《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第9章 转速、转矩和功率测量(黄老师)
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第11章 振动测量(刘老师)
第11章 振动测量
11.2 振动测量的基本原理
测振仪模型一般可简化为由惯性元件质 量m和弹性元件弹簧k组成，并悬挂在刚 性的刚体上，框架安置在被测振动体上，
并随振动体振动。设振动体的振幅为
x1,m的振幅为x2，则m相对于框架的振动
为x2-x1。如忽略阻尼，质量m振动的微分 方程为
m x2 k ( x2 x1 ) 0
第11章 振动测量
11.3 测振系统概述
（1）电压放大器
加速度计-电缆-电压放大器电路
等效电路
实际上，Ri与Ra的阻值很大，相应的R值也较大。电压放大器输
入电压的最大值可写为：
um DF0 DF0 C C a Cc Ci
式中，D——压电晶
体的压电系数；F——作用于压电体上的周期力 F F0 sin t 。其中
Cc随着连接电缆的长度变化。若加长电缆，则灵敏度下降。
第11章 振动测量
11.3 测振系统概述
（2）电荷放大器 电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比例，
它是一个具有电容负反馈的高输入阻抗的高增益运
算放大器。
u0 Aq a qa 1 A C F C F
电荷放大器的优点如下：
①电荷放大器的输出电压与连接电缆的长度无关。 ②电荷放大器的低频截止频率取决于反馈网络参数。
第11章 振动测量
11.1 概述
机械振动的分类
（1）从产生振动的原因来分： 自由振动：系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起
的振动
受迫振动：系统在持续的外作用力激励下的振动 自激振动：没有外激励作用的情况下，由系统自身激发所产生的一种
振动，简称自振
第11章 振动测量
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第10章 排放测量(吴老师)
加入纯物质比对分析法
10.3 红外气体分析技术
10.3.1 红外气体分析原理
基本原理：对于具有非对称分子结构的气体，如CO、CO2、H2O、NO等， 在红外区均有特定的吸收带（波段）。这种特定的吸收带对于某一种分 子是确定的、标准的，其特性如同“物质指纹”。也就是说，根据特定
的吸收带，可以鉴别分子的种类。
10.5 颗粒物排放测量
10.5.1 烟度测量
哈特里奇（Hartridge）烟度计
透光式烟度计。不仅能够测量碳烟的烟 度，而且能够测量排气中水气和油雾等 成分形成的烟气烟度，如内燃机冷车起 动时产生的白烟或蓝烟等。特点是响应 快、能够实现连续测量，但光学系统容 易受到污染，使用时须注意清洗。此外， 当被测对象（如内燃机）的排放气体流 速变化时，如果不对取样压力加以控制， 会引起测量管中排放气体导入量的变化， 影响测量精度。因此，常采用控制取样 压力的方法来使排放气体导入量保持一 定，以保证烟度测量值与被测对象的排 放气体总流量及流速无关。
颗粒物测量技术发展方向
基于宏观表现的测量，如烟气浓度（烟度）的测量 颗粒物的成分、质量、数量、粒径分布 等的测量
10.5 颗粒物排放测量
10.5.1 烟度测量
测量方法 滤纸法：用滤纸收集一定量烟气，比较滤纸表面对光反射率的变化 透光度法：利用烟气对光的吸收作用，测量光从烟气中的透过度 博世（Bosch）烟度计
不分光红外气体分析仪NDIR
测定混合气体中某种已知组分的含量，测定特定吸收带内待测组分 对红外组分的吸收程度。 工作原理－比尔（Beer）定律
I = I0 exp(-kλ c l)
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第3章 测量误差分析及数据处理(俞老师)
1
i i i
1
=4.736 103
i i i
1
n 1
1
n 1 ˆ2
故可判断测量结果不存在周期性系统误差。
第3章测量误差分析及数据处理
3.3 系统误差分析与处理 （3）算术平均值与标准差比较法
s
s1 s2
2
2
p p( x ts )
n
x）
2
ˆ
n -1
i
1
n
2 i
n-1
④判断：
第3章测量误差分析及数据处理
3.3 系统误差分析与处理
i i i
1
n 1
1
n 1 ˆ2
若上式成立，则测量结果存在周期性系统误差。 （2）偏差核算法——马力科夫准则（检查是否含有线性系统误差） 将 按 照 测 量 先 后 排 序 的 测 量 结 果 分 为 前 半 组 x1,x2,…xm 和 后 半 组 xm+1,xm+2,…xn,计算两组测量值偏差和的差值，即
max e
A 2000 （ 1%） 10% Am 200
A 2000 （ 1%） 1.33% Am 1500
当示值为1500 r/min时的最大相对误差为：
r21(1)
(11 n 13）
r22(n )
和
x n x n 2 xn x3 x1 x 3 x1 x n 2
r22 （1)
(n 14)
第3章测量误差分析及数据处理
3.4 疏失误差的消除
⑤剔除含疏失误差的测量结果后，重新②-④步骤，直至计算得到的统计 量均小于临界值。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第4章 温度测量(黄老师)
热电偶原理
热 电 偶 测 量 优 点
测量范围宽，它的测温下限可达-250℃， 某些特殊材料做成的热电偶，其测温上限可达 2800℃，并有较高的精度。 可以实现远距离多点检测，便于集中控制、 数字显示和自动记录。
可制成小尺寸热电偶，热惯性小，适于快 速动态测量、点温测量和表面温度测量。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
1. 膨胀式测温计 原理：物质的体积随温度升高而膨胀 a. 玻璃液体温度计 基于液体在透明玻璃外壳中的热膨胀作用，其测量范围取决于温度计 所采用的液体。
1）零点漂移 2）露出液柱的校正 式中，n为露出部分液柱所占的度数（℃）；为工作液体在玻璃中的 视膨胀系数（水银≈0.00016）；tB为标定分度条件下外露部分空气温度 （℃）；tA为使用条件下外露部分空气温度（℃）。
分度号 S K E
热电偶材料 铂铑10－铂 镍铬－镍硅 镍铬－康铜
校验点温度（℃） 600、800、1000、1200 400、600、800、1000 300、400、500、600
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
热电偶的校验装置如下图所示，它由交流稳压电源、调压器、管式电 炉、冰点槽、切换开关、直流电位差计和标准热电偶等组成。
属于贱金属热电偶，E型热电偶测温范围-200℃～900℃,其灵敏度在这 六种热电偶中最高，价格也最便宜，应用前景非常广泛。缺点是抗氧化 及抗硫化物的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
c.常用热电偶的结构 （1）普通工业热电偶
工业热电偶结构图
1－接线盒 2－绝缘套管 3－保护套管 4－热电偶丝
热能与动力工程测试技术完整版
热能与动力工程测试技术HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】1、何为动压静压总压P129答：静压是指运动气流里气体本身的热力学压力。
总压是指气流熵滞止后的压力，又称滞止压力。
动压为总压与静压之差。
2、试画出皮托管的结构简图，说明皮托管的工作原理，并导出速度表达式（条件自拟，不考虑误差）。
P143~P1443、某压力表精度为级，量程为0~，测量结果显示为，求精确度、最大绝对误和差示值相对误差δ4、在选用仪器时，应在满足被测要求的前提下，尽量选择量程较小的仪器，一般应使测量值在满刻度要求的2/3为宜。
P55、测量误差可分为系统误差、随机（偶然）误差、过失误差。
6、随机误差正态分布曲线的四个特性为单峰性、对称性、有限性、抵偿性。
7、热电偶性质的四条基本定律为均质材料定律、中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律。
8、流量计可分为：容积型流量计、速度型流量计、质量型流量计。
P1619、除利用皮托管测量流速外，现代常用的测速技术有：热线（热膜）测速技术、激光多普勒测速技术（LDV）、粒子图像测速技术。
10、简述金属应变式传感器的工作原理。
答：金属应变式传感器的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即导体或半导体在外力作用下产生机械形变时，电阻值也随之产生相应的变化。
P6311、在热能与动力工程领域中，需要测量的物理量主要有温度、压力、流量、功率、转速等。
12、按照得到最后结果的过程不同，测量方法可以分为直接测量，间接测量和组合测量。
13. 按工作原理，任何测量仪器都应包括感受件，中间件和效用件。
14. 测量误差按照产生误差因素的出现规律以及它们对测量结果的影响程度来区分可以将测量误差分为系统误差，随机误差和过失误差。
15. 系统误差的综合包括代数综合法、算术综合法和几何综合法。
16. 金属应变式电阻传感器温度补偿的方法有桥路补偿（补偿片法）和应变片自补偿。
热能与动力工程测试技术(第3版)
热能与动力工程测试技术(第3版)本课程旨在介绍《热能与动力工程测试技术(第3版)》的目的和内容。
在这门课程中，我们将深入探讨热能与动力工程领域中的测试技术，帮助学生了解并应用这些技术。
目的本课程的目的是培养学生在热能与动力工程领域中的测试技术方面的能力。
通过研究本课程，学生将能够掌握并应用各种测试技术，以准确、科学地评估和分析热能与动力工程系统的性能和效果。
内容本课程的内容包括但不限于以下方面：热能与动力工程测试的基本概念和原理测试设备和仪器的选择和使用热能与动力工程系统的测试方法和步骤数据采集和分析技术误差分析和结果解释测试结果的报告和呈现方式通过结合理论研究和实践操作，学生将能够全面了解和应用热能与动力工程测试技术，为解决实际问题提供准确可靠的数据支持。
请注意：本文档的内容只能根据《热能与动力工程测试技术(第3版)》课程而进行写作，不应引用未经确认的内容。
热能与动力工程测试技术的定义和重要性测试技术的分类和应用领域测试技术在热能与动力工程领域中的作用测试仪器和设备的介绍测试方法和技术的基本原理测试数据的采集和处理方法温度测量与控制技术压力测量与控制技术流量测量与控制技术速度测量与控制技术热能测试技术在工业领域的应用动力工程测试技术在能源领域的应用案例分析和解决方案新型热能测试技术的发展趋势新兴动力工程测试技术的应用前景测试技术创新的挑战和机遇该课程将详细介绍热能与动力工程测试技术的概念、基础知识和常用工具，以及其在实际应用中的案例和新兴领域的前景。
通过研究该课程，学生将获得对热能与动力工程测试技术有深入了解的能力，并能够应用所学知识解决相关问题。
本课程《热能与动力工程测试技术(第3版)》采用多样化的教学方法和研究工具，旨在提供广泛的知识和实践经验。
以下是该课程所采用的教学方法和研究工具的概述：课堂讲授：通过教师的讲解，学生将获得关于热能与动力工程测试技术的理论知识。
教师将结合案例分析和实际问题解决，帮助学生理解和应用所学的知识。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第5章 力与压力测量(吴老师)
5.3动态压力测量
5.3.1压力测量系统的动态特性
容腔效应 定义：在动态压力测量系统中，压力传感器固有频率很高，响应 也很快，但由于测压元件前的空腔和导压管的存在，必然导致压 力信号的幅值衰减和相位滞后，这种效应称为动态压力测量的容 腔效应
使整个测量系统的响应速度大大低于传感器的响应速度，降低了 系统的动态性能
5.2 常用力与压力传感器
5.2.1 应变式传感器
应变片的温度补偿 温度变化引起应变片敏感栅的电阻变化及附加变形，或试件材料与 敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变 Rt Rt' Rt'' Rt Rk( lg ln )t R[ k ( lg ln )]t 桥路补偿
5.2 常用力与压力传感器
5.2.4 液柱式压力计 液柱式压力计的测量误差及修正 环境温度变化的影响
封液的密度、标尺的长度等都会发生变化 环境温度偏离规定温度20℃后，封液密度改变对压力计读数 影响的修正公式为
h20 h1 (t 20)
重力加速度变化的修正
仪器使用地点的重力加速度gφ由下式计算
a）石英晶体的结晶形状与切片方向
b）压电元件受力简图与等效电路
为了增强输出信号，往往将多片压电晶体组合在一起组成传感器
a)、c) 并联组合 b) 串联组合
5.2 常用力与压力传感器
5.2.3 压电传感器
典型压电传感器结构
1. 测压时，被测压力压向弹性膜片1，作用于 石英片4上。石英片在脉动压力的作用下产生 交变的电荷。 2. 石英压电晶体传感器一般不能用作静态压力 测量，多用于测量10~20kHz的脉动压力。 3. 压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高， 因此必须根据压电传感器的输出要求，将微弱 的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷 放大） 4.若被测介质温度远高于室温，可采用畅通的 冷却水进行冷却，否则高温会改变传感器的灵 敏度甚至造成传感器的损坏
热能与动力工程测试技术PPT课件
K Y X
K Y X
灵敏度有量纲，它是输出、输入量的量纲之比
。
4 分辨率
与灵敏度有关的另一性能指标，是指测量系统 能够检测出的最小输入变化量。
5 稳定性
指在规定的工作环境条件和时间内，仪表性 能的稳定程度，它用观测时间内的误差 来表示。
6 重复性
在相同测量条件下，对同一被测量进行多次
重复测量，测量结果的一致程度，用重
转换和处理一般也有两种形式： 1 非电量的转换； 2 电量的转换和处理。
这些经处理后的信号一般是模拟信号，可直接送 到显示部分，也可通过A/D转换，变成数字量 ，传输到计算机进行信息处理，当然也可送到 数字式仪表。
3 显示元件
根据传递元件传来的信号向观测人员显示出被 测量在数量上的大小和变化。
一般可分为模拟显示和数字显示。微机的CRT 显示屏既能显示模拟信号，又能显示数字 信号和文字。
由此可见，测试技术水平高低，将 直接影响科技的发展。
4
二 测量方法
1 按照获得测量结果的方法不同分类
1) 直接测量：
将被测量直接与测量单位进行比较，或用预 先标定好的测量仪器进行测量其测量结果 可直接从测量仪表上获得，称为直接测量 。
A 直读法：直接从仪表上读出测量结果。如 ：压力表温度计等。
B 比较法：与某一已知量或标准量具进行比
这种通过直接测量量与被测量有确定函数关系的 各变量，然后将所测得的数值代入函数关系式进 行计算，从而求得测量值的方法，称为间接测量 法。
7
按照测量状态和条件分
1) 按等精度和非等精度分： 在完全相同条件（测量者、仪器、测量方法、环境等） 下，进行一系列重复测量称为：等精度测量。
2) 按动态和稳态分： 对稳态参数进行测量，称为稳态测量（如：环境、温 度、大气温度、压力…）。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第1章 绪论
全面准确地 产生能够表达被 测试对象状态的 信息！
试验装置的核心作用是表达与输出被测试对象的待测信息， 是测试系统的“信号发生器”。 测量系统主要由传感器、信号调理、信号处理和显示记录等 单元构成。
第1章绪论
1.2 测试系统的基本组成
传感器 能够感受被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置。 信号敏感元件 传感器中能够直接感受或响应被测量的部分。 信号变换元件 传感器中将敏感元件感受到或做出响应的被测量转换成适合 于传输并测量的物理量的部分。 信号调理单元的 把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的 形式
等精度测量 非等精度测量
等方差性检验
第1章绪论
1.3 测量的基本类别
三、按照测量对象的时空变化性质分类 1. 稳态与非稳态 稳态测量（静态）：针对量值不随时间变化的被测量实施的测量。 非稳态测量（动态）：针对随时间变化的被测量实施的测量，是为了确 定被测量的瞬时值或被测量随时间的变化规律。 2. 单点与分布 单点测量方法：被测量量值在其空间范围内是均匀一致的时采用的测量。 分布测量方法：被测量量值在其空间范围内处于不均匀分布状态时采用 的测量。 具体采用哪种测量方法，除了被测量本 身的分布差异外，还与测试要求有关。
《热能与动力工程测试技术》·第3版
热能与动力工程测试技术
教学课件
教材：热能与动力工程测试技术 第3版 作者：俞小莉 严兆大 ISBN： 978-7-111-58644-9 出版社：机械工业出版社
《热能与动力工程测试技术》·第3版
第1章 绪论
1.1 测试工作的内涵及其作用
1.2 测试系统的基本组成 1.3 测量的基本类别 1.4 测试技术的发展及其在热能与动力工程 领域的应用概况 1.5 热能与动力工程测试技术课程学习要求
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(习题解答)-课后习题及答案
第2章1. 传递函数是指零初始条件下输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。
（√）2. 传递函数既描述了系统的动态性能，也说明了系统的物理结构。
（×）3. 幅频特性 和 相频特性 共同表达了测量系统的频率响应特性。
4. 测量系统的动态特性一般可以从 时（间）域 和 频（率）域 两方面进行分析。
5. 用试验测定动态参数的方法有频率响应法、阶跃响应法、随机信号法。
6. 测量系统的输出量与输入量之间关系可采用传递函数表示，试说明串联环节、并联环节及反馈联接的传递函数的表示方法。
答：串联环节：并联环节：正反馈环节：负反馈环节：7. 试述测量系统的动态响应的含意、研究方法及评价指标。
答：含义：在瞬态参数动态测量中，要求通过系统所获得的输出信号能准确地重现输入信号的全部信息，而测量系统的动态响应正是用来评价系统正确传递和显示输入信号的重要指标。
研究方法：对测量系统施加某些已知的典型输入信号，包括阶跃信号、正弦信号、脉冲信号、斜升信号，通常是采用阶跃信号和正弦信号作为输入量来研究系统对典型信号的响应，以了解测量系统的动态特性，以此评价测量系统。
评价指标：稳定时间t s 、最大过冲量A d 。
8. 某一力传感器拟定为二阶系统，其固有频率为800Hz ，阻尼比为0.14。
问使用该传感器)()()()()()()()()(21s H s H s Z s X s Y s Z s X s T s H ===)()()()()()()()(2121s H s H s X s Y s Y s X s Y s H +=+==)()(1)()()()(s H s H s H s X s Y s H B A A -==)()(1)()()()(s H s H s H s X s Y s H B A A +==作频率为400Hz 正弦变化的外力测试时，其振幅和相位角各为多少？解：()2222411⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n A ωωξωωω()222280040014.0480040011⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=31.1≈()212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n arctg ωωωωξωϕ2800400180040014.02⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-=arctg 6.10-≈9. 用一阶系统对100Hz 的正弦信号进行测量时，如果要求振幅误差为10%以内，时间常数应为多少？如果用该系统对50Hz 的正弦信号进行测试，其幅值误差和相位误差为多少？ 解：（1）%10)2100(111)(111)(1)(22≤⨯+-=+-=-=∆πτωτωωA A 则 s 41071.7-⨯≤τ （2）%81.2)1071.7250(111)(111)(1)(242≤⨯⨯⨯+-=+-=-=∆-πωτωωA Aτ取7.71×10-4时， ︒-=⨯⨯⨯-=-=-62.13)1071.7250()(24πωτωϕarctg arctg相位误差小于等于13.62°10. 用传递函数为1/(0.0025s +1)的一阶系统进行周期信号测量。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第8章 液位测量(黄老师)
传感器电容
1-被测的非导电液体 2-容器 3-不锈钢外电极 4-不锈钢内电极 5-绝缘套
第8章液位测量
8.3 电阻式液位计 1. 电接点液位计 原理：液体与其蒸汽之间导电特性（电阻值）的差异。下图为其原理图：
1-汽包 2-测量筒 3-电接点位于测量筒内的电极 4-电接点的绝缘子 5-显示器 6-电源 7-电缆 8-电接点的地极（公共极）
水位的测量和控制，低温介质（如液氦、液氢等）在容器中的液面位置监测与报警，还
有内燃机中根据液面的变化来测定燃油消耗量、冷却液量等等。 本章主要介绍在热能与动力工程中应用较多的液位测量仪表，并简要介绍现代光纤 传感技术在液位测量中的应用实例。
第8章液位测量
8.1 差压式液位计 1. 差压式液位计的基本原理 实际应用时，差压式液位计的型式不尽相同，除了对差压信号测量方 法不同外，还必须根据液体的特性和容器的结构采取不同的差压信号引出 方式。 理论依据 对于开口容器：
1. 全反射型光纤液位计
图示为液位传感器的结构原理图。 棱镜的角度设计必须满足以下条件：当 棱镜位于气体（如空气）中时，由光源 经发射光纤传到棱镜与气体界面上的光 线满足全反射条件
适用于液位的测量与报警，也可用 于不同折射率介质（如水和油）之间分 界面的测定。
第8章液位测量
8.4 光纤液位计 2. 浮沉式光纤液位计 浮沉式光纤液位计是一种复合型液位测量仪表，它由普通的浮沉式液位 传感器和光信号检测系统组成，主要包括机械转换部分、光纤光路部分和电 子线路部分，其工作原理以及测量系统如图所示。
Δp0 = Lρ1 g - H 0 ρ2 g + L - H 0 ρs g
式中，s为汽包压力下饱和蒸汽的密度； 1为宽容器内的水的密度；2为负压管内 的水的密度。Δp0通常与液位计的零水位 刻度相对应。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(习题解答)-课后习题及答案
第2章1. 传递函数是指零初始条件下输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。
（√）2. 传递函数既描述了系统的动态性能，也说明了系统的物理结构。
（×）3. 幅频特性 和 相频特性 共同表达了测量系统的频率响应特性。
4. 测量系统的动态特性一般可以从 时（间）域 和 频（率）域 两方面进行分析。
5. 用试验测定动态参数的方法有频率响应法、阶跃响应法、随机信号法。
6. 测量系统的输出量与输入量之间关系可采用传递函数表示，试说明串联环节、并联环节及反馈联接的传递函数的表示方法。
答：串联环节：并联环节：正反馈环节：负反馈环节：7. 试述测量系统的动态响应的含意、研究方法及评价指标。
答：含义：在瞬态参数动态测量中，要求通过系统所获得的输出信号能准确地重现输入信号的全部信息，而测量系统的动态响应正是用来评价系统正确传递和显示输入信号的重要指标。
研究方法：对测量系统施加某些已知的典型输入信号，包括阶跃信号、正弦信号、脉冲信号、斜升信号，通常是采用阶跃信号和正弦信号作为输入量来研究系统对典型信号的响应，以了解测量系统的动态特性，以此评价测量系统。
评价指标：稳定时间t s 、最大过冲量A d 。
8. 某一力传感器拟定为二阶系统，其固有频率为800Hz ，阻尼比为0.14。
问使用该传感器)()()()()()()()()(21s H s H s Z s X s Y s Z s X s T s H ===)()()()()()()()(2121s H s H s X s Y s Y s X s Y s H +=+==)()(1)()()()(s H s H s H s X s Y s H B A A -==)()(1)()()()(s H s H s H s X s Y s H B A A +==作频率为400Hz 正弦变化的外力测试时，其振幅和相位角各为多少？解：()2222411⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n A ωωξωωω()222280040014.0480040011⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=31.1≈()212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n arctg ωωωωξωϕ2800400180040014.02⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-=arctg 6.10-≈9. 用一阶系统对100Hz 的正弦信号进行测量时，如果要求振幅误差为10%以内，时间常数应为多少？如果用该系统对50Hz 的正弦信号进行测试，其幅值误差和相位误差为多少？ 解：（1）%10)2100(111)(111)(1)(22≤⨯+-=+-=-=∆πτωτωωA A 则 s 41071.7-⨯≤τ （2）%81.2)1071.7250(111)(111)(1)(242≤⨯⨯⨯+-=+-=-=∆-πωτωωA Aτ取7.71×10-4时， ︒-=⨯⨯⨯-=-=-62.13)1071.7250()(24πωτωϕarctg arctg相位误差小于等于13.62°10. 用传递函数为1/(0.0025s +1)的一阶系统进行周期信号测量。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第7章 流量测量(俞老师)
第7章流量测量
7.2 节流式流量计 2 ）直管段的截面必须为圆形，而且其圆度要求很高。在节流元件前 2D范围内，分别于0D、0.5D、1D和2D处的四个截面上，以角等分方式各测 取4个管道内径，共16个测量值，记为Di（i=1，2…16），偏差要求：
Di - D ×100% 0.3% D
式（7-4）中， （3）安装要求
在实际流量测量中，当被测流体的密度、温度、压力和 其它特性与流量计刻度时所用介质的参数值不同时，必须将 根据工况条件 被测流体在实际状态下的流量变化范围换算成流量计刻度状 选择 态下相应介质（如水或空气）的流量，以此作为流量计量程 的选择依据。
其它
安装位置、安装尺寸以及流通管路的振动情况等，有时 还要考虑测量过程产生的永久压力损失带来额外能耗费用的 大小。
第7章流量测量
7.2 节流式流量计 1.测量原理与流量方程 原理：当流体流经管道中急骤收缩的局部截面时，将产生增速降压的节 流现象，流体的流速越大，即在相同流通截面积条件下的流量越大，节流压 降也越大。 根据流动的连续性方程和伯努利（Bernoulli）方程，可推导出反映流量 与节流压降关系的流量方程为：
；
第7章流量测量
7.2 节流式流量计 d.标准节流装置主要参数α和ε的确定 （1）流量系数α
α = K1 K2 K3α0
式中，K1为粘度修正系数；K2为管壁粗糙度修正系数；K3为孔板磨损修 正系数，对于喷嘴、文丘利管以及新的节流元件，K3=1。 各种标准节流装置的K1、K2、K3值可从有关流量测量标准和手册中查到。
第7章流量测量
7.4 光纤流量计 1.光纤差压式流量计 光纤差压式流量计实质上也是一种节流式流量计，其特点是利用光纤传 感技术检测节流元件前后的差压p，原理如下图所示。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第6章 流速测量(俞老师)
第6章流速测量
6.4 粒子图像测速技术 2.粒子图像测速（PIV）信号处理 a.自相关分析
自相关分析采用单帧多脉冲法拍摄的图像，通常将两次曝光的粒子图像 记录在一张底片上，承载粒子对相关信息的区域具有三个明显的峰值：一个 中央自相关峰值和位于其两侧的两个位移峰值，两个位移峰值对应的位置决 定了粒子的位移，如上图所示。
1—稳流段 2—总压管 3—收敛器 4—静压测孔 5— 被校测速管 6，7— 微压计
第6章流速测量
6.1 皮托管测速技术 皮托管标定的基本步骤可以概括为:
第6章流速测量
6.2 热线（热膜）测速技术
热线（热膜）测速是一种热电式测速技术，其相应的测量装置通常称为热线风速仪。
1.热线风速仪的基本构造 热线风速仪由探头、信号和数据处理系统构成。
第6章流速测量
6.3 激光多普勒测速技术 1.激光多普勒测速原理
f s fi
1
i
v K s - K i fi
2 sin
2v n
f D f s fi
2sin
2v
n
i
i
第6章流速测量
6.3 激光多普勒测速技术 2.测量多普勒频移的基本光路系统 基本方法:直接检测&外差检测
式中，为皮托管的校准系数，Ma为马赫数，为气体的压缩性修正系 数，k为气体的等熵压缩（或膨胀）指数，对于空气，k =1.40。
第6章流速测量
6.1 皮托管测速技术
直角型（L型）皮托管
a)带半球形头部的标准皮托管 p0 总压 p 静压 b) 带锥形头部的皮托管 d 皮托管头部直径
第6章流速测量
参考光束系统光路示意图
LS—激光器 S—分光镜 M─反射镜 L1—透镜 P—运动的微粒 N—光阑 L2—透镜 PD—光电检测器
《热能与动力工程测试技术（第3版）》俞小莉（试卷及其答案）
《热能与动⼒⼯程测试技术（第3版）》俞⼩莉（试卷及其答案）《热能与动⼒⼯程测试技术》试题I姓名：学号：专业：得分：⼀、填空题（20分，每空1分）1.和共同表达了测量系统的频率响应特性。
2.与之差称为误差。
3.当激光照射到跟随流体⼀起运动的微粒上时，与之间的频率偏离量称作多普勒频移。
4.电磁流量计（简称EMF）是基于进⾏⼯作的。
5.光电式转速传感器是利⽤光电元件对光的敏感性来测量转速的，可分为、两种。
6.测振系统分为、以及。
7.传声器是⼀种声-电信号转换器件，有、和等种类。
8.温标有、、和四种。
9.就⼤多数测量⽽⾔，其随机误差都服从规律。
⼆、是⾮题（10分，每题2分）1.振动测量的主要参数为位移、速度、加速度。
（）2.从本质上讲，液位测量是⼀门检测⽓体-液体之间分界⾯的技术。
（）3.差压式液位计的理论依据是可压缩流体（液体）的静⼒学原理。
（）4. A计权⽹络模拟⼈⽿40phon等响度曲线设计，主要衰减⼈⽿不敏感的低频声⾳，对中频段声⾳有⼀定衰减。
（）5. 声功率级不能直接测得，可在⼀定条件下利⽤声压级进⾏换算。
（）三、简答题（共35分）1.测量系统的输出量与输⼊量之间关系可采⽤传递函数表⽰，试说明串联环节、并联环节及反馈联接的传递函数的表⽰⽅法。
（10分）2.什么叫做传递误差？为何测量系统中采⽤负反馈可以提⾼测量精度？（10分）3.试说明为何⽔银温度计可作为精密标准温度计？（5分）4.简述光纤流量计和超声波流量计的⼯作原理、特点。
（10分）三、计算题（共5分）1. ⽤⼀阶系统对100Hz的正弦信号进⾏测量时，如果要求振幅误差为10%以内，时间常数应为多少？如果⽤该系统对50Hz的正弦信号进⾏测试，其幅值误差和相位误差为多少？（10分）2.有⼀个1/3倍频程带通滤波器，其中⼼频率80nfHz，求上、下截⽌频率。
（5分）3.⽤⽪托管－U型管装置测量空⽓流动，测得压差为19.7kPa，绝对静压为100kPa，空⽓温度15℃，⽪托管的校正系数为1，试计算空⽓流速。
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第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
负荷电阻控制方式直流电力测功机的基本特性如下图所示。
图中同时给出转矩Tt、测量功率PT、驱动转矩Tm、驱动功率 P与转速n 的关系。在测功状态下，A为最大电流线，此时对应于最大励磁电流和最小 负荷电阻，即为负荷调节处于最大位置时的固有特性；A1、A2分别为负荷 调节处于中间位置时的固有特性；B为最大转矩线，受电枢的机械强度限制； C为最大功率线，受电机散热条件限制；D为最高转速线，受旋转部分所能 承受的最大离心力限制；E为最小吸收转矩或功率线，此时虽无励磁电流通 过，但仍存在轴承及空气阻力，因而在E线之下存在不能测定区（图上剖面 线范围）。
1－弹性扭轴 2－卡盘 3－凸臂 4－钢铉
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
假设弹性扭轴处于自由状态时，钢铉的固有频率为f0，受转矩T作用时 频率为f，则
T K ' ( f 2 f 02 )
式中，K’是常数，它由弹性扭轴的刚度、钢铉的尺寸及测量仪的特性 等决定。 测得频率f则可测量出转矩T。
磁致伸缩式转矩仪工作原理图
第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
1.功率基本测量方法
主要测量方法： （1）通过电功率测量。又称损耗分析法，动力机械由电动机直接驱动，先测出 电动机的输入功率，再利用损耗分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的轴功 率。 （2）通过转矩间接测量。由于动力机械的轴功率正比于转矩与转速的乘积，故 常采用间接测量方法。分别测量转矩和转速，再按下式求得功率
第9章转速、转矩和功率测量
9.1 转速测量
b.磁电式转速传感器
1-传感器壳体 2-输出信号线 3-保护层 4-永磁体 5-感应线圈 6-杆销 7-触发齿轮 G-气隙
触发齿轮7由导磁材料制成，有z个齿，安装在被测速转轴上。永磁体 4和感应线圈5组成磁头，安装在紧靠齿轮边缘约 2mm处。齿轮每转过1个 齿就切割1次磁力线，产生1个来自线圈感应电动势的脉冲信号。齿轮每一 圈就发出z个电脉冲信号。 与光电式转速传感器相比，磁电式转速传感器结构简单，无需配置专 门的电源装置，且脉冲信号不会因转速过高而减弱，测速范围广，因此使 用范围非常广泛。
b) 磁电式转矩传感器结构示意图
1－弹性轴 2－齿轮 3－校准筒 4－永磁体 5－滚动轴承 6－壳体 7－电动机
在相距L的两截面上装有两个齿轮 以及两个相同的磁电式传感器，轴每 转一转，传感器产生一列脉冲信号， 在轴传递转矩而产生扭转变形时，从 两个磁电传感器上所得的两列脉冲波 形间将产生一个与扭转角成正比的相 位差。测量此相位差信号并经数据处 理后，即可求出所测量转矩。
1－转子小室 2－闸套 3－外壳小室
第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
3.电力测功机
电力测功机的转子和定子都是以磁通作为传递媒介进行工作的。转子和定子之 间的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要将定子做成能绕其轴线自由 摆动的结构，便可测定转子的制动转矩，即定子的反力矩。 电力测功机分为直流电力测功机、交流电力测功机和电涡流测功机三种型式。
图示为光学式转矩仪结构和光路示意图。 轴扭转后，轴的两端产生相对位移，这种位移通过弹性传递轴使两 面镜子也产生了相对位移，因而使光路发生变化，根据这个变化量即可 测得转矩的大小。 通过平行光线投射器和望远镜可实现读数。
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
d.磁电式转矩仪
a) 磁电式转矩仪工作原理图
第9章转速、转矩和功率测量
9.1 转速测量
c.电动转速表 电动转速表一般由发送器、指示器和连接导线三部分组成。发送器实 际上是一个小型永磁的交流或直流发电机，由被测速轴通过联轴节直接带 动发电，转速越高，产生的电动势越大。通过电压表指示所测转速。 电动转速表工作时产生的电动势受磁场强度、温度等因素的影响，精 度不高（1.5级）。 d.定时转速表 原理：在一定时间内通过累计转数来测量转速 定时转速表使用方便，精度较高（可达0.5级），测量上限可达 10000r/min，可以用于内燃机等高速机械的转速测量。
第9章转速、转矩和功率测量
9.1 转速测量
2.非接触式转速表
非接触转速表是当前动力机械测量中最常用的测速仪表，它不消耗被测速转轴 的扭矩，且测量精度高，但结构相对复杂。
a.光电式转速传感器 原理：利用光电元件（如光电池、光电管、光敏电阻等） 对光的敏感性来测量转速
投射式（图a)） 反射式（图b)）
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
b.光电式转矩仪 原理：利用扭轴两端的光学元件将转矩引起的扭轴变形产生的相位差 转换为电信号，再根据检测到的电信号确定作用于轴上的扭矩。 下图为光电式转矩仪传感器示意图与光栅盘结构图：
1、5－套筒 2－光源 3、3’－光栅盘 4－光电管 6 －弹性扭轴
第9章转速、转矩和功率测量
《热能与动力工程测试技术》·第3版
第9章 转速、转矩和功率测量
9.1 转速测量
9.2 转矩测量
9.3 功率测量
9.1 转速测量
转速、转矩和功率是描述动力机械运转状况的重要技术参数，所有动力机械的 工作能力与工作状况都可以用它们来描述。所以，转速、转矩和功率的精确测量具 有十分重要的意义。
1.接触式转速表 手持式 固定式 优点是简单通用，且稳定性好；缺点是测量精度较低（不优于1至2级）， 故虽然应用较广，但多用作试验时检查动力机械的参考读数。 b.磁性转速表 原理：利用回转圆盘在旋转磁场中感应出电涡流而产生扭矩变化，从而带 动指针偏转来测速。 优点是结构简单，对振动的敏感性小，测速范围宽，故应用范围也较广， 典型应用是汽车和船用转速表；缺点是这种转速表虽然精度不高（1.5～2 级）， a.离心式转速表 原理：利用离心力器件（重环或重锤）旋转后产生与转速的平方 成正比的离心力，通过克服弹簧的反作用力推动指示机构工作。
1.用测功机作为负载进行功率测量 2.采用转矩仪测量转矩
电力测功机、水力测功机和磁粉测功机
第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
2.水力测功机
水力测功机的主体为水力制动器，它由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支承， 因而可以自由摆动。
a.圆盘式水力测功机 圆盘式水力测功机是通过改变水层厚度调节制动转矩的，下图为其结 构简图。
9.2 转矩测量
光栅盘3和3’通过套筒1、5分别固 定在扭轴6的A、B两端，由两片直径相 同的圆盘制成，沿径向做成放射状透光 和不透光部分相间的图形。当弹性转轴 6没有受到转矩的作用时，光栅3上的透 光部分正好与光栅3’上的不透光部分重
叠，光源2发出的光照射不到光电管4上，
光电管输出电流为零；当弹性扭转轴6 受到转矩的作用时发生扭转变形，光栅 盘3与3’相对错开一定位置，形成一个
如下分类。
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
b.平衡力法 当匀速运转的动力机械的传动轴对外输出一定大小的转矩时，在其机 壳上必然同时作用着大小相等、方向相反的平衡力矩。通过测量机壳上的 平衡力矩来确定动力机械传动轴上工作力矩的方法称为平衡力法，又称作 支反力法。 动力机械试验中常用的测功机中转矩的测量方法就是典型的平衡力法。 其原理如下图所示，机壳1安装在摩擦力矩很小的平衡支承2上，力臂杆3被 固定在机壳上。力F通过测力机构4作用在力臂上。假设动力机械处于匀速 运转状态，测得的平衡力矩T＝F×l必定与传动轴输出的转矩T大小相等。
1－机壳 2－平衡支承 3－力臂杆 4－测力机构
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
2.常用转矩测量仪器 a.钢铉转矩测量仪 原理：弹性扭轴的变形引起钢铉伸缩，从而使钢铉振动的固有频率发 生变化。 1 钢铉的固有振动频率为 f 2l 0 度。 式中，l0为钢铉的自由长度； σ为钢铉绷紧时的拉应力； ρ为钢铉的密 左图为钢铉转矩测量仪的原理 图。 两只卡盘2固定在弹性扭轴1上， 每只卡盘上有一凸臂3，钢铉4的两 端分别安装在两个凸臂上，钢铉与 扭轴相对固定。弹性扭轴在转矩的 作用下发生弹性变形时，两只卡盘 之间产生相对角位移，固定在卡盘 凸臂上的钢铉长度发生变化，改变 了钢铉的固有频率。
a.直流电力测功机
直流电力测功机结构简图
1-防护罩 2-轴承座 3-连轴器 4-转矩、转速传感器 5-连轴器 6-直 流电机 7-底座
第9章转速、转矩和功率测量9.3 功源自测量直流电机的感应电动势E为
E K1n
式中，K1为电机的电动势系数，Φ为定子励磁绕组的磁通，n为转速。 若在电枢回路中串联负载电阻R，并忽略电枢内阻，则电枢回路中流过 的电流I为
a）两光栅盘正视图 b）两光栅盘侧视图
透光口，此时光源发出的光能穿过两光 栅盘，转矩越大，透光口的开度就越大， 光通量就越大。
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
c.光学式转矩仪
1－望远镜 2－反射光线 3－扭转应变轴 4－弹性传递轴 5－镜子 6－平行光线投射器 7－光线入射孔 8－直射光线
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
e.磁致伸缩式转矩仪 原理：磁致伸缩效应 ①铁磁物体的磁化特性在机械力作用下会发生显著变化；②铁磁物体 在外界磁场作用下会发生机械变形。 “磁桥”: A与B为绕在铁心上的交流励磁 线圈;C与D为绕在铁心上的感应线圈; 两铁心成直角，测量头接近用铁磁 材料制成的测量轴，铁心与测量轴 表面约有1~2mm的间隙。 优点： 无触点、坚固耐用、输出电 压高（可达10V）、对仪器材料无 特殊要求（一般采用低、中碳钢 即可）、对温度和干扰不敏感
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
转矩又称扭矩，它往往与动力机械的工作能力、能量消耗、效率、运转寿命及 安全等因素紧密联系，是动力机械性能试验中需测量的重要参数之一。