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温度测量
3) 镍铬-镍硅热电偶〔分度号K〕 正极是镍铬合金，负极为镍硅。 测温范围：-200 ℃ ～+1300℃。 优点：测温范围很宽、热电动势与温度关系近
似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价 格低，所以在工业上应用广泛。
K分度表
镍铬—镍硅热电偶分度表〔冷端温度为0℃〕
测量端 温度 (℃)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
0
0.000 4.095 8.137 12.207 16.395 20.640 24.902 29.128 33.277 37.325 41.264 45.108 48.828 52.398
30
1.203 5.327 9.341 13.456 17.664 21.919 26.176 30.383 34.502 38.519 42.432 46.238 49.916 53.439
40
50
热电动势(mV)
1.611 5.733 9.745 13.874 18.088 23.346 26.599 30.799 34.909 38.915 42.817 46.612 50.276 53.782
Tt273.15
☆ 国际实用温标：ຫໍສະໝຸດ 是一个国际协议性温标，它与热力学温标
相接近，而且复现精度高，使用方便 。
● 温度计分类 据传感器的测温方式： 接触式：膨胀式、电阻式、热电偶式 非接触式： 辐射式 接触式的精度高、响应慢、受高温限制 非接触式的精度低、响应快、受低温限制
按照温度测量范围： 超低温： 0～10K 低温： 10～800K 中高温： 800～1900K；1900～2800K 超高温： 2800K以上
热能与动力工程测试技术
第一章1、测量方法按最后得到结果过程不同分为三类：直接测量、间接测量、组合测量按过程分为：稳态、非稳态测量2、按工作原理，测量仪器都包括感受件、中间件和效用件3、测量仪器按其用途可分为范型仪器和实用仪器两类4、测量仪器的主要性能指标：精确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻滞和指示滞后时间第二章1、测量仪器或测量系统的动态特性的分析就是研究动态测量时产生的动态误差，主要用以描述在动态测量过程中输出量和输入量之间的关系。
2、传递函数实用输出量和输入量之比表示信号间的传递关系3、串联环节：两个传递函数非别为H1（s）和H2（s）环节串联后测量系统。
该系统特点是前一环节的输出信号为后一环节的输入信号4、单位阶跃输入信号特点是t=0时信号以无限大的速率上升；当t>0时信号保持定值，不随时间变化。
第三章1、绝对误差=测量值—真值相对误差=绝对误差/真值≈绝对误差/测量值系统误差：在测量过程中，出现某些规律性的以及影响程度有确定的因素所引起的误差2、消除系统误差的方法：消除产生系统误差的根源用修正方法消除系统误差常用消除系统误差的具体方法：交换抵消法、替代消除法、预检法3、综合系统误差的方法：代数综合法、算数综合法、几何综合法4、正态分布规律中随机误差特性：单峰性、对对称性、有限性、抵偿性5、进行随机误差计算前步骤：首先剔除过失（或粗大）误差修正系统误差最后在确定不存在粗大误差与系统误差的情况下，对随机误差进行分析和计算6、非等精度测量：在不同测量条件下，用不同的仪器、不同的测量方法、不同的测量次数以及由不同的测量者进行的测量，各次测量结果的精度不同。
7、间接测量：被测量的数值不能直接从测量仪器上读得，二十需要通过测取与被测量有一定关系的直接测量的量，再经过计算求得。
例3-6 3-8 3-10第四章1、传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成电信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2、常用的温度补偿方法：桥路补偿，应变片自补偿，热敏电阻补偿（热敏电阻处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，阻值也要下降）3、电感式传感器主要分为：自感式和互感式两大类4、常见的自感式电感传感器有：变气隙式、变截面式和螺管式三种5、电容式传感器中ε（为极板间介质的介电常数），d（为极板间的距离），A（为两极板相互遮盖的面积）三个参数都影响到电容量C6、压电效应：某些结晶物质，当沿它的某个结晶洲施加力的作用时，内不会出现极化现象，从而在表面形成电荷集结，电荷量与作用力的大小成正比7、热电现象：两种不同的导体A和B组成闭合回路，若两连接点温度T和T0不同，则在回路中就产生热电动势，形成热电流8、光电转换元件：光电管，光敏电阻，光电池，光敏晶体管9、霍尔效应：一块长为l，宽为b，厚为d的半导体薄片，若在薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的磁场，当在薄片的两端有控制电流I流过时，在此薄片的另两端会产生一个大小和控制电流I(A)和磁感应强度B(T)的乘积成正比的电压UH(V)。
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)简介《热能与动力工程测试技术》是一本关于热能与动力工程测试的专业指南，旨在帮助工程师和技术人员更好地理解和应用热能与动力工程测试技术。
本书是第3版，经过对前两版的内容进行修订和扩充，加入了最新的测试技术和实践案例。
目录1.热能与动力工程测试的概述2.测试设备和仪器3.测试中的数据测量与分析4.测试方法与实践5.热能与动力工程测试的安全与操作规范6.热能与动力工程测试中的质量控制7.热能与动力工程测试的实例和应用案例第一章热能与动力工程测试的概述1.1 热能与动力工程测试的意义和目的1.2 热能与动力工程测试的基本原理1.3 热能与动力工程测试的分类1.4 热能与动力工程测试的步骤和流程第二章测试设备和仪器2.1 热能与动力工程测试中常用的设备和仪器2.2 设备和仪器的选择和购买原则2.3 设备和仪器的维护与保养2.4 设备和仪器的校准和验证第三章测试中的数据测量与分析3.1 数据测量的基本原理和方法3.2 数据采集和记录的技术和要求3.3 数据处理与分析的方法和工具第四章测试方法与实践4.1 热能与动力工程测试的常用方法和技术4.2 不同测试方法的适用范围和注意事项4.3 测试过程中的常见问题和解决方法4.4 测试结果的评估与分析第五章热能与动力工程测试的安全与操作规范5.1 热能与动力工程测试中的安全问题和风险评估5.2 测试现场的安全管理与控制5.3 设备和仪器的安全使用与维护5.4 操作规范和流程的建立与执行第六章热能与动力工程测试中的质量控制6.1 热能与动力工程测试中的质量要求和评估指标6.2 质量控制的方法和工具6.3 质量控制措施的实施和监控第七章热能与动力工程测试的实例和应用案例7.1 燃煤发电厂的性能测试与评估7.2 燃气轮机的性能测试与分析7.3 水力发电站的测试与调试7.4 热能与动力系统的节能改造与优化结语《热能与动力工程测试技术(第3版)》通过对热能与动力工程测试的概念、设备和仪器、数据测量与分析、测试方法与实践、安全与操作规范、质量控制以及实例和应用案例的详细介绍，为读者提供了一本全面、实用的测试指南。
热能与动力工程测试技术(附答案)
1.测量方法：直接测量：凡是被测量的数值可以从测量仪器上读出，常用方法１．直读法２．差值法3.替代法4.零值法间接测量：被测量的数值不能直接通过测量仪器上读出，而直接测量与被测量有一定函数关系的量，通过运算被测量的测值。
组合测量：测量中各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接测量与间接测量所得的数据，通过方程求解未知量的数值2.测量仪器：可分为范型仪器和实用仪器一、感受件：它直接与被测对象发生联系，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号。
应满足条件：1.必须随测量值的变化发生相应的内部变化 2.只能随被测参数的变化发出信号 3.感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系二、中间件：起传递作用，将传感器的输出信号传给效用件常用的中间件：导线，导管三、效用件：把被测信号显示出来。
分为模拟显示和数字显示3.测量仪器的主要性能指标：一、精确度：测量结果与真值一致的程度，系统误差与随机误差的综合反映二、恒定度：仪量多次重复测量时，其指示值的稳定程度三、灵敏度：认仪器指针的线位移或角位移与引起变化值之间的比例四、灵敏度阻滞：在数字测量中常用分辨率表示五、指示滞后时间：从被测参数发生变化到仪器指示出现该变化值所需时间4.传递函数是用输出量与输入量之比表示信号间的传递关系。
H（s）（s）（s）作用：传递函数描述系统的动态性能，不说明系统的物理结构，只要动态特性相似，系统可以有相似的传递函数串联环节：H（s）1（s）H2（s）并联环节H（s）1(s)2（s）反馈环节H（s）(s)/1(s)(s)5.测量系统的动态响应：通常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，依次评价测量系统测量系统的阶跃响应：一阶测量系统的阶跃响应二阶测量系统的阶跃响应测量系统的频率响应：一阶测量系统的频率响应二阶测量系统的频率响应7.误差的来源：每一参数都是测试人员使用一定的仪器，在一定的环境下按一定的测量方法和程序进行的，由于受到人们的观察能力，测量仪器，方法，环境条件等因素的影响，所得到的测量值只能是接近于真值的近似值，测量值与真值之差称为误差。
2011热能与动力工程测试技术课件第五章
热能与动力机械测试技术
（1）液体玻璃管式 毛细管
感温包
热能与动力机械测试技术
液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。 全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高， 故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工 业测温。 使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入， 如图 (a)所示，部分浸入式温度计露出部分的环境温 度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须进行 修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液 柱部分的平均温度，并按下式估算温度修正量∆t，即
等温线接触式
分立接触式
热能与动力机械测试技术
零部件温度的测量
• 易熔合金法 利用某种给定成分的合金其熔点一定的特性。该方法操 作简便，但由于需要事先估计被测零件的温度，因而往 往需要多次才能测得温度。另外，易熔合金法需要在被 测零件上钻若干小孔，从而影响了零件的强度和温度变 化。 • 硬度塞法 运用淬火后金属材料的硬度随回火温度的升高、硬度值 降低这一特性。硬度塞法是测量发动机温度场是一种方 便实用的方法,硬度塞加工容易、安装简便、成本较低。 缺点是只限定于某一工况下的温度，且测温时间较长， 精度不高。但在只需了解零件温度的粗略值时，尤其在 活塞温度场的测量中，该方法经常采用。
热能与动力机械测试技术
最常用的两种热电阻 铂热电阻：物理化学性能稳定，准确度高，稳定 性好，性能可靠，铂电阻的使用量度范围是一 200一850℃。 铜热电阻：价格便宜，电阻温度系数大，容易获 得高纯度的铜丝，互换性好，电阻与温度的关 系几乎是线性的。缺点是电阻率小，所以要制造 一定电阻值的热电阻，其铜丝的宜径要很细，这 会影响其机械强度，另外铜易氧化，故只能在一 50一150℃范围内使用。
9 0 t F = t C + 32 5
(完整版)热能与动力工程测试技术
⒈什么是测量?答：测量是人类对自然界中客观事物取得数量概念的一种认识过程.⒉测量方法有哪几类？直接测量与间接测量的主要区别是什么？答:测量方法有①直接测量（直读法、差值法、替代法、零值法）②间接测量③组合测量直接测量与间接测量区别:直接测量的被测量的数值可以直接从测量仪器上读得，而间接测量的被测量的数值不能从测量仪器上读得，而需要通过直接测得与被测量有一定函数关系的量，经过运算得到被测量。
⒊任何测量仪器都包括哪三个部分？各部分作用是什么？答:①感受件或传感器，作用：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.②中间件或传递件，作用：“传递"、“放大”、“变换”、“运算”。
③效用件或显示元件，作用:把被测量信号显示出来.⒋测量仪器按用途可分为哪几类？答：按用途可分为范型仪器和实用仪器两类。
⒌测量仪器有哪些主要性能指标？各项指标的含义是什么？答：①精确度，表示测量结果与真值一致的程度，它是系统误差与随机误差的综合反应。
②恒定度,仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度。
③灵敏度，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④灵敏度阻滞，灵敏度阻滞又称为感量,此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。
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，称为指示滞后时间或称时滞。
⒍测量误差有哪几类？各类误差的主要特点是什么?答：①系统误差，特点：按一定规律变化，有确定的因素，可以加以控制和有可能消除。
②随机误差，特点：单峰性、对称性、有限性、抵偿性,无法在测量过程中加以控制和排除。
③过失误差，特点：所测结果明显与事实不符，可以避免。
⒎什么叫随机误差?随机误差一般都服从什么分布规律？答：随机误差（又称偶然误差)是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。
随机误差一般都服从正态分布规律。
热能与动力工程测试技术
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1.5级，量程为0~2.0MPa，测量结果显示为1.2MPa，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。
17. 自感式电感传感器分为变气隙式、变截面式和螺管式。
18. 光电效应分为三类：外光电效应（元件有光电管、光电倍增管）、内光电效应（元件有光敏电阻、光导管）、光生伏特效应（元件光电池、光敏晶体管）19. 使用较多的温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。
《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
2011热能与动力工程测试技术课件第三章
格拉布斯准则判别步骤
ˆ 1）计算测量值的算术平均值L和标准误差 σ
vi li − L 2）计算格拉布斯准则数 Tli = = ˆ ˆ σ σ
3）选择合适的显著度（危险率） 4）判别 Tli 是否大于 T( n ,α ) ，若大于则 认为含有粗大误差，应予以剔除。
热能与动力机械测试技术
有限性
• 在一定的 测量条件 下，随机 误差的绝 对值不会 超过一定 的界限。
抵偿性
• 随测量次 数的增加， 随机误差 的算术平 均值趋向 于零。
热能与动力机械测试技术
第三章 测量误差分析与处理
二、标准误差和概率积分
σ 是代表测量值在 标准误差 平均值周围分布离散程度 的特征数。标准误差越小， 则曲线形状越尖锐，说明 数据越集中；标准误差越 大，则曲线形状越平坦， 说明数据越分散。
3、随机误差
定义:在同一条件下，同一观测者对同一量进行多 次测量（等精度测量）时，如果没有系统误差，测 量结果仍会出现一些无规律的起伏，这种偶然的， 不确定的偏离称作随机误差。 特点：随机性（忽大忽小，忽正忽负，没有规律）， 但当测量次数比较多时服从统计规律。最常见的就 是正态分布（高斯分布）。 消除方法：多次测量取平均值
1 y= e σ 2π
∆2 − 2 2σ
其中
σ=
2 ∆ ∑ i
n
热能与动力机械测试技术
p [ -∆ i ≤ ∆ ≤ = ∆i ]
∆i
−∆i
∫
- 2 1 y ( ∆ )= d∆ ∫ e 2σ d ∆ −∆i σ 2π
∆i
∆2
∆ =kσ
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第三章 测量误差分析与处理
三、测量结果的最佳值 推导依据：最小二乘法即 最佳值： 测量结果的最可信赖值应使 残余误差平方和（或加权残 余误差平方和）最小
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
2011热能与动力工程测试技术课件第二章
（1）一阶系统的频率响应
A(ω ) H (iω ) = = 1 (iω ) 2 + 1
ϕ = arctan(−ωτ )
0 ≤ ωτ ≤ 0.3时，A(ω ) ≈ 1, φ也较小
热能与动力机械测试技术
（2）二阶系统的频率响应
理想区域
热能与动力机械测试技术
二阶测量系统的频域响应特性 1. 幅频特性和相频特性与频率比 ω 有关。 2. 当ξ=0.6~0.8时，在 振幅比接近于1。
可减小系 统误差
反馈系统
H A ( s) 负反馈 H ( s) = 1 + H A ( s) H 热能与动力机械测试技术 B ( s)
第二章
测试系统的动态特性
二、基本测量系统的传递函数 （1）零阶仪器
b0 a y b x = 特性方程 x = Sx 或 y= 0 0 a0 特点 无论输入随时间如何变化，输出量的幅值 总与输入量呈确定的比例关系，无时间的滞后。
传递函数的特性 仅描述系统本身的动态特性，与输入和初始 条件无关。 不说明被描述系统的物理结构，不论是电路 结构还是机械结构，只要动态特性相似均可 用同一类传递函数来描述。 传递函数的分母取决于系统的结构（输入方 式、被测量及测点布置等）
热能与动力机械测试技术
测试装置的传递函数的求取步骤 1. 分析系统，根据物理学的相关定律写出描述 系统的微分方程。 2. 假设全部初始条件等于零，取微分方程的拉 式变化（利用拉式变换的微分性质）
第二章
测试系统的动态特性
热能与动力机械测试技术
第二章
测试系统的动态特性
内容提要：
测量系统在瞬态测量中的动态特性 测量系统的动态响应 测量系统的动态标定
热能与动力机械测试技术
《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总结
第一章 概述1. 测量：用特定的工具和方法，通过试验的手段将被测物理量与另一同名的作为单位的物理量的比较，以确定两者之间的比值。
2. 测量方法：直接测量（直读法、差值法、替代法、零值法）、间接测量、组合测量3. 测量仪器按照工作原理分为三部分：感受器（传感器）：直接与被测对象发生联系，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应信号。
中间件（传递件）：信号传递及加工效用件（显示元件）：把被测量信号显示出来4. 分类：标准仪器、型仪器、实用仪器5. 测量仪器性能指标（静态） 精确度：测量结果与真值一致的程度。
jy a b 100%A A δ∆=±⨯-恒定度：仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度。
灵敏度：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。
灵敏度阻滞：足以引起仪器指针从静止到作微小移动的被测量的变化值。
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。
第二章 测量系统的动态特性1. 动态特性：表示测试系统的输入信号从一个稳定状态突然变化到另一个稳定状态时，输出信号的跟踪能力。
用以研究动态测量时的所产生的动态误差，主要用以描述在动态测量过程中输出量与输入量之间的关系，或是反映系统对于随时间变化的输入量响应特性。
2. 传递函数：当初始条件为0时，线性系统输出信号（时域）与输入信号（时域）之比。
（1）只是描述系统的动态性能，不说明系统的物理结构，只要动态特性相似，可以有相似的传递函数。
（2）仅描述动态特性，与输入和初始条件无关。
（3）组合系统的传递函数：串联环节、并联环节、反馈联接3. 基本测量系统的传递函数：（1）零阶测量系统：不管输入量随时间如何变化，系统的输出不受干扰也没有时间滞后，具有完全理想的特性。
0000()()b b Y s Hy x kx X s a a ==+（s ）= 例如：位移式电位计（2）一阶测量系统：100()()()()()()1()+1dy a a y t b x t sY s Y s kX s dt Y s H X s s ττ+=+==（s ）= 时间常数10a a τ=；稳态灵敏度00b k a = 例如：热电偶（3）二阶测量系统：221002222()()()()()2n n nd y dy a a a y t b x t dt dt Y s H s X s s s ωξωω++===++固有频率n ω=1a ξ=，均需合适的选取 例如：测振仪4. 测量系统的动态响应：评价系统正确传递与显示输入信号的重要指标。
热能与动力工程测试技术-第三章a
r21
xn xn2 xn x2
r22
xn xn2 xn x3
选定显著度 ，得到各统计量的临界值 r0 n, 若 rij r0 n, 则剔除 xn
最小值 x1 的统计量分布为
r10
x1 x1
x2 xn
r11
x1 x2 x1 xn
r21
1求两列测量值各自的算术平均值2求算术平均值的均方根误差3求测量结果的加权算术平均值4加权算术平均值的均方根误差三间接测量的误差计算间接测量的误差是由已知的有关直接测量误差的大小和函数关系来确定
第三章 测量误差分析 及处理
第一节 误差的来源于分类
● 误差的来源与误差的概念
※ 测量值与真值之差。 误差是绝对的，应指出所测得结果的误差范围。
● 误差的表示
绝对误差=测量值-真值
相对误差=
绝对误差 真值
绝对误差 ≈ 测量值
● 测量误差的分类
1) 系统误差 测量过程中，某些规律性的以及影响程度由
确定因素引起的误差。
在正确的测量结果中不应包含系统误差。 2) 随机误差
由许多未知的或微小的因素综合影响的结果。 多次测量结果的算术平均值更接近于真值。 3) 过失误差 主要由于测量者粗心、过度疲劳或操作不当引起 包含过失误差的测量结果是不能采用的。
Pi
2 i
为任意选取的常数
● 非等精度测量真值的最佳估计值
L PiLi Pi
SL
1
1 / i 2
【3-6】两实验者对同一恒温水箱的温度进行测量各自独 立地获得一列等精度测量数据。
解：1）求两列测量值各自的算术平均值 2）求算术平均值的均方根误差
热能与动力工程测试技术
第一至三章一、名词解释测量:是人类对自然界中客观事物取得数量观念的一种认识过程。
它用特定的工具和方法，通过试验将被测量与单位同类量相比较，在比较中确定出两者比值。
稳态参数：数值不随时间而改变或变化很小的被测量。
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。
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。
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。
恒定度:仪器多次重复测量时，其指示值稳定的程序，称为恒定度。
通常以读数的变差来表示.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。
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。
一般仪器的灵敏度阻滞应不大于仪器允许误差的一半。
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。
测量值与真值之差称为误差。
因子：在试验中欲考察的因素称为因子。
因子又可分为没有交互作用和有交互作用的因子，前者是指在试验中相互没有影响的因子，而后者则在试验中互相有制抑作用。
水平：每个因子在考察范围内分成若干个等级，将等级称为水平二、填空题常用的测量方法有直接测量、间接测量、组合测量。
测试中，被测量按照其是否随时间变化可以分类稳态参数和瞬变参数。
有时被测参数的量或它的变化，不表现为“可数”的形式，这时就不能用普通的测量方法，相应的就出现了模拟测量和数字测量。
按工作原理，任何测量仪器都包括感受件，中间件和效用件三个部分。
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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。
17. 自感式电感传感器分为变气隙式、变截面式和螺管式。
18. 光电效应分为三类：外光电效应（元件有光电管、光电倍增管）、内光电效应（元件有光敏电阻、光导管）、光生伏特效应（元件光电池、光敏晶体管）19. 使用较多的温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。
20. 热力学温标T和摄氏温标t的转换关系T=t+21. 可用于压力测量的传感器有压阻式传感器、压电式传感器和电容式差压传感器。
22. 流量计的类型有容积型流量计、速度型流量计和质量型流量计。
24①易于实现集中检测、控制和远距离测量②响应速度快，可以测量瞬时值及动态过程③使热动测试的连续测量、自动记录和自动控制成为可能④测量的准确度和灵敏度高，可以测量微弱信号并将其放大与长距离传输⑤易于和计算机等进行连接，记录和处理数据方便25、电阻式传感器原理—将物理量的变化转换为敏感元件电阻值的变化，再经相应电26、金属应变式传感器原理—导体或半导体在歪理作用下产生机械变形时，电阻值也---------应变片结构：基底，敏感栅，覆盖层，引出线应变片的温度补偿：1）桥路补偿2）应变片自补偿：选择特定的应变片，采用双金属敏感栅自补偿应变片，热敏电阻补偿。
27、半导体压阻式传感器：压阻效应—固体材料在受到应力作用后，电阻率都会发生变化的效应；28、电感式传感器—在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感变化，把被测量转换为感量变化的传感器。
分为自感式和互感式两种（1）自感式：①变气隙式—电感量L=N2N0N2N ；δ:气隙厚度A:气隙截面积μ:真空磁导率。
δ越小，灵敏度越高。
②变截面式；③螺管式：结构简单、制作容易，但由于磁阻较大因而灵敏度低，主要用于测量大位移的场合（2）互感式电感传感器：又称差动变压器，他把被测位移变化转化为传感器互感变化。
目前用的最多的就是螺管形差动变压器，由线圈和铁芯组成。
29、电容式传感器—功率小、阻抗高、动态性能好、结构简单，可用于非接触式测量两极板间的电容量C=NNN =N N NN×8.854×10−12；A：面积，N：介电常数，N=N N N N，N N=N.NNN×NN−NN N N⁄；d：极板间距，改变其中任意一个，C都会变化，因此可再分为：变极板间隙型、变面积型、变介电常数型30、压电式传感器—基于某些物质的压电效应，这些物质在外力作用下表面会产生电荷，经过电荷放大器的放大，可实现电测的目的；压电效应：某些结晶物质，当沿它的某个结晶轴施力时，内部会出现极化现象，从而在表面形成电荷集结，电荷量大小和作用力大小成正比逆压电效应：在晶体某些表面之间施加电场，在晶体内部会出现极化现象，促使晶体变形31、磁电式传感器—转速测量时最常用的传感器之一，也称感应式传感器。
32、热电式传感器是将温度变化转为电量变化的传感器；（1）热电阻式传感器→热电阻效应：电阻率随本身温度变化而变化的现象；电阻随温度变化导体或半导体称为热电阻器件。
金属随温度升高电阻增大，半导体随温度升高电阻下降。
（2）热电偶式传感器→热电现象：两种不同的导体A和B组成闭合回路，若两连接点温度T和T不同，则在回路中产生热电动势，形成热电流的现象。
A和B两导体称为热电极，他们组合称为热电偶。
接触热场的一端（温度为T）为工作端，另一端称为自由端。
热电偶输出电动势的大小只取决于两种金属的性质和两端温度。
热电偶四大基本定律：①均质材料定律：一种材料组成的闭合回路不会产生热电动势②中间导体定律：插入第三种（多种），只要插入材料的两端温度相同，就不会使热电偶的热电动势发生变化③中间温度定律：EAB (t,t)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t)④标准电极定律:EAB (t,t)=EAC(t,t)-EBC(t,t)对热电极材料的要求：①测量结果不随时间变化②足够的物理化学稳定性③热电动势应尽可能大并与温度成单值线性或近似于线性关系④电阻温度系数小，电导率高⑤材料复制性好，制造简单，价格便宜33 1.在光线的作用下能使电子溢出物质表面的称为外光电效应，有光电2.在光线作用下使物体电阻率改变的称为内光电效应，有光敏电阻和由光敏电阻制成的光导管等；3.在光线作用下使物体产生一定方向电动势的称为光生伏特效应，有光电池和光敏晶体管等。
34、霍尔传感器：利用半导体的霍尔效应进行测量的传感器35、温标：用来度量温度高低的尺度称为温度标尺，简称温标，它规定了温度的零点和基本361)接触式温度计则无此问题。
2）接触式温度计感温元件与被测物体达到热平衡需要一定时间，所以产生的时间滞后比较大；非接触式温度计直接测量被测物体的热辐射，响应速度较快。
3）由于感温元件难以承受很高的温度，所以接触式温度计测量高温时受到限制，非接触式温度计则无此问题。
4）由于低温时物体热辐射很小，所以非接触式温度计不适合测量低温。
5）一般来说，接触式温度计的测量精度比非接触式温度计高。
37、（1）膨胀式温度计：利用物质体积随温度升高而膨胀的特性制作的温度计。
具体有三种：玻璃管液体温度计、压力式温度计、双金属温度计。
玻璃管液体温度计：常用水银温度计，水银不粘玻璃，不易氧化，在相当大的温度范围内（-38~356℃）保持液体，在200℃以下，膨胀系数几乎与温度呈线性关系，所以可做精密标准温度计。
使用玻璃管温度计注意两个问题：①零点漂移②露出液柱校正压力式温度计：基于密闭系统内的气体或液体受热后压力变化的原理而制成，由温包、毛细管和弹簧管组成。
双金属温度计：线膨胀系数不同的两金属构成的金属片作为感温元件，当温度变化时，由于两种金属的线膨胀系数不同，双金属片就产生与被测温度大小成比例的变形，这种变形通过相应的传动机构由指针指示出温度数值，分为螺旋形和盘形双金属温度计两种。
（2）热电阻温度计：利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的特性制成。
（3）热电偶温度计：利用热电效应而制成的感温元件（见热电偶传感器）。
（4）温度计的校验①热电阻温度计的校验：a、比较法 b、两点法。
（5）接触式温度计的感温元件正确反映物体温度，必须满足的两个条件：①热力平衡条件，使感温元件与被测对象组成孤立的热力学系统，并经历足够的时间，使两者完全达到热平衡。
②当被测对象温度变化时，感温元件的温度能实时的跟着变化，即使传感器的热容和热阻为零（6）造成温度计时滞的两个因素：①感温元件的热惯性②指示仪表的机械惯性。
38、非接触式温度计：基于热辐射原理。
39、气体温度计：常用于测量热力学温度。
根据热力学原理，理想气体的状态方程pV=nRT，用理想气体温度计测出的温度就是热力学温度。
气体温度计分为三种：定容气体温度计、定压气体温度计、测温泡定温气体温度计。
40、压力——流体对单位面积上的垂直作用力，即压强。
绝对压力：以完全真空作为仪表上指示的压力，其数值为绝对压力减当地大气压；绝对压力=表压力+当地大气压常用单位有Pa（帕）、at（工程大气压）、atm（毫米汞柱）1bar=1×105 Pa；1atm=101325 Pa；1at= Pa；1mmHg= Pa；1mmHO= Pa2压力测量方法：重力与被测压力的平衡法；弹性力与被测压力的平衡法；利用物质某些与压力有关的物理性质进行测压41、液柱式测压仪表：利用工作液（又称封液，常用的有水、酒精、水银）的液柱重力与被测压力平衡，根据液柱高度确定被测压力大小的压力计。
①U型管压力计②单管压力计③斜管微压计（1）液柱式压力计的测量误差及修正A、环境温度变化的影响：环境温度偏离规定20℃时的修正公式B、重力加速度变化的影响C、毛细现象的影响：封液引起的误差，误差大小取决于封液种类、温度、管径等，实际中，可以加大管径减小毛细现象，封液为酒精时，管内径d≥3mm；水或水银则≥8mmD、水和酒精读数，应与凹面持平；水银与凸面持平（2）弹性测压仪表：弹簧管压力计、膜式压力计（膜片和膜盒两种）、波纹管式压差计（单波纹管和双波纹管两种）（3）弹簧管压力计（属于弹性测压仪表）：由弹簧管、齿轮传动机构、指针和刻度盘组成；弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形，是一根空心金属管，其一端封闭为自由端，另一端固定在仪表的外壳上，并用与被测介质相通的管接头联接。
原理：当具有压力的介质进入管内腔后，在压力的作用下，弹簧管会发生变形，由于椭圆形短轴方向的内表面积比长轴方向大，因此受力也大，管子截面趋于变圆，产生弹性变形，使弯成圆弧状的弹簧管向外伸张，在自由端产生位移，通过拉杆带动齿轮传动机构，使指针相对于刻度盘转动。
当变形引起的弹性力与被测压力平衡时，变形停止，指针指示出被测压力值。
为了提高弹簧管的灵敏度，可采用螺旋形弹簧形（回形）弹簧管。
齿轮传动机构的作用是把自由端的位移转换成指针（4）弹性压力计（弹性测压仪表）误差分析：①迟滞误差（主要原因），同一元件在相同压力下正反行程的变形量不一样，而且元件变形远远落后于压力的变化，可采用迟滞误差极小的全弹性材料，如熔炼石英；②温度误差，仪表精度标定是在标准温度下进行的，当使用环境的温度偏离标准温度很多时，弹性元件的弹性模量会产生变化，因而误差，可采用恒弹性材料做弹性元件，如合金Ni42CrTi等；间隙和摩擦误差，传动系统机构间的间隙和摩擦阻力或仪表安装不当会引起附加误差，可采用新传动技术，减小或取消中间传动机构，如采用电阻应变转换技术，还可以采用无感摩擦弹性支承或磁悬浮支承。