光学多普勒效应。热电效应（现象）由两种不同的导体(或半导体)A、B组成的闭合回路中，如果使两个接点1，2处于不同的温度，回路就会出现电动势，称为热电势，这一现象称为热电效应。声压在声波振动过程中空气压力的改变称为声压P。声压P的大小可由下式表示： P （N）； （式中：声波的振动速度；介

6、质的密度；声速）声压级在工程实测中，为了方便起见，引用一个成倍比关系的对数（lg）量即“级”来表示声音的强弱，称为声压级。即某一声音的声压级等于这个声音的声压和基准声压的比值的常用对数乘以20。声压级的单位为分贝（用dB表示，源于Decibel一词）它的数学表达式为： （式中：Lp声压级；P某一声音的声压；P0基准声压，即频率为1000 Hz 时的听阈声压）响度级响度级是表示声音响度的主观量，它把声压级与频率用一个单位统一起来了。即选取1000Hz的纯音作为基准声，若某噪声听起来与该纯音一样响时，该噪声的响度级（方值）就等于这个纯音的声压级数（分贝）。声级用声级的计权网络测量出来的噪声大小，叫

7、做声级。相对效率就是把水轮机的实际效率放大了数倍的效率值。2， 水力机械试验台的精度通常包括哪些方面 ？ 目前的国际水平如何 ？解：水力机械试验台的精度是衡量试验台的重要指标，通常包括以下两个方面：1） 试验工况下效率测定值的总的相对不确定度；2） 效率测定值的重复度。目前的国际水平：采用CAT（计算机辅助测试系统）其效率测定值的总的相对不确定度达到0.3%以上；效率测定值的重复度达到0.15%以上。试验周期大为缩短，基本上作到一人操作。3， 为什么说可以用在相同条件下多次测量同一量时的算术平均值来近似的代替真值？解：在误差理论中，x0代表被测量参数的真值，完全由被测参数本身所决定。当测量次数

8、趋于无穷时，子样平均值 等于真值。即 可证明如下：在等精度的多次重复测量中（所谓等精度测量就是同一个人在同一仪器上在同样的测量条件下进行的测量），各次测量值的大小不等，那么如何从一系列的测量数据x1、x2xn中来确定被测量的最可信赖值呢？随机误差的基本特性为解决这个问题提供了理论根据。设x0为测量真值，1、2n为各测量值的随机真误差，即有 1=x1x0 2=x2x0 n=xnx0 将上面各式两边分别相加并除以测量次数n得或简写成 式中 随机误差的平均值。由随机误差的特性知，随机误差的总和中，其正误差会被负误差抵消，因而当测量次数无限增多时有 于是 式中 即 上式说明，n足够大时，算术平均值天已

9、很接近被测参数的真值。也就是说测量次数越多，算术平均值的误差越小，它所代表的测量结果越准确。因此，把测量值的算术平均值称为被测量的最可信赖值。这就是在实际测量工作中，常采用多次测量并取各测量值的算术平均值作为测量结果的理论根据。4， 对自动测试系统，每一工况的测量数据至少应记录几次 ？对目测系统，每一工况的测量数据最多只应记录几次 ？为什么 ？ 解：由于多次测量求其平均值可获得很高的测试精度，因此对自动测试系统，可以在瞬间多次采集测量数据，为了提高误差带的置信概率，每一工况的测量数据至少应记录6次以上； 对目测系统，目测速度慢，由于工况波动，每一工况的测量数据最多只应记录23次，现按3次计算。

10、5， 证明水头测量的相对误差 式中：h, P, 分别为速度水头，静压，水的重度；表示相对误差。提示：列出全水头的公式在作进一步的分析。解1： 全水头 H=h+p/ 速度水头相对误差 h=h/h 即 hh=h静压相对误差 p=P/P 即 Pp=P 因此水头测量的相对误差 证讫解2：全水头 H = h+ p/ 绝对误差 H=相对误差6，证明在水力机械试验中效率测定误差为 ，f指的是何种误差？（提示：指何种误差与测试系统有关）证：设效率（间接测量量）与直接测量量为一般函数关系： 求其全微分： 对于n次测量有： 两边平方有： 由于正负出现机率相等，上式中的非平方项对消。其和式为： 标准差： 取绝对极限

11、误差，即具有95%的置信概率。同理根据上式可推得：绝对极限误差 相对极限误差 又由于水轮机效率，用上式来求水轮机效率测定的相对极限误差有：在CAT（计算机辅助测试）系统中，计算机可以多次采样，因此指系统误差；在目测系统中，测量次数有限，因此指系统误差和随机误差的综合。7，标准差本身有无误差？对某量只测一次是否存在标准差？指出贝塞尔公式应用的条件。 解： 由贝塞尔公式可知标准差为： 由上式可知，对某量只测一次即n = 1，那么n1趋于无穷小，标准差趋于无穷大，即标准差随n的多少而变化，因此标准差本身存在误差。对某量只测一次不存在标准差，其测量数据是不可靠的。贝塞尔公式应用的条件为n10，结果才具

12、有相当的可靠程度。8，标准差与算数平均值标准差的区别何在？举一例说明之。为什么可作为表征随机误差大小的精确参数？解： 标准差是指一组数据中某一数据所具有的标准差，而算数平均值标准差表示一组数据的算数平均值的标准差。例如在压力测量中，等精度测得P1、P2、PN等数据，如取其中某一数据Pi作为最后测量结果，它的标准差是。如果用该组数据的算数平均值作为最后的测量结果，它的标准差就是。图12正态分布曲线形状与的关系关系测量值的正态分布曲线的位置和形状，仅仅由它们的算术平均值x0和均方差的大小而定，其值不同，曲线的“坦”、“陡”也不同。由正态分布密度函数式（22）可以看出，正态分布密度函数是一个曲线簇，

13、其参变量是正态分布的两个特征参数x。和。对于一定的被测量，在一定的条件下x。是一定的，是随机变量分布的集中位置。的大小表征着诸测定值关于真值x。的弥散程度。值愈小，正态分布密度曲线尖狭，幅值愈大；反之，值愈大，曲线愈趋平坦，幅值愈小。从随机误差的角度来说，小表明测量列中数值较小的误差占优势；大则表明测量列中数值较大的误差相对来说较多。并不是一次具体测量的误差值，的大小只不过说明在一定条件下进行一系列等精度测量时，随机误差出现的概率密度分布情况。因此可以用参数来表征测量的精密度。愈小，表明测量的精密度愈高。由式（26）可知，的量纲与随机误差x的量纲相同，所以把称为均方根误差。通常把作为表征随机误

14、差大小的一个精度参数。9，今有一套标准的压力表测定装置，每次读数的标准差为0.2mmHg，若希望测量结果的精确度达到0.1mmHg ， 问需要测量几次？ 解： 按95%的置信概率考虑，极限误差为： 测量次数为 即需测量16次。10，做实验时，使用水银差压力计测量流量，若流量测量的极限为相对误差为6Q=2.5%，工作液压差测量误差为2毫米，求允许的最小差压是多少？ 解： 若采用节流式流量计，即有： 两边微分 差压读数的相对误差 又由于 11，数字仪表迅速采集某工况稳定状态下的参数值为：1145，1146，1143，若要求测量结果分别具有0.95 及0.99的置信概率，试正确表示上述测量结果。提示

15、：要特别注意测量次数解： 算术平均值： （2分）均方根误差： （2分）算术平均值的均方根误差 （2分）取置信概率为0.95时：极限误差 x = 2S20.5092 = 1.0184 极限相对误差 测量结果： 1144.670.089% / 1146.671.0184取置信概率为0.99时：极限误差 x = 3S30.5092 = 1.5276 （3分） 极限相对误差 测量结果： 1144.670.13% / 1146.671.5276 （3分）12，启停秒表的标准误差分别为0.03秒，问用此秒表在流量校正中测量水堰截水时间，由于启停原因引起的标准差为若干？解：宜采用绝对值合成法 =0.03+0

16、.03=0.06 s考虑到是同一秒表的测量误差(同一次测量的误差) ，采用均方根合成法=s13，若米尺的标准差为，逐段测量2米U型压力计的刻线尺共测两段，求它对刻线尺的影响（误差），又问：若U形压力计的刻线尺每米的标准差是多少？解： 总= 14，已知被测的工质温度经常为3003500C，现有08000C，1.0级和04000C，1.5级的两只温度表，若要求测量误差不超过60C（只考虑仪表本身引起的误差），应选用哪一只温度表？为什么？解：由相对误差计算式，最大绝对误差为： ，故选用0400 0C，1.5级的温度表两只仪表的最大绝对误差分别为： X1=8001% = 8 0CX2=4001.5%

17、= 6 0C由此可见第一只温度表的最大绝对误差X1 6 0C，不满足要求；而第二只温度表X2 = 6 0C满足要求，因此，应选用第二只温度表。可知，因为被测的工质温度值与仪表量程几乎接近，测量误差小。15, 一只量程为-320+320（-300+300）mm, 精度为1.0级的水位指示表，当水位上升至0水位时，指示-5（-4）mm;当水位下降至0水位时，指示+5（+4）mm；问该水位指示表是否合格？为什么？解1：根据题意可知，绝对误差 X=5（4）mm 相对误差：= 该仪表的精度为1.0级，故合格。解2：由仪表的允许误差 即有允许误差的绝对值： 式中Aa、Ab分别为仪表量程的上、下限。由题意可

18、知绝对误差x=5 因此 x j 所以该水位指示仪表合格。16，求下列情况下效率测定总的相对不确定度，喷嘴测流： 流量系数较正误差1%，流量测量数据20.90， 20.86， 20.80升/秒；吐出扬程： 0.4级压力表01.0 MPa;，读数0.795, 0.805, 0.797Mpa；吸入扬程： 单管水银压力计零位及刻度误差0.2%,读数105， 104， 103mmHg;马达天平： 实际灵敏度0.7%, 砝码误差0.1% ，臂长误差0.07%， 砝码读数19.85, 20.15, 20.00Kg。转速：数字测速仪，总误差0.1%提示：应首先计算各单项参数的总误差，在此基础上再作总的综合。解

19、：选置信概率P=99.73%，即以3为极限误差，1 流量： 系统误差： 随机误差： 平均值 偏差 1=20.90-20.8533=0.04672=20.86-20.8533=0.00673=20.80-20.8533=-0.0533 均方根误差 算术平均值均方根误差 绝对极限误差 =3=0.0870 相对极限误差 综合误差： 2吐出扬程：系统误差： 平均值 随机误差： 偏差 1=20.90-20.8533=0.0467 kg/2=20.86-20.8533=0.0067 kg/3=20.80-20.8533=-0.0533 kg/ 均方根误差 算术平均值均方根误差 绝对极限误差 =3=30.0

20、290=0.0870 相对极限误差 综合误差： 3吸入扬程：系统误差： 随机误差： 平均值 偏差 1=104-105 =1 mmHg2=104104=0.0 mmHg3=104-103 = 1 mmHg 均方根误差 算术平均值均方根误差 绝对极限误差 =3=30.5774 =1.7322 相对极限误差 综合误差： 马达天平：系统误差： 随机误差： 平均值 偏差 1=19.85-20.00 =0.15 kg/2=20.15-20.00 = 0.15 kg/3=20.00-20.00 = 0.0 kg/ 均方根误差 算术平均值均方根误差 绝对极限误差 =3=30.0866=0.2598 相对极限误

21、差 综合误差： 效率测定总的相对不确定度： 17用格拉布斯准则判断下列等精度测量的11个数据中是否存在粗差。 1047 1066 1032 1057 1060 1043 1038 1049 1052 1039 1051解: 从小到大排列以上测量值 1032 1038 1039 1043 1047 1049 1051 1052 1057 1060 1066 第1步: 选定风险率 =5.0%第2步: 计算T值 第3步: 查表 T(5.0%, 11)=2.23第4步: 判断 今T1和T2均小于T(5.0%, 11)=2.23，故不存在异常数据。18阐述t分布的物理意义及应用。上述与均方根误差有关（如

22、随机不确定度）的一切阐述都是基于认定测量次数无限多时随机误差分布规律符合正态分布，对工程上的有限次测量，特别是考虑系统误差存在时，实际的分布规律并非如此，误差理论的研究表明，此时更符合于另一种规律t分布（或称学生Student氏分布）。国际电工会议在水轮机稳态试验结果的分析方法中推荐采用t分布。 前面介绍的随机误差的正态分布，当子样足够大时，平均值服从正态分布P（；x0，）。当子样容量n时，子样方差2是母体方差2的无偏估计，所以的分布是已知的。当子样容量很小时（例如n10），用子样方差2代表母体方差2很不准确，因为这时的2是个随机变量，在不同的子样，取不同的值，子样容量愈小，这种情况就愈严重。

23、为了在母体参数未知情况下，根据子样平均值了估计被测量真值x0，就必须考虑一个统计量，它只取决于子样容量n，而与母体的均方根误差无关，现在引入一个统计量t = 发现随机变量t并不遵循正态分布，而有它自己的分布规律，称为学生分布或t分布。t分布的概率密度函数是f (t；)= （t） (229)式中：为特殊函数；叫做自由度，=n-1。当进行n次独立测量时，因为它受到平均值的约束，所以n个测量值中有一个是不独立的。t分布的概率密度函数以t=0为对称（见图26）。当自由度（30）趋于无穷大时，t分布趋于标准正态分布。因此t分布主要用于小子样推断。由图可见当子样容量n很小时，t分布的中心值比较小，分散度较

24、大。这从另一角度说明，当用正态分布来对小子样进行估计时，往往得到“太乐观”的结果，即分散度太小，夸大了测量结果的精密度。附表23中列有t分布的数值表以备查用。 图26 t分布曲线Ptt(,)=Pt(,)tt(,)=1即Pt(,)t = t(,)=1 上式说明，自由度为的t分布在区间t,t内的概率为P。测量结果可表示为测量结果=t(,) （置信概率P=l）。t(,)由及给定的查数学手册得到。按照t分布理论，与前述的随机不确定度相对照，置信系数不但与置信概率有关还与自由度K（K=n1，其中n为测量次数）有关，若固定3作为随机不确定度时，则它的可靠性（置信概率）随着测量次数n的不同而不同。其值如表2

25、4所示。表24表明，当n，t分布正态分布，少于十多次的测量，若仍用3作为随机不确定度，其对应的置信概率下降到0.950.8。由此可见计算机辅助测试系统与目测系统，其测量误差的置信概率是不同的。表24 三倍均方差具有的置信概率测量次数n 24814置信概率 0.8 0.95 0.98 0.99 0.997319. 阐述应变式传感器的工作原理，并推导应变片电阻的相对变化率与应变成正比的表达式。解: 应变式传感器一般主要由应变片和弹性元件构成。应变式将感受到的应变信号转换成电信号，由电桥电路以电压的形式输出，便于检测。由于许多物理量都可以转换成应变来测量，所以应变式传感器应用十分广泛。应变片是应变式

26、传感器中的主要元件，它是根据“应变效应”的原理而工作的。导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随之发生变化的现象，称为导体的“应变效应”。把制成的应变片用特制的胶水粘贴在弹性元件或需测量变型的物体表面上。当有外力作用时，应变片中金属丝即随同该物体一起变形，其电阻值也随之变化，由此，就将物体的应变转换成了电阻的变化。为了找出电阻值与应变变化的关系，取其一段金属丝来进行研究。根据欧母定理有，当电阻丝发生变形时，其长度，断面面积F和电阻率均将发生变化。而、F、的变化又将引起电阻值R的变化。当每一个可变因素有一增量d、dF、d时，若要求电阻值R的增量dR，这是一个数学的全微分问题，即式中 F=r2

27、r电阻丝半径，所以上式为：电阻的相对变化为：式中 d/=电阻丝的轴相对变形或称纵向应变； dr/r 电阻丝的横相对变形或称横向应变； 当电阻丝沿轴相伸长时，必沿径向缩短，两者之间的关系为：式中 电阻丝材料的波桑比（Poisson ratio）； d/电阻率的对变化，与电阻丝的轴相正应力有关。 d/=E式中 E电阻丝材料的弹性模量； 电阻丝材料的压阻系数。由此可得： 在上式中（1+2）项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一电阻丝材料（1+2）是常数。E项是由于电阻丝随应变变化引起的，对于金属电阻丝来讲，E的值是很小的，可忽略不计。于是上式简化为式中 K电阻丝材料的应变灵敏度系数，是由材料性质

28、决定的系数，K1.73.6。此式说明：电阻的相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。对应与上式，利用应变效应所制成的应变片在电阻丝材料的弹性范围内可用下式表示式中，k为常数，称为灵敏系数，其值约在1.92.3之间；式（4-5）表示金属电阻丝电阻变化率R/R与线应变呈线性关系，而k即为此直线的斜率，见图4-3。这就是电阻应变片测量应变的理论基础。电阻应变片由于应变栅的弯头影响和横向应变灵敏度的存在，因此应变片的K值比电阻丝的灵敏度K值约小。由式（45）可见，电阻应变片的相对变化率与应变成正比，其比值K为一常数，所以应变片的电阻值只与应变量有关。在弹性范围内，应变的数值是很小的，因此，电阻R的

29、变化也很小的。为了解决微小电阻变化的问题，通常运用电桥的方法，使电阻的变化转换成电压的变化，然后通过高倍放大来进行测量。应变式传感器的另一类为半导体应变片，其最突出的优点是灵敏系数高。根据不同的半导体材料，其值k=30175，它比常用的金属丝电阻应变片的灵敏系数（一般k=2）大几十倍。此外，它还有机械滞后小、横向效应小以及本身的体积小等优点，这就扩大了它的使用范围。20电桥的输出 E=U（R1R3-R2R4）/（R1+R2）（R3+R4）。试证明当分别产生增量R1，R2，R3，R4时E = Uk（R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4）/4，由此归纳电桥有哪些特性？ 解：求E的全微分:

30、 代入电桥平衡条件: 当时有: 由此可归纳出: 1. 电桥的输出与每个桥臂都有关;2. 仪器指示的应变可以是试件应变的数倍:3. 采用适当的布片方式，可以自动实现温度补偿。21何为应变测量中的“零位法”，它们各有何特性？应用情况如何？22为什么说用全桥电路测量应变可以自动实现温度补偿？23阐述应用差动变压器的工作原理。 24阐述霍耳效应传感器的工作原理。解：霍耳效应：如右图所示，一块长为、宽为b、厚为d的半导体薄片，若在薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的磁场，当在薄片的两端有控制电流I流过时，在此薄片的另两端会产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B的乘积成正比的电势VH，这一现象称为霍耳效应

31、。所产生的电势VH（V）称为霍耳电势VH=KHIB （3-32）式中，RH为霍耳系数（m3C）； I为控制电流（A）；B为磁感应强度（T）；d为霍耳元件厚度（m）。由于霍耳系数 RH=式中，为霍耳元件的电阻率； 为载流子的迁移率）。 半导体材料（尤其是N型半导体）具有很高的载流子迁移率，在室温下103104cm2（Vs）-1，而且电阻率10-3.m（一般绝缘材料虽然具有很大的电阻率，但载流子浓度和载流子迁移率极小，10-8cm2（V.s）-1；金属导体材料的载流子虽然浓度很大，但迁移率很小，约为10cm2（V.s）-1，且电阻率很低），因此半导体材料可以获得很大的霍耳系数，适合于制造霍耳元件。

32、霍耳元件的灵敏度为 KH=KH的单位为Vm2/（AWb），因此式（4-30）变为 VH=KHIB，因此所产生的霍耳电势正比于灵敏度KH、控制电流 I和磁感应强度B。厚度d越薄，KH也越高，所以霍耳元件的厚度一般都比较薄。 25应变平膜式压力传感器贴片时应注意什么问题？并阐述其原因。26压阻式压力传感器有几种输出形式？这种传感器突出的优点是什么？27压电式压力传感器为什么不适用于静压的测量？28压电式压力传感器测量电路的关键何在？29阐述数字测速仪频率法与周期测量原理，周期法通常在什么情况下采用？30，设计一个可在汽蚀试验台10米水头下实际可用的杯式测压计，零位误差应少于0.1%。解：由图可知

33、选取d=10 杯式测压计高度： 考虑到可操作性，测压计高度定为1.0m。31使用水银液注式压力记必须注意哪些事项？32在大气压力测量值的修正量中主要是何种修正，为什么须做这种修正？33应用蜗轮流量计和电磁流量计有什么优越性？（与水堰测流比较）34大流量测量有哪几种常用方法？分析用流速仪测量方法测量时有哪些因素影响测量精度。解：常用的大流量测量方法有：盐水浓度法、测速管法、流速仪法、水锤法、超声波法、蜗壳差压法。用流速仪测量方法测量时影响测量精度的因素有：1） 流速仪自身精度；2） 流速仪安装精度；3） 测点数多少；4） 流速仪布置方法；5） 流量计算方法；35绘出我院汽蚀台布置示意图，并作简要

34、说明工作原理。解：水轮机气蚀实验装置1循环水泵；2空气溶解箱；3文吐里流量计；4压力水箱；5脉冲计数器；6测功发电机；7测功臂：8几何吸出高测量连通管；9砝码盘：10压差计；11模型水轮机；12尾水箱；13真空计；14旁通阀；15抽气管阀。实验原理： 公式 对于某一水轮机工况，其空化系数是个常数，某一工况下的值，由上式可知，只要设法减小（下游水面上的压力）、或增大吸出高或增加水头使叶片上最低压力点的压力降至相应温度下的汽化压力时，则在K点空化初生，严格地说，仅仅在这时水轮机空化系数等于电站空化系数，于是通过测量、及 就很容易得到该工况空化初生时的空化系数值。减小和增大，其实质是直接降低K点的压

35、力来引起空化；而增加H时，K点的速度绝对值随H的增加而加大，而压力随之下降。在空化发生之前，只要水轮机工况不变，则速度三角形仍保持相似，所以，逐渐增加H直至空化初生，同样可求得。但是，对于一个实验台来说，要在较大范围内改变或H是很难的。故模型空化实验台通常为封闭的形式，通过利用真空泵可很容易地改变尾水箱（即下游水面上）的绝对压力来控制水轮机转轮上不同程度的空化现象，以确定水轮机不同工况点的空化系数，并最后在综合特性曲线上绘出等空化系数线。各部分功能：在启动前，先将循环系统充水，随后启动由直流电动机带动的循环水泵1，将水打入空气溶解箱2。溶解箱的主要作用是使水流在箱内减速，使之有足够的时间把在低

36、压部分从水中析出的空气重新溶解到水中去，以便在实验过程中保持水中空气含量不变。从溶解箱出来的水流通过文吐里流量计3进入压力水箱4。压力水箱的上部空间一般充有压缩空气，以起到稳流稳压作用从而使水流均匀地进入模型水轮机11，由模型水轮机排出的水流进入尾水箱12，经过管道，在流到水泵1的吸水口，形成水流的封闭循环。在水轮机上装直流测功发电机6，而测功臂7安装在可以自由摆动的电机外壳上，若测功臂长为L，平衡砝码重为W，则水轮机所产生的力矩M=WL。实验水头H通过装置在上游蜗壳进口和下游尾水箱之间的压差计10测量。几何吸出高度由几何吸出高度测量连通管8中显示的尾水箱内液面的高度与规定的起算基准面之间的距

37、离得到。36在机械测功器中，注入的冷水带走了大量的摩擦热，这些热量是否影响测功精度？为什么？解：模型水轮机所产生的功率，全部都在测功器的磨擦轮上以热的形式消耗掉了。所有的热能一部分传递给了测功器，一部分散发到空中。其中传递给测功器的热能又由冷却水带走了，这样就恒定了测功器的温升。 测功器测定的功率等于转矩M与转速n的乘积，而转矩M等于砝码重量P与力臂长L的乘积，而测定的功率属间接测量，只须测量砝码重量P、力臂长L及转速n，然后算出功率，没有直接测量功率。因此注入的冷水带走了大量的摩擦热是不影响测功精度的。37求半桥的对角电压UBD：在R1=R2=R=120上有允许的最大负载电流Imax=20毫

38、安，当R1，R2的相对变化R/R=10-3，且变化方向相反，问测量电桥的输出电压多大？提示：UBD=UAB-UAD，R1，R2变化为R+R及R-R时，R3=R4=R不变。38用每秒闪频60次的氙灯照射刻有黑线的白色等速转动园板（黑线长度为园板直径1/2），如下图所示，当能看到黑线把园板分成六等分时的园板转速是多少？从下列答案中选一个并说明其测速原理. 30r/S， 15 r/s, 10 r/s, 5 r/s, 3 r/s.提示：根据多少时间内转过的圈数即可确定转数。解：(1)根据闪频效应的原理，氙灯的闪烁的频率与圆板上的黑线的运动频率一致时，黑线会呈现不动的假象。如果圆板旋转一周，氙灯闪烁6次

39、，圆板就被分成了6等份了，由此有： f氙 = f线 = kn k圆板旋转一周出现的线条数。 因此 (2) 氙灯闪烁6次，圆板旋转一周 （3）闪烁周期T=1/f=1/60秒39五孔球型探针连接系统有几种连接方式？通常选用何种方式？为什么？40五孔球型探针为什么能用测压孔之间的压力差值和探针的自身的转角来确定空间液流方向？提示：注意，测孔压力差之间的比值与液流斜角存在单值关系。解：五孔球形探针与差压计的连接系统如右图所示。当探针伸到待测点位置后，旋转探针，直至孔4与孔5在差压计上反应的压差相等为止，即h4h5，此时，流体流动的方向是在孔1、2、3所组成的平面内，这样就可将空间流动问题归结为平面流动

40、问题来讨论，即只要在平面上根据1、2、3号孔所反应的压力值来确定流体流动的速度方向，而液流在4、2、5号孔所组成的平面上的速度方向(液流转角)可以直接由探针上的角度盘读得。液流在任何一个孔中所的压力可认为是液流中的静压力和部分动压之和41水力机械试验中使用的毕托探针与气体机械实验中使用的探针，结构尺寸应有何区别？为什么？解：42对毕托探针，电子探针这两种测定流动方法的基本特点，适用范围和测量精度做一比较。43普通光波也有多普勒效应，但为什么普通光源不能用于一般流体速度的测量而一定要用激光？ 提示：应根据激光和普通光不同的频率特性来进行分析。1 解：与普通光源相比，激光有如下的特点：(1）方向性

41、好 谐振腔使只有沿光轴方向传播的光才能反复反射得到放大，因此能获得沿光轴方向传播、发散角很小的光束、激光束发散角一般只有23，一个氦氖激光器,在20m远处，其光斑直径仅为10cm。因此，可将激光看作平行光。 （2）亮度高 由于激光的方向性好，又采用一些特殊技术使激活物质较长时间内积聚的能量瞬时释放，因而激光能量在时间和空间上都高度集中，形成激光高亮度特性。会聚高亮度巨脉冲激光，可以在百分之几毫米直径内产生几百万摄氏度高温、几百万大气压的高压和每厘米几千万伏的强电场。（3）单色性好 因为只有满足一定条件下的光才能在激活物质中产生受激辐射、而只有谐振腔内形成驻波的光才能谐振形成激光，因此由激光器可

42、以获得谱线宽度很窄的光波即单色性好。单色性最好的普通光源氪灯，其光波长为605.7nm。谱线宽度为0.00047nm。而氦氖激光器的光波长为632.8nm，谱线宽度只有10-18nm，单色性比氪灯高10万倍。(4)相于性好 在激光谐振腔内受激辐射形成的链锁式放大，得到的是一些特征相同的光子。从谐振腔输出的光束几乎是平行光，辐射特性都相同。所以，激光的时间相干性和空间相干性都很好。是极好的相干光源。44阐述应用单光束型多普勒激光速度计测定平面流场的原理。45简要阐述应变测试中电标定方法的基本原理。46如下图所示，在一垂直安装的文吐里流量计中, 1测压点1和2的距离为112mm，D1=100mm,

43、D2=80mm,若P1-P2=30.6KN/m2，且压力计与 h P2流量计安装在同一水平面上，试计算U型 2管压力计中水银的高度。 . hm 提示：从考察XX平面处入手。 X X P1解：列XX平面的静力学平衡方程式： X为XX平面到测压点1的距离； 47应变电测通常可达何种精度？影响精度的基本因素有哪些？48我国水电站实测中，采用流速仪法测量流量，常采用“等面积规律”方法布置测点，流速仪所在位置半径为 ， 式中： i 脚标，表示流速仪所在位置半径的序号；n 测量断面所要划分的等圆环面积个数。试推导该公式。解：“等面积规律”方法是先把测量断面划分为n个等面积圆环，再把每个等面积圆环划分为2个

44、等面积圆环，在分界圆线上安装流速仪。因此，第1个安装流速仪的分界圆内的面积为： 第i个安装流速仪的分界圆内的面积为： 即可得到任意个（第i个）安装流速仪的分界圆半径： 排列开即： 证讫49试简述超声波流量计的工作原理。什么叫时差法？什么叫相差法？什么叫频差法？为什么说采用频差法才能获得很高的测量精度？（三种测量方法的流速计算公式分别为） （14分）解：超声波流量计是利用被测流体的非声学量（流速、液位等）和媒质的声学量（声速、声阻抗等）之间的关系，通过声学量求非声学量。 时差法：就是测量超声波在一个已知距离L上的顺流和逆流传播的时差t， 经推导可得 相差法：就是测量超声波在一个已知距离L上的顺流

45、和逆流传播的相位差，= 2f t 频差法：就是测量超声波在一个已知距离L上的顺流和逆流传播的频率差f， =-= 由上式可知，在频率差法中流速V只与顺流和逆流时声波传播的频率差值有关，而于声速C无关。因此从原理上讲声速C虽随温度变化，但不会产生任测量误差。这是频率差法的最大优点。此外，频率差法直接测量的是超声波的频率差，而频率差可用倍乘技术来测量，能达到很高的测量精度。50简述涡轮流量计工作原理。试推导其仪表常数为： 流量计算公式为： 式中：Z涡轮上的叶片数；叶片对涡轮轴线的倾角；r涡轮叶片的平均半径；F流量计的有效通流面积； f 电脉冲频率。 （10分）解： 涡轮流量计是一种典型的速度型流量计

46、，它利用安装在过流通道中的涡轮因叶片受流体流动的冲击而产生的旋转速度来反映流体流量的。其系统框图如图83所示。被测流量 转速 电脉冲 图83涡轮流量计系统方框图磁电式传感器涡轮运算与显示前置放大器涡轮流量变送器的结构简图如图84所示假定涡轮流量计的涡轮上所有的阻力矩很小，当其处于匀速运转的平稳状态时，可推得涡轮运动的稳态方程式为：式中 涡轮的角速度； V0作用于涡轮上的流体速度； R涡轮叶片的平均半径； 叶片对涡轮轴线的倾角。根据涡轮流量计的工作原理可知检测线圈输出的脉冲频率为或式中 Z-涡轮的叶片数； n-涡轮的转速。由于式中 qv-流体的容积流量； F-涡轮流量计的有效通流面积。将式（7-

47、7）及上式代入式（7-8）可得f 电脉冲频率。令= f / qv称为仪表常数，则有理论上，仪表常数仅与仪表结构有关，但实际上值受很多因素的影响。例如：由轴承磨擦及电磁阻力矩变化产生的影响；涡轮与流体之间的粘性磨擦阻力矩的影响；以及由于流体速度沿过流截面分布不同的影响。51简述电磁流量计工作原理。试推导其仪表常数 。解:电磁流量计是利用测量导电的液流在外磁场的作用下所产生与流量成比例的感应电动势的流量计。它的计算依据是法拉第电磁感应定律，工作原理如图513所示。在位于两磁极之间的管道中流过导电液体，它的运动方向是垂直于磁力线的方向。在磁场的作用下，液体中的离子以一定的方式移动，并把自己的电荷传给测量电极，在电极上产生与液体流速成比例的电动势Z。此电动势的数值可由法拉第电磁感应定律进行计算。若在恒定磁场(直流励磁)的情况下 E = Bvd (伏)式中 B磁极间的磁感(高斯)； v液体的流速(米秒)； d管道内径(米)。又因流量 （米/秒）可得 （米/秒）如果磁场以频率f随时间t而变化，则： 这表明流量Q与电动势E成线性关系。式中即为仪表常数。52何为频谱分析？它在流体机械及工程中的实际意义何在？解: 用非电量电测法得到的动态