热能与动力工程测试技术 复习.docx
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热能与动力工程测试技术复习
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——————来自15级中北某不知名王姓学长
0、测试技术基本概念
1.测试技术的基本任务——获取信息
2.测试过程包括：
⑴信息的提取
⑵信息转换存储与传输
⑶信息的显示和记录
⑷信号的处理与分析
3.测试技术是测量和实验技术的统称。
4.量值：
量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。
量值的数值就是被测量与计量单位之比值
5.量纲：
代表一个实体的确定特征。
量纲单位是该实体的量化基础。
6.辅助单位：
弧度和立体角的单位——球面度未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。
7.测量：
是指以确定被测量对象的量值为目的而进行的实验过程。
8.计量：
如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。
9.测试：
是指具有实验性质的测量，或测量和试验的综合。
10.基准是用来保存、复现计量单位的计量器具。
标准是指用于检定工作计量器具的计量器具。
11.量值的传递
通过对计量器具实施检定或校准，将国际基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。
12.计量器具检定：
计量器具检定是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。
一、绪论
A、测试技术
1.概念：
测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。
2.应用：
其主要运用在工程研究、产品开发、质量监控、性能试验等领域。
3.发展：
随着科学的进步，测试技术也向着测试自动化，测试元件微型化，测试参数的先进化，测试高精度化的方向发展。
B、测量
1概念：
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。
2.分类：
（1）常用的测量方法有直接测量、间接测量、组合测量。
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。
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。
（2）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。
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。
（3）按照被测参数的数值或者变化规律的表现形式是否“可数”，将测量系统分为模拟测量和数字测量。
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。
模拟测量与数字测量的特点：
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。
C、测量仪器
1.组成：
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。
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。
在形式上可以分为指示式仪器和记录式仪器。
2.分类：
测量仪器按用途可分：
范型仪器和实用仪器。
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。
实用仪器：
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.
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。
3.性能指标：
测量仪器的性能指标决定了所得测量结果的可靠程度，其中主要有：
精确度恒定度灵敏度灵敏度阻滞指示滞后时间
（1）精准度：
概念：
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映。
表示：
仪器的指示值接近于被测量实际值的准确程度，通常以“允许误差”大小表示。
允许误差：
仪器读数允许的最大绝对误差折合为该仪器量程的百分数，即：
精确度的表示方法：
测量仪器采用允许误差来表示仪器精确度的级别。
工程用仪器0.5～4级；试验室用仪器0.2～0.5级；范型仪器0.2级以上。
测试仪器的选用：
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：
概念：
仪器多次重复测量时，其指示值稳定的程度，称为恒定度。
表示：
通常以读数的变差来表示。
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。
要求：
选用仪器时，仪器的读数的变差不应超过仪器的允许误差。
（3）灵敏度
概念：
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。
举例：
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
概念：
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。
表示：
在数字测量系统中常用分辨率来表示灵敏度阻滞
（5）指示滞后时间
概念：
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。
原因：
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。
二、测量系统的基本特性
1.测量系统及其与输入、输出的关系
2.测量系统静态、动态特性的评价
3.特性参数的测定方法
4.测量系统的频率响应函数的物理意义
5.测量系统在标准信号输入下的系统响应
6.正确地选用仪器设备来组成合理的测量系统。
重点、难点：
1.测量系统的传递函数与频率响应函数的定义
2.一、二阶系统对典型输入的响应
3.测量系统动态特性的标定。
测量系统
1.概念：
测量系统是指由有关器件、仪器和装置有机组合而成的具有定量获取某种未知信息之功能的整体。
x（t）和y（t）分别表示输入与输出量，h（t）表示系统的传递特性。
2.基本要求：
理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入-输出关系。
对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。
知道其中一个量就可以确定另一个量。
其中以输出和输入成线性关系最佳。
3.线性系统（时域描述）：
概念：
系统输入x（t）和输出y（t）间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：
一般在工程中使用的测试系统都是线性系统。
性质：
（1）叠加性
系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即
若 x1（t）→y1（t），x2（t）→y2（t）
则 x1（t）±x2（t）→y1（t）±y2（t）
（2）比例性
常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即:
若 x（t）→y（t）
则 kx（t）→ky（t）
（3）微分性
系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即
若x（t）→y（t）
则
（4）积分性
当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即
若x（t）→y（t）
则
（5）频率保持性
若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即若x（t）=Acos（ωt+φx）则 y（t）=Bcos（ωt+φy）
线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。
4.测量系统的静态特性
概念：
如果测量系统的输入和输出不随时间变化或变化极慢时称为静态特性。
输入输出特性：
微分方程式（2.1）中输入和输出的各阶导数均为零，于是,有
测量系统静态特性的主要参数：
灵敏度、线性度、回程误差、量程、精确度、
分辨力、重复性、漂移、稳定性等
（1）灵敏度S
概念：
单位输入变化所引起的输出的变化称为灵敏度,通常用输出量与输入量的变化量之比来表示。
线性S为常量非线性为
灵敏度反映了测量系统对输入信号变化的一种反应能力，是有量纲的。
（2）线性度：
概念：
通常也称为非线性误差，是指测量系统的实际输入输出特性曲线对于参考线性输入输出特性的接近或偏离程度
表示：
用实际输入－输出特性曲线对参考线性输入－输出特性曲线的最大偏差量与满量程的百分比来表示。
即
（3）回程误差
概念：
亦称迟滞，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致的程度。
显然,越小,迟滞性能越好。
（4）量程
概念：
量程指测试装置允许测量的输入量的上、下极限值。
过载：
输入超过允许承受的最大值时，称为过载。
过载能力通常用一个允许的最大值或者用满量程值的百分数来表示。
（5）精确度
概念：
精确度指测量仪器的指示值和被测量真值的接近程度。
影响因素：
精确度是受诸如非线性、迟滞、温度变化、漂移等一系列因素的影响，反映测量中各类误差的综合。
（6）分辨力
概念：
分辨力是指测量系统所能检测出来的输入量的最小变化量
表示：
通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。
一个测量系统的分辨力越高，表示它所能检测出的输入量的最小变化量值越小。
（7）重复性
概念：
表示测量系统在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次（三次以上）测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度。
表示：
用正、反行程最大偏差与满量程输出的百分比来表示，即
（9）漂移
概念：
外界干扰下，输出量发生与输入量无关的变化。
有时间漂移（时漂）、温度漂移（温漂）、零点漂移、灵敏度漂移等。
（10）稳定性
概念：
稳定性表示测试装置在一个较长时间内保持其性能参数的能力。
也就是在规定的条件下，测量装置的输出特性随时间的推移而保持不变的能力。
5.测量系统动态特性
研究动态特性意义：
通过研究测量仪器的动态特性，使测量的动态误差限制在试验要求允许范围内。
（研究动态测量时所产生的动态误差，主要用以描述在动态测量过程中输出量和输入量之间的关系。
）
传递函数：
传递函数是指用输出信号对输入信号之比来表示信号间的传递关系，（传递函数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，不同的系统可以有相似的传递函数。
）（往往把传递函数称为传感器频率的响应函数，简称为频率响应式动态特性。
）
频率响应：
是测量系统对正弦输入信号的稳态响应。
（举例：
在研究动态测量时，最重要的一种情况是对正弦输入的动态响应，也就是当测量系统输入信号为x＝Asinωt时，其系统的响应），
*仪器动态特性分析
测量仪器的动态特性通常采用常系数线性常微分方程来描述，其输入量x和输出量y之间的关系：
式中:
y为输出量；x为输入量；t为时间；数组a0，a1，…，an与b0，b1，…，bm为常数。
（1）零阶仪器
定义：
在方程中除a0、b0外，所有a、b系数都假设为零。
y=（b0/a0）×x=S×x S为静态灵敏度
特点：
不管x随时间如何变化，仪器输出不受干扰也没有时间
滞后，因此零阶仪器（或传感器）可以认为有完全理想的特性。
（2）一阶仪器
为测量系统的时间常数；
为测量系统的稳态灵敏度（线性系统中k取常数1）
根本非线性特性：
有些测量系统的非线性程度很明显，即使限制在较小的测量范围内，亦不能使范围误差减小到允许的量值，这种特性称为根本非线性特性。
（一阶二阶仪器）
定义：
a2，b1及以上的系数均为0拉普拉斯变换
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。
（1）频率响应
当测量系统输入为x=Asinωt的正弦信号时，系统的稳态响应。
输出信号开始有一段非正弦波的过渡响应阶段，由于系统的阻尼随时间增长而衰减并逐步消失，输出信号逐渐接近正弦波信号，其后进入稳态阶段，这时输出波形为稳态正弦信号y=Bsin（ωt+φ）。
幅频特性：
输出量与输入量的幅值比B/A随信号频率的变化关系称为幅频特性
相频特性：
相位差φ随输入信号频率的变化关系称为相频特性。
阶测量系统的幅频特性和相频特性在时间常数τ确定后随之确定，且τ越小
，频率响应特性越好。
当ω＝0时，|H（iω）|才等于l。
这说明输出和输入相等，即仪器能真实反映被测量。
当ω＞0时，|H（iω）|即传感器输出值比输入幅值要小倍
这是因为传感器本身的时间常数τ和被测量频率变化引起了误差。
这种误差称为动态误差，它随τ和ω而变化。
动态误差：
因为传感器本身的时间常数τ和被测量频率变化引起了误差。
三、测量误差分析及处理
1.误差来源：
由于人们的观察能力、测量仪器、测量方法、环境条件等因素的影响，真值是无法得到的。
2.定义：
测量值与真值之差称为误差。
误差可以用绝对误差和相对误差来表示。
3.误差分类
按照产生误差因素的出现规律以及它们对于测量结果的影响程序来区分，可将测量误差分为三类。
（1）系统误差:
在测量过程中，出现某些规律性的以及影响程度由确定的因素所引起的误差，称为系统误差。
（2）随机（偶然）误差:
随机误差是由许多未知的或微小的因素综合影响的结果。
这些因素出现与否以及它们的影响程度都是难以确定的。
（3）过失误差:
过失误差是一种显然与事实不符的误差，它主要由于测量者粗枝大叶、过度疲劳或操作不正确等引起，例如读错刻度值、记录错误、计算错误等。
系统误差
（1）分类：
具体的测量过程中，系统误差按其产生的原因可分为；
①仪器误差:
它是由于测量仪器本身不完善或老化所产生的误差。
②安装误差:
它是由于测量仪器安装和使用不正确而产生的误差。
③环境误差:
它是由于测量仪器使用环境条件，如温度、湿度、电磁场等与仪器使用规定的条件不符而引起的误差。
具体的测量过程中，系统误差按其产生的原因可分为；
①方法误差:
这是由于测量方法或计算方法不当所形成的误差，或是由于测量和计算所依据的理论本身不完善等原因而导致的误差。
有时也可能是由于对被测量定义不明确而形成的理论误差。
②操作误差:
也称人为误差。
这是由于观察者先天缺陷或观察位置不对或操作错误而产生的误差
③动态误差:
在测量迅变量时，由于仪器指示系统的自振频率、阻尼以及与被测瞬变量之间的关系而产生的振幅和相位误差。
（2）特点：
当系统误差与随机误差同时存在时，多次重复测量中系统误差为固定值，而随机误差在系统误差两侧正态分布。
（3）消除产生系统误差的根源
测量前应对测量过程中可能产生系统误差的环节作详细分析，选择和调整测量仪器，严格按测量仪器要求的使用环境安装仪器，测量人员应有较高的素质并严格按操作规程使用测量仪器。
（4）用修正的方法消除系统误差
这种方法是预先将测量仪器的系统误差检定或计算出来，制作误差曲线（校正曲线）或误差表，然后取与误差数值大小相同而符号相反的值作为修正值，将实测值加上相应的修正值，即可得到不包含系统误差的测量结果。
但由于修正值本身也会有误差，因而不可能完全修正系统误差，会残留少量系统误差，这种残留系统误差可按随机误差处理
（5）消除系统误差的具体方法：
1.交换抵消法 将测量中某些条件（如被测物的位置等）相互交换，使产生系统误差的原因相互抵消。
2.替代消除法 在一定测量条件下，用一个精度较高的已知量，在测量系统中取代被测量，而使测量仪器的指示值保持不变。
此时，被测量即等于该已知量。
3.预检法 可将测量仪器与较高精度的基准仪器对同一物理量进行多次重复测量。
设测量仪器读数的平均值为L，基准仪器读数的平均值为L0则差值L-L0可以看作为测量仪器在对该物理量测量时的系统误差。
测出系统误差值就可对测量值进行修正。
（6）系统误差的综合方法
①代数综合法
如果能够估计出各系统误差分量的大小和符号，可采用各分量的代数和求得总系统误差绝对误差Δ,相对误差δ。
（有正有负）
②算术综合法
只能估算出各个系统误差分量的大小，而不能确定其符号时，则可采用最保守的合成方法，即将各分量的绝对值相加。
（都算正的）
③几何综合法
当误差分量较多时，各分量最大误差同时出现的概率是不大的，且它们之间还会互相抵消一部分，此时用几何综合法（方和根法）较为合适，即 各分量的算术平方根。
随机误差
1.四个特性
（1）单峰性 概率密度的峰值只出现在零误差附近。
绝对值小的误差出现的概率密度大；反之，绝对值大的误差出现的概率密度小。
（2）对称性 符号相反但绝对值相等的随机误差出现的概率相等
（3）有限性在一定测量条件下，误差的绝对值一般不超出一定范围。
（4）抵偿性由随机误差的对称性可以推论出：
当n趋于无穷大时，即由于正负误差的互相抵消，一列等精度测量中各个误差的代数和趋于零。
特点：
σ值越小，曲线形状越尖锐，这意味着小误差出现的概率大。
可以用标准误差来表征测2.量的精度。
即σ越小测量精度越高，反之测量精度低。
3.极限误差：
可得:
｜Δ｜>3σ的概率仅为0.27％，则可认为超出±3σ的误差将不属于随机误差而为系统误差或过失误差。
因此，常把Δ＝±3σ作为极限误差，
4.最佳值：
概念：
只是对被测量在进行有限次等精度测量后，从有限个带有误差的测量值中求出最接近真值的值，我们称之为最佳值。
获取方法：
取得测量结果最佳值方法是最小二乘法原理。
最小二乘法的原理即是在具有同一精度的许多观测值中，最佳值应是能使各观测值的误差的平方和为最小。
直接测量误差计算间接测量误差计算
间接测量误差计算
三-2、正交实验设计回归分析
1.一个良好的试验方案包括设计、试验和分析三个部分，其中试验设计是确保获得可靠试验结果的基础
2.试验设计包括处理因素、受试对象和处理效应三个基本要素，
3.正交试验设计法优点：
所有因子和水平在试验过程中均匀分配，试验点具有代表性，且又能减少试验次数。
4.正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。
5.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。
6.水平：
每个因子在考察范围内分成若干个等级（变化量），将等级称为水平。
7.正交表分为标准表和混合型正交表。
其中含义如下,以
为例，25表示行的数目,即试验次数;5表示因子的水平数;6表示列的数目,即最多能安排的因子。
8.其中含义如下
为例，12表示行的数目,即试验次数;3表示有1列是三水平的,
表示有4列是二水平的。
***在行数为mn型的正交表中（m，n为正整数），则试验次数（行数）＝∑（每列水平数-1）+l。
***行数为非mn型的正交表中，试验次数（行数）≥∑（每列水平数-1）+1。
9.正交试验设计包括试验方案设计和试验结果分析，注意正交表的设计方法：
正交性、代表性和综合可比性。
试验结果分析主要包括极差分析和方差分析。
正交试验设计的目的是获得最优试验方案。
10.因变量与自变量有两种关系函数关系和相关关系
11.利用回归分析建立试验数据的经验公式有许多方法，其中以最小二乘法为最优级
12.R的绝对值越近于1，则回归直线与试验数据点拟合得越好。
四、传感器的基本类型及其工作原理
1.电测法的优点
（1）易于实现集中检测、控制和远距离测量。
（2）响应速度快，可以测量瞬态值及动态过程。
（3）传感器提供了被研究对象的测量、调节和控制设备之间最方便可靠的联系方式，因而使热能与动力工程测试的连续测量、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进行长距离传输。
（5）电信号易于和计算机等进行连接，记录和处理数据方便。
2.热能与动力机械测试技术发展的特点与趋向，是普遍采用电测仪表测定非电量。
3.非电量电测系统一般由传感器、测量电路、记录和显示或处理装置三部分组成
4.传感器
（1）定义：
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出，满足信息的传输、存储、显示、记录和控制要求。
从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
）
（2）构成：
传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。
敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。
辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
（3）分类
按被测物理量分类:
位移,力,温度等传感器。
按工作的物理基础分类:
械式,电气式,光学式,流体式等传感器。
按信号变换特征:
物性型,结构型传感器。
物性型:
依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.
例如:
水银温度计,压电测力计.
结构型:
依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.
例如:
电容式和电感式传感器.
按敏感元件与被测对象之间的能量关系:
能量转换型和能量控制型传感器。
能量转换型:
直接由被测对象输入能量使其工作.
例如:
热电偶温度计,压电式加速度计.
能量控制型:
从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.
例如:
电阻应变片.
传感器通常根据其类型以及所测参数的含义来命名，如电容式压力计，压电式加速度计，磁电式测振计，光电式转速表。
（5）特性（静态动态）
静态特性：
是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力等。
动态特性 ：
是指传感器在输入动态参数时，它的输出特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
测定动态特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种。
5.电阻式传感器
原理：
匀质导体中，电阻R与其长度l成正比。
那么长度变化的测量就可以转换成电阻变化的测量，根据这个原理，可制成以下传感器：
电位计式、金属应变式等传感器。
.电位计式传感器
优点：
结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响小；可以实现输出-输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。
缺点：
因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较
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