热能与动力工程测试技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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 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：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,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,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（,conversion,）,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：,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,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,x,0,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,1m=1 650 763.73 ,标准仪器的测量标准差,2),残差：,i,= y,i, (a + b x,i,),残差平方和最小：,2,i,=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,：,x,y,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,x,y,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,H,max,：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),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,y,i,-,测量输出值，,i=1,2,n,y-,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,a,i,、,b,i,(i=0,1,),：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,（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,T,r,：,响应时间,Ts,：,超调量,a,1,：,衰减率,：,稳态误差,e,ss,：,系统输出值上升到稳态值,y,c,的,63.2%,所需的时间,传感器输出从稳态值,y,c,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,y,c,的峰高：,y,max,-y,c,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：,U,E,U,0,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,：,e,d,=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,：,e,d,=5%,；,t=5,：,e,d,=0.7%,；,小,阶跃响应迅速,截止频率高,惯性小,惯性环节,运动方程：,带阻尼弹簧测力传感器,时间常数：,静态灵敏度系数：,k-,弹簧刚度,c-,阻尼系数,检测系统的动态特性,c),二阶环节,：,微分方程：,固有频率,阻尼比,幅频特性：,相频特性：,幅频特性与相频特性 伯德图：,当,/,n,1,时：,较小时 ：,A()K,，,() 0,A(),随出现较大波动,时：,A(),平坦段最宽，,(),接近斜直线,A()1,时,：,应用实例,：,当,1,时,：,当,=1,时,：,无过冲，无震荡，,过阻尼,曲线上升慢，响应速度低,产生衰减震荡,欠阻尼,曲线上升块，响应速度高,临界阻尼,弹簧,(k),阻尼,(c),质量,(m),压电式动态测力传感器,静态灵敏度系数：,运动微分方程：,固有频率,:,阻尼比,:,一般取： ,阶跃响应,：,