熱能與動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)

1、熱能與動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù) 武漢大學(xué)動(dòng)力系歷史時(shí)代：手工化機(jī)械化自動(dòng)化信息化生產(chǎn)方式：人與簡(jiǎn)單工具動(dòng)力機(jī)與機(jī)械自動(dòng)測(cè)量控制智能機(jī)械裝置第一章 測(cè)試技術(shù)概述一、測(cè)試的地位和作用1. 信息化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然 人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系：一、測(cè)試的地位和作用2. 信息流是客觀世界的一個(gè)主流 物料流 能流 信息流客觀世界一、測(cè)試的地位和作用信息流組成信息流獲取傳輸處理控制信息獲取是信息流的一環(huán)一、測(cè)試的地位和作用 獲取信息是儀器科學(xué)的基本任務(wù) 儀器儀表是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分 儀器儀表是信息工業(yè)的源頭一、測(cè)試的地位和作用3 測(cè)試儀器儀表的作用一、測(cè)試的地位和作用 工業(yè)生產(chǎn) 倍增器 科學(xué)研究 先行官 社 會(huì)

2、 物化法官 軍 事 戰(zhàn)斗力一、測(cè)試的地位和作用工業(yè)生產(chǎn)倍增器測(cè)試技術(shù)是帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè) 關(guān)鍵領(lǐng)域在美國(guó)：檢測(cè)技術(shù)占4%，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)66%測(cè)試技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用一、測(cè)試的地位和作用在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位測(cè)試技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用離線檢測(cè)：零件參數(shù)、 尺寸與形位公差、 品質(zhì)參數(shù)作 用：現(xiàn)代工程裝備中， 檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占 5070%測(cè)試技術(shù)在汽車中的應(yīng)用日新月異一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位發(fā)動(dòng)機(jī)：向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制 溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等 汽車傳

3、感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。 底 盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)等 車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫 車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測(cè)距、圖象等 測(cè)試技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用與日俱增一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位 家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦-紅外測(cè)距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)-光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測(cè)-熱敏電阻、熱電偶 、麥克風(fēng)：

4、話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對(duì)講、可視 ：圖像獲取-面陣CCD掃描儀：文檔掃描-線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計(jì)：血壓檢測(cè) - 壓力傳感器血糖測(cè)試儀、膽固醇檢測(cè)儀 - 離子傳感器一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位科學(xué)研究的先行官 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R. R. Ernst說“現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展” 俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫指出“科學(xué)是從測(cè)量開始的” 近80年來，與科學(xué)儀器密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者達(dá)38人一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位軍事戰(zhàn)斗力 1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng) 精確制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈占8% 2003年伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)

5、 90% 1994年美國(guó)防部建立自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行局立體作戰(zhàn)一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位測(cè)試技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器-OICW 夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。在發(fā)射20毫米高爆彈時(shí)，激光測(cè)距儀可將目標(biāo)的距離信息自動(dòng)傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設(shè)定引爆時(shí)間。美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃-NMD一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位測(cè)試技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5. 衛(wèi)星紅外線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng): 探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道； 攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方測(cè)試技術(shù)在航天領(lǐng)域舉足輕重

6、一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位飛行器測(cè)控 - 檢測(cè)飛行器姿態(tài)、發(fā)電機(jī)工況，控制與操縱 火箭測(cè)控 - 檢測(cè)火箭狀況、姿態(tài)、軌跡 一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位“阿波羅10”：火箭部分-2077個(gè)傳感器飛船部分-1218個(gè)傳感器，檢測(cè)參數(shù)-加速度、溫度、壓力、 振動(dòng)、流量、應(yīng)變、 聲學(xué)、神州飛船：185臺(tái)（套）儀器裝置一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位“物化法官” 檢查產(chǎn)品質(zhì)量 監(jiān)測(cè)環(huán)境污染 識(shí)別指紋假鈔 查服違禁藥物 偵破刑事案件一、測(cè)試技術(shù)的作用和地位教學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、災(zāi)情預(yù)報(bào)、交通指揮、涵蓋 吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空被測(cè)量：動(dòng)態(tài)量：檢測(cè)過程： 被檢測(cè)的物理量。分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。二、測(cè)量的基本概念在整個(gè)

7、測(cè)量過程中隨時(shí)間的不同而不斷改變其值。靜態(tài)量：在整個(gè)測(cè)量過程中始終保持不變。信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)輸出例：空調(diào)機(jī)測(cè)量控制室溫二、測(cè)量的基本概念空氣被測(cè)對(duì)象：被測(cè)信息：檢測(cè)器具：操作過程：室內(nèi)空氣溫度溫度傳感器 - 熱電阻、熱電偶 熱敏電阻 電信號(hào) 處理 顯示空調(diào)機(jī)三、測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成接口總線存儲(chǔ)顯示分析監(jiān)控判斷決策一般構(gòu)成：信號(hào)檢出信號(hào)檢出信號(hào)檢出信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換處理顯示處理顯示處理顯示信號(hào)檢出：功能 - 將被測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化（detection）器件 - 傳感器（sensor, transducer）信號(hào)轉(zhuǎn)換：功能 - 將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理的形式（co

8、nversion）器件 - 信號(hào)調(diào)理電路（signal conditioning circuit）處理顯示：功能 - 分析（analysis）、處理（processing）、顯示（display）通訊接口/總線接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它環(huán)節(jié)：存儲(chǔ)、監(jiān)控、決策 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成力位移 速度 加速度 壓力流量溫度電阻式電容式電感式 壓電式熱電式 光電式磁電式電橋 放大器濾波器調(diào)制器解調(diào)器運(yùn)算器 阻抗變換器 筆式記錄儀光線示波器 磁帶記錄儀 電子示波器 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 顯示器 磁卡 數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀 FFT 實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀 電子計(jì)算機(jī) 被測(cè)對(duì)象 傳感器 中間變換測(cè)量裝

9、置 顯示及 記錄裝置 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理裝置 激發(fā)裝置 四、測(cè)量方法分類1. 直接測(cè)量 （絕對(duì)測(cè)量、相對(duì)測(cè)量） 間接測(cè)量2. 開環(huán)測(cè)量與閉環(huán)測(cè)量3. 偏差法、零位法、微差法四、測(cè)量方法分類1、直接測(cè)量與間接測(cè)量 直接測(cè)量：直接將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位（如米尺、光柵尺、激光、） 絕對(duì)測(cè)量定值標(biāo)準(zhǔn)量（如某一固定尺寸） 相對(duì)測(cè)量四、測(cè)量方法分類- 絕對(duì)測(cè)量：采用儀器、設(shè)備、手段測(cè)量被測(cè)量，直接得到測(cè)量值測(cè)量結(jié)果：20.1 mm- 相對(duì)測(cè)量：將被測(cè)量直接與基準(zhǔn)量比較，得到偏差值特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、明了； 測(cè)量精度不高基準(zhǔn)量：20.00 mm測(cè)量值：+0.08 mm結(jié) 果：20.08 mm特點(diǎn)

10、：精度高；復(fù)雜、成本高、要求高四、測(cè)量方法分類 間接測(cè)量如測(cè)導(dǎo)線的導(dǎo)電率：測(cè)量與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的參量，被測(cè)量由計(jì)算獲得四、測(cè)量方法分類2、開環(huán)測(cè)量與閉環(huán)測(cè)量開環(huán)測(cè)量：反饋測(cè)量：特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、明了； 測(cè)量精度不高特點(diǎn)：精度高；復(fù)雜、成本高、要求高傳感器輸入量x輸出量y傳感器輸入量x輸出量y放大反響傳感器四、測(cè)量方法分類3、偏差法、零位法和微差法偏差法：零位法：利用測(cè)量?jī)x表的指針相對(duì)于刻度的偏差位移直接表示測(cè)量的數(shù)值利用指零機(jī)構(gòu)的作用，使用被測(cè)量和已知標(biāo)準(zhǔn)量?jī)烧哌_(dá)到平衡，根據(jù)指零機(jī)構(gòu)示值為零來確定被測(cè)量等于標(biāo)準(zhǔn)量值微差法：偏差法和零位法的結(jié)合被償測(cè)量被測(cè)量余數(shù)被償測(cè)量大值與標(biāo)準(zhǔn)量大體平衡

11、四、測(cè)量方法分類思考：桿秤、磅秤和天平分別屬于何種檢測(cè)方法？五、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)智能化虛擬化網(wǎng)絡(luò)化微型化軟測(cè)量技術(shù)誤差定義、來源、分類、測(cè)量精度1.2 誤差理論與數(shù)據(jù)處理 1.2.2 數(shù)據(jù)處理的一般方法算術(shù)平均法、最小二乘法、一元線性回歸. 1.2.1 測(cè)量誤差的基本理論基本理論 1.2.1.1 測(cè)量誤差的定義定義：x 測(cè)量誤差x 測(cè)量結(jié)果x0 真值測(cè)量結(jié)果與其真值的差異真值：被測(cè)量的客觀真實(shí)值理論真值：理論上存在、計(jì)算推導(dǎo)出來如：三角形內(nèi)角和180約定真值：國(guó)際上公認(rèn)的最高基準(zhǔn)值如：基準(zhǔn)米(氪-86的能級(jí)躍遷在真空中的輻射波長(zhǎng))相對(duì)真值：利用高一等級(jí)精度的儀器或裝置的測(cè)量結(jié)果作為近似真值

12、1m=1 650 763.73 標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差2)殘差：i = yi (a + b xi) 殘差平方和最?。?i=min使得正負(fù)行程的非線性偏差相等且最小(a) 端點(diǎn)連線法：檢測(cè)系統(tǒng)輸入輸出曲線的兩端點(diǎn)連線特點(diǎn)：xy算法：簡(jiǎn)單、方便，偏差大，與測(cè)量值有關(guān)(b) 最佳直線法：精度最高，計(jì)算法（迭代、逐次逼近）算法：特點(diǎn)：算法：特點(diǎn)：精度高xy簡(jiǎn)單實(shí)用，三點(diǎn)作圖法（兩高一低/兩低一高）檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性(2) 回程誤差檢測(cè)系統(tǒng)在正行程和反行程的輸入輸出曲線不重合的程度相對(duì)誤差Hmax：正反行程輸出值的最大偏差定義：亦稱空程誤差、滯后( hysteresis )算法：檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性(3)

13、分辨力:能夠檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量2、分辨率 - 是相對(duì)數(shù)值：定義：1、分辨力 - 是絕對(duì)數(shù)值，如 ，10ms，說明：表征測(cè)量系統(tǒng)的分辨能力( resolution )能檢測(cè)的最小被測(cè)量的變換量相對(duì)于 滿量程的百分?jǐn)?shù)，如： 0.1%, 0.02%3、閥值 - 在系統(tǒng)輸入零點(diǎn)附近的分辨力檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性(4) 重復(fù)性同一條件下，對(duì)同一被測(cè)量，同一方向，多次重復(fù)測(cè)量，差異程度對(duì)同一被測(cè)量值：各次測(cè)量數(shù)值的偏差程度重復(fù)性是檢測(cè)系統(tǒng)最基本的技術(shù)指標(biāo)，是其他各項(xiàng)指標(biāo)的前提和保證測(cè)量數(shù)據(jù)的分散性重復(fù)性誤差：隨機(jī)誤差 標(biāo)準(zhǔn)差：大，則分散性大；反之亦然計(jì)算：貝塞爾公式y(tǒng)i-測(cè)量輸出值，i=1,2,ny-

14、輸出值的平均值對(duì)不同被測(cè)數(shù)值：各次測(cè)量曲線的偏差程度( repeatability )檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性(5) 靈敏度測(cè)量系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量的增量與輸入量的增量之比斜率：a. 線性檢測(cè)系統(tǒng)：靈敏度為常數(shù)；例：間隙式平板電容傳感器定義：b. 非線性檢測(cè)系統(tǒng)：靈敏度為變數(shù)說明：(靈敏度系數(shù))( sensitivity )靈敏度雙曲線、非線性檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.2.1 動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)特性：檢測(cè)系統(tǒng)在被測(cè)量隨時(shí)間變化的條件下輸入輸出關(guān)系(1) 微分方程：根據(jù)相應(yīng)的物理定律（如牛頓定律、能量守恒定律、基爾霍夫電路定律等），用線性常系數(shù)微分方程表示系統(tǒng)的輸入x與輸出y關(guān)系的數(shù)字方程式ai、bi (i=0,1

15、,)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，常數(shù)，系統(tǒng)的階次由輸出量最高微分階次決定。常見為O階、一階、二階系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：概念清晰，輸入-輸出關(guān)系明了，可區(qū)分暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)缺點(diǎn)：求解方程麻煩，傳感器調(diào)整時(shí)分析困難檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性O(shè)階系統(tǒng)：例電位計(jì)、電子示波器一階系統(tǒng)：例: 無質(zhì)量單自由度振動(dòng)系統(tǒng)、無源積分電路、液位溫度計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性二階系統(tǒng)：檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(2) 傳遞函數(shù)：利用拉氏變換，將微分方程轉(zhuǎn)換成為復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型，輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比：優(yōu)點(diǎn)：表示了傳感器本身特性，與輸入輸出無關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)求得檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.2.2 動(dòng)態(tài)特性過程：激勵(lì)：暫態(tài)過程（輸出量由一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)

16、態(tài)的過渡過程）穩(wěn)態(tài)過程（輸出量達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)）信號(hào)-正弦信號(hào)、階躍信號(hào)、線性信號(hào)、脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(1) 頻率響應(yīng)特性：輸入：輸出：頻率響應(yīng)特性輸入量：輸出量：頻率響應(yīng)函數(shù)：系統(tǒng)頻率特性：穩(wěn)態(tài)輸出與輸入幅值之比和兩者相位差是輸入頻率的函數(shù)：幅-頻、相頻正弦信號(hào)-一系列，頻率不同，幅值相等正弦信號(hào)-觀察：幅值、相位、頻率(穩(wěn)態(tài))檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性典型的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線：理想幅頻特性：相頻特性：相頻特性 幅頻特性幅頻特性：頻響范圍：幅值比與頻率關(guān)系 0dB水平線 （幅值不變）誤差3dB對(duì)應(yīng)的頻率范圍通頻帶、頻帶、工作頻帶相位與頻率的關(guān)系A(chǔ)() ：輸出幅值與靜態(tài)幅值比 - 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靈敏度

17、（增益）檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(2) 檢測(cè)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性：輸入：階躍信號(hào)輸出：階躍響應(yīng)時(shí)間常數(shù)：上升時(shí)間Tr：響應(yīng)時(shí)間Ts：超調(diào)量a1：衰減率：穩(wěn)態(tài)誤差ess：系統(tǒng)輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2%所需的時(shí)間傳感器輸出從穩(wěn)態(tài)值yc的10%上升到90%所需時(shí)間輸出值達(dá)到允許范圍%的所需時(shí)間響應(yīng)曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值yc的峰高：ymax-yc相鄰兩個(gè)波峰（或波谷）高度下降的百分?jǐn)?shù)無限長(zhǎng)時(shí)間后，傳感器穩(wěn)態(tài)值與目標(biāo)值偏差的相對(duì)誤差.2.3 典型檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性a) 零階系統(tǒng)：微分方程：特點(diǎn)：a) 屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)：d) 實(shí)際零階環(huán)節(jié)：緩慢變化，頻率較低 - 近似零階環(huán)節(jié)c) 與時(shí)間無關(guān)，與頻率無關(guān)，無滯后，無慣性理想環(huán)節(jié)靜態(tài)靈敏度系數(shù)b) 輸出 輸入又稱：比例環(huán)節(jié)幅頻特性：相頻特性：實(shí)例：電位計(jì)式角位移傳感器微分方程：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：UEU0檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性b) 一階系統(tǒng)：微分方程：時(shí)間常數(shù)靜態(tài)靈敏度幅頻特性：相頻特性：幅頻特性和相頻特性 對(duì)數(shù)圖（伯德圖）：失真1/時(shí)：A()=K()=0零階無滯后1/時(shí)：A() () 幅值衰減相位滯后檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性輸入階躍信號(hào)：一階環(huán)節(jié)微分方程：t=2：ed=13.5%；動(dòng)態(tài)誤差：特點(diǎn)：實(shí)例：動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性主要取決于時(shí)間常數(shù)；階躍響應(yīng)：t=3：ed=5%；t=5：ed=0.7%；小階躍響