热能与动力工程测试技术

1、热能与动力工程测试技术 武汉大学动力系历史时代：手工化机械化自动化信息化生产方式：人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置第一章 测试技术概述一、测试的地位和作用1. 信息化是科学技术发展的必然 人与机器的机能对应关系：一、测试的地位和作用2. 信息流是客观世界的一个主流 物料流 能流 信息流客观世界一、测试的地位和作用信息流组成信息流获取传输处理控制信息获取是信息流的一环一、测试的地位和作用 获取信息是仪器科学的基本任务 仪器仪表是信息产业的重要组成部分 仪器仪表是信息工业的源头一、测试的地位和作用3 测试仪器仪表的作用一、测试的地位和作用 工业生产 倍增器 科学研究 先行官 社 会

2、 物化法官 军 事 战斗力一、测试的地位和作用工业生产倍增器测试技术是带动国民经济增长的一个 关键领域在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%测试技术在工业生产领域的应用一、测试的地位和作用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.一、测试技术的作用和地位测试技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、 尺寸与形位公差、 品质参数作 用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占 5070%测试技术在汽车中的应用日新月异一、测试技术的作用和地位发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传

3、感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 测试技术在日常生活中的应用与日俱增一、测试技术的作用和地位 家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器自动感应灯：亮度检测-光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶 、麦克风：

4、话音转换-驻极电容传感器遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视 ：图像获取-面阵CCD扫描仪：文档扫描-线阵CCD红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测 - 压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器一、测试技术的作用和地位科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的” 近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人一、测试技术的作用和地位军事战斗力 1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8% 2003年伊拉克战争

5、 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战一、测试技术的作用和地位测试技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。美国国家导弹防御计划-NMD一、测试技术的作用和地位测试技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统 监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假弹头，敌友方测试技术在航天领域举足轻重

6、一、测试技术的作用和地位飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹 一、测试技术的作用和地位“阿波罗10”：火箭部分-2077个传感器飞船部分-1218个传感器，检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、神州飞船：185台（套）仪器装置一、测试技术的作用和地位“物化法官” 检查产品质量 监测环境污染 识别指纹假钞 查服违禁药物 侦破刑事案件一、测试技术的作用和地位教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空被测量：动态量：检测过程： 被检测的物理量。分为静态和动态两种。二、测量的基本概念在整个

7、测量过程中随时间的不同而不断改变其值。静态量：在整个测量过程中始终保持不变。信号采集、信号处理、信号显示、信号输出例：空调机测量控制室温二、测量的基本概念空气被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器 - 热电阻、热电偶 热敏电阻 电信号 处理 显示空调机三、测量系统的构成接口总线存储显示分析监控判断决策一般构成：信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示信号检出：功能 - 将被测信号的转换为电信号的变化（detection）器件 - 传感器（sensor, transducer）信号转换：功能 - 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（co

8、nversion）器件 - 信号调理电路（signal conditioning circuit）处理显示：功能 - 分析（analysis）、处理（processing）、显示（display）通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它环节：存储、监控、决策 测量系统构成力位移 速度 加速度 压力流量温度电阻式电容式电感式 压电式热电式 光电式磁电式电桥 放大器滤波器调制器解调器运算器 阻抗变换器 笔式记录仪光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡 数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机 被测对象 传感器 中间变换测量装

9、置 显示及 记录装置 实验结果处理装置 激发装置 四、测量方法分类1. 直接测量 （绝对测量、相对测量） 间接测量2. 开环测量与闭环测量3. 偏差法、零位法、微差法四、测量方法分类1、直接测量与间接测量 直接测量：直接将被测量与标准量进行比较标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、） 绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量四、测量方法分类- 绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：20.1 mm- 相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：简单、直观、明了； 测量精度不高基准量：20.00 mm测量值：+0.08 mm结 果：20.08 mm特点

10、：精度高；复杂、成本高、要求高四、测量方法分类 间接测量如测导线的导电率：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得四、测量方法分类2、开环测量与闭环测量开环测量：反馈测量：特点：简单、直观、明了； 测量精度不高特点：精度高；复杂、成本高、要求高传感器输入量x输出量y传感器输入量x输出量y放大反响传感器四、测量方法分类3、偏差法、零位法和微差法偏差法：零位法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值微差法：偏差法和零位法的结合被偿测量被测量余数被偿测量大值与标准量大体平衡

11、四、测量方法分类思考：杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？五、现代检测技术发展趋势智能化虚拟化网络化微型化软测量技术误差定义、来源、分类、测量精度1.2 误差理论与数据处理 1.2.2 数据处理的一般方法算术平均法、最小二乘法、一元线性回归. 1.2.1 测量误差的基本理论基本理论 1.2.1.1 测量误差的定义定义：x 测量误差x 测量结果x0 真值测量结果与其真值的差异真值：被测量的客观真实值理论真值：理论上存在、计算推导出来如：三角形内角和180约定真值：国际上公认的最高基准值如：基准米(氪-86的能级跃迁在真空中的辐射波长)相对真值：利用高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值

12、1m=1 650 763.73 标准仪器的测量标准差2)残差：i = yi (a + b xi) 残差平方和最小：2i=min使得正负行程的非线性偏差相等且最小(a) 端点连线法：检测系统输入输出曲线的两端点连线特点：xy算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关(b) 最佳直线法：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）算法：特点：算法：特点：精度高xy简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）检测系统的静态特性(2) 回程误差检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度相对误差Hmax：正反行程输出值的最大偏差定义：亦称空程误差、滞后( hysteresis )算法：检测系统的静态特性(3)

13、分辨力:能够检测出的被测量的最小变化量2、分辨率 - 是相对数值：定义：1、分辨力 - 是绝对数值，如 ，10ms，说明：表征测量系统的分辨能力( resolution )能检测的最小被测量的变换量相对于 满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02%3、阀值 - 在系统输入零点附近的分辨力检测系统的静态特性(4) 重复性同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证测量数据的分散性重复性误差：随机误差 标准差：大，则分散性大；反之亦然计算：贝塞尔公式yi-测量输出值，i=1,2,ny-

14、输出值的平均值对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度( repeatability )检测系统的静态特性(5) 灵敏度测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比斜率：a. 线性检测系统：灵敏度为常数；例：间隙式平板电容传感器定义：b. 非线性检测系统：灵敏度为变数说明：(灵敏度系数)( sensitivity )灵敏度双曲线、非线性检测系统的动态特性.2.1 动态模型动态特性：检测系统在被测量随时间变化的条件下输入输出关系(1) 微分方程：根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫电路定律等），用线性常系数微分方程表示系统的输入x与输出y关系的数字方程式ai、bi (i=0,1

15、,)：系统结构特性参数，常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为O阶、一阶、二阶系统优点：概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难检测系统的动态特性O阶系统：例电位计、电子示波器一阶系统：例: 无质量单自由度振动系统、无源积分电路、液位温度计检测系统的动态特性二阶系统：检测系统的动态特性(2) 传递函数：利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：优点：表示了传感器本身特性，与输入输出无关，可通过实验求得检测系统的动态特性.2.2 动态特性过程：激励：暂态过程（输出量由一个稳态到另一个稳

16、态的过渡过程）稳态过程（输出量达到稳定的状态）信号-正弦信号、阶跃信号、线性信号、脉冲信号检测系统的动态特性(1) 频率响应特性：输入：输出：频率响应特性输入量：输出量：频率响应函数：系统频率特性：稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的函数：幅-频、相频正弦信号-一系列，频率不同，幅值相等正弦信号-观察：幅值、相位、频率(稳态)检测系统的动态特性典型的对数幅频特性曲线：理想幅频特性：相频特性：相频特性 幅频特性幅频特性：频响范围：幅值比与频率关系 0dB水平线 （幅值不变）误差3dB对应的频率范围通频带、频带、工作频带相位与频率的关系A() ：输出幅值与静态幅值比 - 系统的动态灵敏度

17、（增益）检测系统的动态特性(2) 检测系统的阶跃响应特性：输入：阶跃信号输出：阶跃响应时间常数：上升时间Tr：响应时间Ts：超调量a1：衰减率：稳态误差ess：系统输出值上升到稳态值yc的63.2%所需的时间传感器输出从稳态值yc的10%上升到90%所需时间输出值达到允许范围%的所需时间响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：ymax-yc相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差.2.3 典型检测系统的动态特性a) 零阶系统：微分方程：特点：a) 属于静态环节：d) 实际零阶环节：缓慢变化，频率较低 - 近似零阶环节c) 与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性理想环节静态灵敏度系数b) 输出 输入又称：比例环节幅频特性：相频特性：实例：电位计式角位移传感器微分方程：静态灵敏度系数：UEU0检测系统的动态特性b) 一阶系统：微分方程：时间常数静态灵敏度幅频特性：相频特性：幅频特性和相频特性 对数图（伯德图）：失真1/时：A()=K()=0零阶无滞后1/时：A() () 幅值衰减相位滞后检测系统的动态特性输入阶跃信号：一阶环节微分方程：t=2：ed=13.5%；动态误差：特点：实例：动态响应特性主要取决于时间常数；阶跃响应：t=3：ed=5%；t=5：ed=0.7%；小阶跃响