天津大学内燃机专业

热能与动力工程测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室测试技术的工程应用在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。1、工业自动化中的应用在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。a)机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。密歇根大学的机械手装配模型b)AGV自动送货车超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV(AutomatedGuidedVehicle)小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型c)生产加工过程监测2、流程工业设备运行状态监控3、产品质量测量4、楼宇控制与安全防护5、家庭与办公自动化6、其他应用测量的意义

日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。

没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业科学研究离不开测量（续）（1）物理学、化学、生物学、医学、天文学是建立在实验基础上的科学；对宇宙微弱辐射信号的测量对能量转移的测量对人体基因的测定和人体血液定量分析对蛋白质的反应测量对细胞结构的测量发现新天体发现新粒子判明病变的根源了解胚胎的生长情况判断肌体是否发生疾病（2）电子信息科学给人类社会和国民经济带来巨大的、广泛的、深刻的影响；现代信息科学技术的三大支柱：测试技术——信息获取；通信技术——信息传输；计算机技术——信息处理。没有测量就没有科学，测量是科学的基础；没有科学的进步也没有测试的发展!科学研究离不开测量（续）科学研究离不开测量（续）（3）生产发展离不开测量

农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中处处离不开测量一辆汽车内配备的监测点：50—100个；一架飞机中：3000个；一台大型发电机组：4000个；一个大型石油化工厂：6000个；一个大型钢铁厂：20000个。科学研究离不开测量（续）（4）在高新技术和国防现代化建设中更是离不开测量现代战争中，夺取技术优势已经成为军事战略的根本目标。主要目标是全球监视与通讯和精确打击固定和瞬变目标。火箭发动机从设计到样机试飞，中间要进行成百上千次试验，火箭发动机的地面试车台就是一套完整的综合测量系统。航天飞行中需要检测的参数有：飞行参数、导航参数、运载火箭、发动机参数、座舱环境参数、航天员生理参数、飞行器结构参数等7大类5000多个参数。内燃机上应用到的测试技术？课程简介测试技术是一门综合性技术。现代测试测量系统（主要指非电量电测技术）常常是集机电于一体,软、硬件结合，具有智能化、自动化的测试系统。它涉及到传感器技术、信号处理技术、自动控制技术、计算机软硬件技术等众多技术。《测试技术》课程是热能与动力工程专业的一门专业基础课程，该课程的目的是系统地介绍热能与动力机械测试技术的基本概念与基础理论，以及热能与动力机械试验所用的主要仪器设备的基本原理，并掌握这些仪器设备的特点与使用方法以及国内外的发展动向。了解有关的测试标准与测试方法；以及试验的筹备、组织与试验结果的处理。掌握热能与动力机械的基本试验知识与技能。本课程以《热能与动力工程测试技术》为基础。课程的基本内容及要求一、概述1、教学内容（1）热能与动力机械测试技术发展概况；（2）测量的基本概念

测量方法，非稳态和瞬变参数的测量，模拟测量与数字测量系统；（3）测量仪器的组成和分类

测量仪器的组成，测量仪器的分类；（4）测量仪器的主要性能参数。2、基本要求（1）了解热能与动力机械测试技术发展概况；（2）掌握测量的基本概念，了解测量仪器的组成、分类以及主要性能参数。二、测量系统的动态特性1、教学内容（1）仪器在瞬变参数测量中的动态特性

仪器动态特性的数学描述，传递函数与频率响应，零阶仪器，一阶仪器，二阶仪器；（2）测量仪器的动态标定；（3）工程中的测量系统简述。2、基本要求（1）了解仪器在瞬变参数测量中的动态特性；（2）了解仪器的动态标定和工程中的测量系统简述。三、误差理论及应用1、教学内容（1）误差的来源与分类

误差来源与误差的概念，测量误差的分类；（2）系统误差

系统误差的分类、消除方法以及系统误差的综合；（3）随机误差

随机误差的正态分布，标准误差和概率积分，测量结果的最佳值，有限测定次数中误差的计算及各种误差的表示法；（4）可疑测量数据的剔除

莱依特准则和格拉布斯准则，判别法的选择；（5）随机误差的计算

直接测量误差的计算，“权”的概念，间接测量的误差计算；（6）传递误差

开环系统和闭环系统。2、基本要求

了解误差的来源和分类，了解系统误差的分类、消除方法，了解随机误差的表示方法和分布规律，熟练掌握可疑测量数据的剔除以及随机误差的计算，了解传递误差的概念和组成。四、试验设计与数据整理1、教学内容（1）正交试验设计与分析

试验设计概述，正交试验设计以及正交表，正交试验数据的直观（极差）分析，水平不同的正交试验设计；（2）有效数字与计算方法

有效数字的表述与计算法则；（3）试验数据的图示法

坐标系和比例尺的选择，试验标准曲线的绘制，曲线极值处理，图示法的若干技术问题。（4）回归分析与经验公式（5）计算机数据处理系统简述2、基本要求

了解正交试验设计的概念以及分析应用，了解试验数据有效数字的表述与计算法则，熟练掌握试验数据的图示法，了解回归分析与经验公式、计算机数据处理系统。五、传感器的基本类型及其工作原理1、教学内容（1）概述

传感器的分类；（2）电阻式传感器

电位计式传感器、应变式传感器和热电阻传感器的工作原理；（3）电感式传感器

电感式传感器的工作原理；（4）电容式传感器

电容式传感器的工作原理；（5）压电式传感器

压电效应的概念，压电传感器与测量电路的匹配特性要求；（6）磁电式传感器

磁电式传感器的工作原理；（7）热电式传感器

热电现象和热电偶的基本定律，对热电极材料的要求，热电偶冷端温度补偿方法以及热电动势的测量方法；（8）光电式传感器

光电式传感器的工作原理以及光电转换元件基本特性介绍；（9）霍耳传感器

霍耳效应的概念，霍耳元件及其应用。2、基本要求

了解电测系统中各种传感器的基本类型，特别是要了解“能量型”传感器的基本原理及应用，适用范围以及基本特性。六、温度测量1、教学内容（1）概述

温标的基本概念以及温度计分类方法；（2）接触式温度计

膨胀式温度计、电阻式温度计的的分类及基本原理，热电偶温度计的基本原理及结构特点，测温元件的安装与温度测量误差，时滞现象和时滞的测定方法，温度计的标定方法；（3）非接触式温度计

单色辐射式光学高温计、全辐射高温计、比色高温计及红外测温仪的基本结构和工作原理；（4）气体温度计和蒸气压温度计

气体温度计和蒸气压温度计的基本原理及结构特点。2、基本要求

了解温度测量中三类温度计的基本工作原理及结构特点，其适应范围以及在工程中的实际应用。七、压力测量1、教学内容（1）测压仪表

液柱式测压仪表、弹性测压仪表以及其他形式测压仪表的工作原理及结构特点；（2）气缸动态压力的测量

气缸动态压力测量概述，上止点相位和转角信号的确定方法，横向集点法和纵向集点法介绍，示功图测录过程的误差分析；（3）气流压力测量

气流的总压和静压概念，总压测量和静压测量原理；（4）测压仪表的标定、安装和使用

测压仪表的标定方法，测压仪表的安装和使用方法。2、基本要求

了解压力测量中测压仪表的种类和特点，熟练掌握气缸动态压力测量的基本原理、适应范围以及误差分析等，了解气流压力测量原理，熟练掌握测压仪表的标定、安装和使用方法。八、流速测量1、教学内容（1）皮托管测速

皮托管基本构造和测速原理，二维气流速度的测量方法和原理，皮托管的标定方法；（2）热线流速仪测速

热线流速仪测的基本构造，热线流速仪测速的基本原理；（3）激光多普勒流速仪测速

激光多普勒流速仪测速的基本原理，测量多普勒频移的基本光路系统介绍，判断流速方向的频移装置，多维流速的测量方法，多普勒测速系统的激光器和散射微粒介绍。2、基本要求

了解皮托管测速的基本原理和方法，熟练掌握热线流速仪测速、激光多普勒流速仪测速的基本方法和工作原理。九、流量测量1、教学内容（1）流量及其测量仪表概述

流体与流量的概念，流量计的类型和选用原则；（2）传统测量流量方法和流量计

流速法测量流量方法，差压式流量计工作原理和应用，转子流量计的工作原理和应用，涡轮流量计的工作原理和特性，涡街式流量计的工作原理和应用，冲量式固体粉粒流量计的工作原理和实际应用；（3）新型测量流量方法和流量计

光纤流量计、超声波流量计的工作原理和应用。2、基本要求

了解流量和其测量仪表的概念、分类和选用原则，掌握流量测量中的两种测量方法流量计的基本工作原理和实际应用。十、液位测量1、教学内容（1）概述

液位测量方法及仪表简介；（2）差压式液位测量法

差压式液位测量的基本原理，差压式液位计测量锅炉汽包水位的原理和实例分析；（3）电容式液位测量法

测量导电液体的电容式液位传感器的工作原理，测量非导电液体的电容式液位传感器的工作原理；（4）电阻式液位测量法

电接点液位计、热电阻液位计的测量原理；（5）光纤传感技术在液位测量中的应用

两种典型的光纤液位计的工作原理。2、基本要求

了解液位测量中各种液位计的工作原理和应用，能进行各种测量的实例分析。十一、转速和功率测量1、教学内容（1）转速测量

转速传感器的基本原理，转速测量方法和瞬时转速测量；（2）功率测量

功率测量概述，三种测功机的工作原理和特性，测功机使用技术；（3）转矩仪

相位差式转矩仪、应变式转矩仪、磁致伸缩式转矩仪的工作原理。；2、基本要求熟练掌握转速测量中测速传感器工作原理和测量方法，掌握好功率测量中测功机的基本特性和实际应用，了解转矩仪的工作原理和应用，。十二、气体成分分析1、教学内容（1）概述

气体成分分析方法简介；（2）氧含量测量

氧化锆氧量分析仪的基本工作原理和其测量系统介绍；（3）色谱法测量气体成分

色谱法测量气体成分原理概述，气相色谱分析仪的组成和工作流程介绍；（4）红外光谱法测量气体成分

红外光谱法测量气体成分的工作原理介绍；（5）化学发光法测量氮氧化物浓度

化学发光法测量氮氧化物浓度的工作原理；（6）微粒测量

微粒中烟度测量原理和烟度计，整体微粒的测量原理和分析方法。2、基本要求了解气体成分分析方法以及氧含量分析仪的的工作原理和应用，熟练掌握色谱法、红外光谱法、化学发光法测量气体成分的工作原理和分析方法，了解微粒的测量原理和分析方法。十三、振动测量1、教学内容（1）概述

振动测量技术简介；（2）振动测量的基本原理简介；（3）测振系统及其分类

电测和光学测振系统介绍；（4）典型测振仪与激振器简介

测振仪、激振器的测量原理介绍；（5）振动测量的实施

振动测量目的、测振系统的选择及测振工况及测点的选择介绍。（6）内燃机振动测量

内燃机振动的四种形式，内燃机台架试验的振动测量，内燃机曲轴扭振测量介绍；（7）叶片、叶轮振动的测量

叶片振动测量方法和叶片振动疲劳试验方法介绍，叶轮振动测量方法和特点；（8）测振系统的校验方法介绍；（9）振动分析和数据处理简述。2、基本要求了解振动测量技术的发展动向，了解测振系统的工作原理、分类、测量的实施及几种典型测振仪器，熟练掌握内燃机振动测量内容，了解叶片、叶轮振动测量、测振系统的校验方法。十四、噪声测量1、教学内容（1）噪声测量中的声学概念

声场、声压级、声功率级的概念，噪声的频谱介绍；（2）噪声评定值

用响度级、、计权声级、统计声级来评定噪声；（3）噪声测量仪器

声级计、频率分析仪、信号记录仪等的工作原理；（4）噪声测量方法与测量环境

测量方法的分类与选择，测量环境、测量表面和测点布置等介绍，测量结果处理和修正。2、基本要求了解噪声测量中的声学概念和噪声评定值，基本掌握噪声测量仪器的工作原理和使用方法，熟练掌握噪声测量方法与测量环境等基本内容，并能与实验配合学习。十五、

其他（1）激光多普勒测试技术（2）数据采集方面内容（3）试验--不一定都开展

传感器认知

压力传感器标定

转速和功率测量

气体成分分析

振动测量

噪声测量

仪器仪表展参观课程内容：本课程主要介绍热能动力工程中常见物理量（温度、光、声音、压力、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理、信号分析方法和工程应用背景。课程安排（48学时）

课题上课（38学时）

传感器认知（2学时）

压力传感器标定试验（2学时）

发动机性能试验（2学时）

振动噪声试验（2学时）

排放试验（2学时）

仪器仪表展（2学时）

复习答疑（2学时）

考试１第一章

概述共计2课时2第二章

测量系统的动态特性共计3课时3第三章

误差理论及应用共计5课时４第四章

传感器的基本类型及其工作原理共计6课时５第五章

温度测量共计2课时６第六章

压力测量共计4课时７第七章

流速测量共计2课时８第八章

流量测量共计2课时９第九章

液位测量共计2课时１０第十章

转速、转矩和功率测量共计3课时１１第十一章

气体成分分析共计2课时１２第十二章

振动测量共计3课时13第十三章

噪声测量共计2课时１4实验共计8课时第一章概述第一节测量的基本概念一.测试技术的发展测试技术是生产和科学研究工作中不可缺少的一个环节已逐步成为一门完整、独立的学科二、测量直接测量：直接从使用的测量仪器上读得被测量数值。直接测量常用的方法有直读法、差值法、代替法、零值法。间接测量：通过直接测量得到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。（例如，用伏安法测电阻值时，需先测出电压和电流值，再由欧姆定律求出电阻值。）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数值。

（先测出具有一定函数关系的几个量，再解联立方程求出被测量。）三、稳态和瞬变参数的测量稳态参数：数值不随时间而改变或变化很小的被测量。(有时是相对的)瞬变参数：随时间不断改变数值的被测量（非稳态或称动态参数)，如非稳定工况或过渡工况时内燃机的转速、功率等。四、模拟测量与数字测量系统模拟测量：在测量过程中首先将被测物理量转换成模拟信号，以仪表指针的位置或记录仪描绘的图形显示测量的结果(不表现为“可数”的形式)。数字测量：测量可直接用数字形式表示。通过模／数（A／D)转换将模拟形式的信号转换成数字形式。特点：模拟测量：直观性强、简便、价格低；主要缺点是测量精度低、指示器读数误差大。但模拟信号含有“仿真”的意思，分辨能力无限。数字测量：测量精度高，操作方便，后处理方便，但对硬件要求高，分辨力有限。第二节测量仪器的组成与分类

一、测量仪器的组成感受件（传感器）：它直接与被测对象发生联系(但不一定直接接触)，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号。中间件（传递件）：起传递作用，还可能兼有“放大”、“变换”和“运算”任务。效用件（显示元件）：作用是向观测者指出被测参数在数量上的大小。在形式上可以分为模拟（指示式仪器和记录式仪器）和数字显示。二、测量仪器的分类范型仪器：是准备用以复制和保持测量单位，或是用来对其他测量仪器进行标定和刻度工作的仪器。准确度很高，保存和使用要求较高。实用仪器：是供实际测量使用的仪器，它又可分为试验室用仪器和工程用仪器。（1）试验室用仪器：必须要提供关于它们读数的标定曲线或数值表，使用时应考虑周围环境对示值的影响(如温度、压力、磁场振动等)，其测量结果具有较高的准确度。（2）工程用仪器：不需要标定资料，它们的准确度是预先根据其结构、制造和运用条件定出的。测量结果应能满足工程测量误差所允许的范围。第三节测量仪器的主要性能指标1.准确度：准确度的表示方法：测量仪器采用允许误差来表示仪器准确度的级别。仪器的选用：应在满足被测量要求的条件下，尽量选择量程较小的仪器，一般应使测量值在满刻度的2/3以上为宜，并根据对被测量绝对误差的要求选择测量仪器的精度等级。2.恒定度：仪器多次重复测量时，其指示值稳定的程度，称为恒定度。读数的变差：当外部条件不变时，用同一仪器对某一物理量的同一参数值重复进行测量或是相隔一段时间再测量时，指示值之间最大差数与仪器量程之比的百分数即为读数的变差。在选用时，仪器的读数的变差不应超过仪器的允许误差。3.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S来表示。线性仪表在作静态测量时，输出端信号增量△Y与输入端信号增量△X之比，即：S＝△Y/△X。S值越大，灵敏度越高。4.灵敏度阻滞：灵敏度阻滞又称为感量,感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。零值法指被测量和已知量比较时，检测器指零，如用电桥测量电阻。一般仪器的灵敏度阻滞应不大于仪器允许误差的一半。5.指示滞后时间

：从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需的时间，又称时滞。时滞主要由仪器的惯性引起。因仪器均存在引起惯性的因素，如机械式仪器中运动件的质量、电测仪器中的电感或电容、传热式仪器中的热容量等，故时滞是无法避免的。测试仪器的发展进程

经历了5个阶段：第一代:以电磁感应定律为基础的模拟指针式仪表;第二代:以电子管或晶体管为基础的分立元件仪表;第三代:以集成电路为基础的数字式仪表;第四代:以微处理器为基础的智能式仪表;第五代:以计算机为基础的虚拟仪器，是测试领域里的一场新的革命。现代测试系统的基本构成大致分为3类：基本型（重点介绍）敏感元件或传感器信号调理电路采集卡计算机标准接口型闭环控制型实时数据采集、实时判断决策、实时控制基本型传感器1信号调理数据采集卡计算机显示被测量X1传感器2信号调理被测量X2传感器n信号调理被测量Xn被测量X电气参量非电气测量获取信号信号变换预滤波A/D转换多路转换信号分析、处理标准通用接口型仪器1子系统仪器n子系统各种仪器模块由数据总线通过标准接口卡组成大型测试系统。包括RS232、GPIB、VXI、PXI等总线。以GPIB总线为例说明标准通用接口测试系统框图：GPIB接口卡计算机仪器2子系统数据总线单台仪器n＝14（最多）第四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典型的计算机测试系统由传感器、信号调理器、多路模拟开关、摸/数(A/D)和数/模(D/A)转换及微机组成。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。它的核心部分为放大器，主要有测量放大器和隔离放大器等。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。采样保持器：它保证采用信号在A/D转换过程中不发生变化以提高测量精度。A/D转换器：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。2008-10-7xmwu@计算机测试系统计算机测试系统二、总线技术的应用任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。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。总线技术在大型测试现场或系统中的应用，大大提高了测试效率和精度。如内燃机多台架试验中已采用总线技术实现测试自动化和数据处理、存档等工作。智能化仪器框图三、虚拟仪器VI(VirtualInstruments)

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。

只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。虚拟仪器系统框图汽车发动机试检测试系统虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。四、网络化测试仪器随着计算机、网络技术与通信技术的高速发展与广泛应用，出现了将自动测试技术和它们相结合的网络化测试技术。网络化测试系统实现了大型复杂系统的远程测试，是信息时