热工测试技术A4纸缩小版

第二章测量系统的动态特性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稳定状态时，其输出信号的跟踪能力//由于测量系统均存在着惯性和阻尼，因此系统输出与输入之间存在着延时和失真，形成了动态误差//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所产生的动态误差，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//传递函数是输出信号与输入信号之比//零阶测量系统：错误!未找到引用源。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//一阶测量系统：错误!未找到引用源。//对于低阶测量系统或输入简单的瞬变信号，其系统的动态响应是在时域中用来描述系统的动态特性；而当输入为一系列不同频率的正弦信号时，其相应的输出称为频率响应，而频率响应是在频域中用来描述系统的动态特性//二阶测量系统的阶跃响应：当ξ1时：无过冲，无震荡，过阻尼曲线上升慢，响应速度低。ξ越大，响应越慢。当ξ1时：产生衰减震荡欠阻尼，曲线上升快，响应速度高。当ξ=1时：临界阻尼//在0＜ξ≤0.8条件下，允许误差范围为±0.2%和±5%，稳定时间为ts=4.5/(ξn)ts=3.5/(ξn)//幅频特性：输出量与输入量的幅值比随输入信号频率的变化关系//相频特性：相位差随输入信号频率的变化关系//测量系统的动态标定是指用实验的方法来测量仪器的动态特性//标定方法：1频率响应法：输入正弦信号来测定动态响应。2阶跃响应法：3随机信号法://第三章测量误差分析及处理误差的分类: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(可以消除)//分类：（1）仪器误差（2）环境误差（3）理论误差和方法误差（4）人为误差:观察者先天缺陷或观察位置不合适而产生的误差（5）测量对象变化误差//系统误差的特征：恒值系统误差；变值系统误差//2随机（偶然）误差：由许多未知的或微小的因素综合影响的结果//分类：(1)正态分布（2）非正态分布//3过失误差：由于测量者在测量过程中的过失而产生的明显偏离真值的误差//精密度：表明测量结果的分散程度//随机误差较小，系统误差大，精密度比较高//准确度：表明测量结果偏离真值的程度//系统误差较小，随机误差较大，准确度较高//精确度：反应测量中系统误差与随机误差综合影响程度//系统误差与随机误差都比较小，精确度比较高//消除系统误差的方法：1.消除产生系统误差的根源2.用修正方法消除系统误差//常用消除系统误差的具体方法:1采用“交换抵消法”2采用“代替法”3采用“预检法”//系统误差的综合:为了估计这n个误差分量对测量值A的综合影响，就需要对系统误差进行综合//代数综合法:绝对误差：in21相对误差：in21//算术综合法:绝对误差：in21//几何综合法:绝对误差：222221in//随机误差的四个特征：单峰性：随机误差概率密度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；绝对值大的误差出现的概率密度小。对称性：符号相反绝对值相等的随机误差出现的概率相等。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。抵偿性：由随机误差的对称性可以推论，当n时，0i，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//随机误差为Δ时的概率密度22221ey，标准误差(或称均方根误差)ni2σ越小，曲线越尖锐，小误差出现的概率越大。因此可用标准误差表征测量精度，σ越小，测量精度越高//极限误差：3lim//对被测量在进行有限次等精度测量后，从有限个带有随机误差的测量值求出最接近真值A的值(称最佳值或最可信赖值)//最小二乘法的基本原理是：在具有统一精度的许多观测值中，最佳值就是能使各观测值的误差的平方和为最小//可以证明，无限多次数的等精度测量的算术平均值最接近于真值，为最佳值//误差Δ：观测值与真值A之差；偏差v:观测值与平均值L之差//算术平均值的标准误差S:1ˆ12nnvnSnii//算术平均值L的标准误差S等于算术平均值L对真值A的绝对误差λ:S=λ//算术平均值的极限误差S3lim//相对误差：误差值与被测值之比。绝对误差=测量值-真值//相对极限误差：算术平均值的极限误差与算术平均值之比：%100limlimL//测量结果的表示SL3lim//莱依特准则：在一组测量数值中，若某一数据li与该组数据的算术平均值L之差vi大于三倍该组数据的标准误差时，认为vi为过失误差，li为坏值，应予以剔除。ˆ3Llvii，当n有限时，尤其在n≤10的情况下，此准则就不可靠//格拉布斯准则——适用于n较小时坏值的判别。根据一列n次等精度测量值l1,l2,…,ln，计算出算术平均值L和标准误差，然后计算最大的格拉布斯准则T数：ˆˆLlvTiili，选择一个显著水平(或称危险率)α，再根据测量次数n，在格拉布斯准则数T(n,α)表中查出相应的T(n,α)值。判别Tli是否大于T(n,α)，若Tli≥T(n,α)，则可认为li中含有粗大误差，测量值li为坏值，应予以剔除//直接测量误差的计算：计算li的平均值L；计算li的偏差vi=li-L；计算均方根误差和极限误差：1ˆ2nvi，ˆ3lim//计算算术平均值的均方根误差和极限误差：nS/ˆ，S3lim//计算算术平均值的相对极限误差：%100/limlimL//得出被测量的值：limL，limL//检查vi=li–L中是否有大于极限误差Δlim的值，如有，应将该次测量看作为差错予以剔除，然后按上述步骤重新计算；或按格拉布斯法剔除可疑测量值，再按上述步骤重新计算//“权”表示在非等精度测量中评价测量结果质量的标志，当若干次测量结果进行比较时，“权”的数值越大，则该测量结果的可信赖度越高//多参数多次测量时，间接测量误差的计算//间接测量量的最佳值：,,,wzxyLLLfL算术平均值的标准误差：222222wzxySwySzySxyS算术平均值的极限误差：yyS3lim算术平均值的相对误差2lim2lim2limlimlimwzxyyL//第四章传感器的基本类型及其工作原理与机械测量法相比，电测法具有以下突出优点：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称为可能；4测量的准确度和灵敏度高，可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//传感器定义：广义：借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。狭义：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//传感器分类:按被测物理量：压力、速度、温度、光、声。按测量原理：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式等。按输出信号的性质：模拟式和数字式。按有无外加电源：有源式和无源式。按使用的敏感材料：半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器//第二节：电阻式传感器工作原理：把物理量的变化转换为敏感元件电阻值的变化，再经相应电路处理，转换成电信号输出。分类（依据工作原理）：金属应变式、半导体压阻式、电位计式、气敏式、湿敏式、热敏式、光敏式等//（一）金属应变式传感器基本原理：基于金属的电阻应变效应//应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象//金属应变片长度l，表面积A，电阻率ρ，则电阻R=Lρ/A，则电阻的变化率可用下式表示：错误!未找到引用源。k为常数，为金属材料的灵敏度系数，物理意义是单位应变的电阻变化率。金属应变片的电阻变化率与线应变ε呈线性关系。这就是电阻应变片测量应变的理论基础//应变片的结构：基底，敏感栅（核心部分感受被测构件的变形，并转换成电阻的变化），覆盖层（和基底一起固定和保护敏感栅），引出线（从敏感栅引出信号）//实际使用中,温度变化会使应变片电阻发生变化，由此带来的误差称为温度误差//产生温度误差的原因：1、因温度变化引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形。2、因试件材料与敏感栅的线胀系数不同，从而使应变片产生附加应变//温度补偿方法：桥路补偿，应变片自补偿//（二）半导体压阻式传感器工作原理：利用压阻效应在半导体材料的基片（又称膜片）上经扩散电阻而制成的传感器。基片作为测量敏感元件，扩散电阻在其内组成电桥，当基片受力作用产生变形时，电阻值发生变化，电桥产生相应的不平衡输出//半导体压阻式传感器的优点：灵敏度高，比应变片高50～100倍；固有频率高，响应快；结构简单，可实现微型化；精度高//压阻式传感器的缺点:电阻和灵敏度系数的热稳定性差，因此其线性和滞后误差变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿，以消除由温度引起的零点漂移和虚假信号//（三）电位计式传感器（测位移）//(四)气敏传感器定义：半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测待定气体的成分的传感器称为气敏传感器//原理根据检测目的不同，气敏传感器可分为检测气体种类的气敏传感器和检测气体量的真空度传感器，氧化锡（SnO2)和氧化锌（Zno)等较难还原的金属氧化物半导体接触气体时，在较低温度时产生吸附效应，从而使半导体的表面电位及电导率等发生变化。由于半导体与气体之间的相互作用仅限于半导体元件的表面，故称为表面型半导体传感器。磁铁性的三氧化二铁等较易还原的氧化物半导体接触到低温下的气体时，半导体材料内的晶格缺陷将发生变化，从而使半导体的电导率发生变化，这种传感器称为体型半导体传感器//半导体气敏传感器还可分为电阻式和非电阻式气敏传感器。当半导体接触气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用电阻值的变化来测定气体参数的传感器称为电阻式半导体气敏传感器。当MOS管或金属半导体结构二极管接触到气体时，场效应管的阈值电压及结型二极管的整流特性将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器为非电阻式半导体气敏传感器（五）湿敏电阻传感器有些材料的电阻值会随空气湿度的变化而变化，利用这种原理制成的传感器称为湿敏电阻传感器工作原理：在吸湿元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态会发生变化，从而使湿敏电阻器件的电阻值随湿气的吸附与脱附而变化。几种常用的湿敏电阻传感器1）氯化锂湿敏电阻传感器2）氧化物湿敏传感器3）镍铁氧体湿敏传感器//电感式传感器工作原理：建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈电感量变化的传感器。分类（按变换方式）：自感型、互感型//自感型（a)变气缝式b)变截面式(c)螺管式自感式电感传感器由铁芯、衔铁和线圈等组成，被测物体带动可动衔铁时就会引起电感变化a）变气缝式电感传感器：根据电工学理论，线圈的自感量L为：22002mNANLR其中：N—线圈的匝数；Rm—磁路总磁阻；μ0—空气磁导率；A0—空气隙导磁横截面积δ—气隙厚度。b）变截面式电感传感器（c）螺管式电感传感器原理：基于线圈泄露路径中的磁阻变化。线圈的电感与衔铁伸入的深度在较大范围内呈线性关系互感型电感式传感器//传感器利用电磁感应中的互感现象，当线圈W1中输入交流电流i1时，线圈W2中产生感应电动势e12，其大小与电流i1的变化率成正。测量原理：将被测量转换成线圈互感的变化。当一侧线圈接入稳定交流电源，另一侧线圈感应产生一输出电