先進熱動力測試技術AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目錄PAGEDIRECTORY緒論1測量技術的基本知識2誤差分析與測量不確定度3溫度測量4壓力測量5流量測量7液位測量8氣體成分及顆粒物測量9轉速、轉矩及功率測量10振動與噪聲測量11流速測量6先進測試技術發展12測量技術的基本知識測量方法測量系統測量系統的靜態特性測量系統的動態特性02第二章第一節測量方法一、測量方法的分類1、直接測量使被測量直接與標準量進行比較，或者用預先標定好的測量儀表進行測量，從而直接求得被測量數值的測量方法。例：用壓力表測量容器內介質壓力，用溫度計測量介質溫度。2、間接測量通過直接測量與被測量有確定函數關系的其他各個變量，然后將所得的數值代入函數關系（可以是公式、曲線、表格）進行計算，從而得被測量數值的方法。例：用測壓管測出管道中流體動壓值，從而計算出管道中流體的流速與流量；直接測量電壓U和電流I，根據P=UI間接得到功率。用熱電偶測溫時，得到的是熱電動勢（mV），通過查表，得到對應的溫度值。第一節測量方法一、測量方法的分類3、組合測量測量中使各個未知量以不同的組合形式出現（或改變測量條件以獲得這種不同的組合），根據直接測量或間接測量所獲得的數據，通過求解聯立方程組以獲得未知量的數值。例：鉑熱電阻溫度傳感器的電阻值與溫度關系：式中，Rt、R0—溫度為t°C和0°C時鉑電阻電阻值，Ω；A、B—鉑電阻常數，單位分別為°C?1、°C?2。為確定系數A、B，首先需要測定鉑電阻在不同溫度下的電阻值，然后再建立聯立方程組求解，得到A、B的數值。為提高測量精度，還可以增加多組溫度和電阻值的測量組合，采用最小二乘法確定A、B的數值。第一節測量方法二、其他的測量方法分類方式1、按測量方式分類偏差式測量法、零位式測量法、微差式測量法定義：（又稱零示法、平衡式測量法），用被測量與標準量相比較，用指零儀表（零示器）指示被測量與標準量相等（平衡），從而獲得被測量例：壓力表測量壓力，水銀溫度計測量溫度。優點：簡單方便；缺點：測量誤差大。第一節測量方法二、其他的測量方法分類方式1、按測量方式分類偏差式測量法、零位式測量法、微差式測量法定義：在測量過程中，用儀器儀表指針的位移（偏差）表示被測量大小的測量方法。例：利用惠斯登電橋測量電阻。優點：測量誤差小。缺點：需要反復調節，測量速度較慢。第一節測量方法二、其他的測量方法分類方式1、按測量方式分類偏差式測量法、零位式測量法、微差式測量法定義：偏差式測量法和零位式測量法相結合，構成微差式測量法。它通過測量待測量與標準量之差（通常該差值很小）來得到待測量量值。優點：兼有偏差式測量法的測量速度快和零位式測量法測量準確度高的優點。待測量x標準測量sP差值δ第一節測量方法二、其他的測量方法分類方式2、其他分類方法按測量敏感元件是否與被測介質接觸分類：接觸式測量法、非接觸式測量法按被測對象參數變化快慢分類：靜態（穩態）測量、動態（非穩態）測量按測量系統是否向被測對象施加能量分類：主動式測量法、被動式測量法被測量量值存在空間分布的特性時：單點測量、分布測量（多點或掃描測量）接觸式測量法非接觸式測量法第一節測量方法二、其他的測量方法分類方式2、其他分類方法按測量對象是否需要實時處理分類：在線測量、離線測量按對測量精度的要求分類：精密測量、工程測量按測量時測量者對測量過程的干預程度分類：本地（原位）測量、遠地測量（遙測）按測量條件是否相同分類：等精度測量、非等精度測量第一節測量方法二、其他的測量方法分類方式2、其他分類方法水情自動測報系統機房智能環境監控管理系統森林防火指揮調度系統能源與動力學院測量技術的基本知識測量方法測量系統測量系統的靜態特性測量系統的動態特性02第二章第二節測量系統

一、測量系統的組成對任何一個測量系統都是由若干具有一定基本功能的測量環節組成的。環節：指建立輸出與輸入量之間某種函數關系的一個基本部件。測量系統中的測量設備（環節）由合適的傳感器（或測量器具）、信號調理單元、信號分析處理單元及結果顯示和記錄單元等部件。測量系統的組成框圖第二節測量系統

一、測量系統的組成CEMS（Continuousemissionmonitoringsystem）是煙氣連續排放監測系統的英文縮寫，即污染源排放連續監測系統。煙氣連續排放監測系統第二節測量系統

二、測量環節的功能1、傳感器（敏感元件，一次儀表）傳感器一般是由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成的，如圖2–2所示。傳感器的功能是以一定的精確度將被測量（物理量、生物量、化學量）轉化為與之有確定關系的便于處理應用的某種物理量（電量、光學量）的器件或裝置（測頭）。理想傳感器應該滿足的要求：應該只對被測量的變化敏感，采用線路補償提高選擇性輸入輸出之間應該有穩定的單值函數傳感器不干擾或盡量少干擾被測介質的狀態第二節測量系統

二、測量環節的功能2、信號調理單元將傳感器所得的信號進行放大、濾波、調制和解調等處理，轉變為適合傳輸或后續處理的信號，以便更好地滿足下一級標準部件或設備對信號特性的要求。常見的功能：增加信號的幅值、能量，轉換信號的形式（如脈沖、微分、積分、模/數轉換、數/模轉換等），傳輸信號（遙感、遙測、分布式測量等），濾除噪聲（選擇性濾波、剔除各種干擾信號）等功能。3、信號分析處理單元將調理后的信號送入計算機或微處理器做進一步的分析處理，如小波變換、頻譜分析等。分析處理后的結果可直接進行顯示、打印記錄，或用于過程監測和控制。第二節測量系統

二、測量環節的功能4、結果顯示記錄單元模擬式最常見的為指針式儀表，結構簡單、價格低廉，容易產生視差，但仍是目前主要顯示儀表。數字式是以數字形式給出被測量值，不會產生視差。但直觀形象性差，且有量化誤差。記錄時可以直接打出數據。屏幕式是電視技術在測量中的應用，它是目前最先進的顯示方式，既可以按模擬方式給出曲線，也可給出數字，或二者同時顯示。模擬式數字式屏幕式第二節測量系統

二、測量環節的功能5、傳輸通道（傳送元件）測量系統各環節是分離的，那么就需要把信號從一個環節送到另一個環節。實現儀表各環節間輸入、輸出信號之間聯系功能的環節。分為導線、光導纖維、管路和無線通訊等形式。應按規定要求進行選擇和布置，否則會造成信息損失，信號失真或引入干擾。能源與動力學院測量技術的基本知識測量方法測量系統測量系統的靜態特性測量系統的動態特性02第二章第三節測量系統的靜態特性一、量程儀表能夠測量的最大輸入值與最小輸入值之間的范圍稱作儀表的量程范圍，簡稱量程。在數值上等于儀表上限值減去儀表下限值，用Lm表示。通常按照被測量量值落在2/3~3/4量程范圍選擇測量系統的量程。第三節測量系統的靜態特性二、精度和基本誤差測量值與真值（或約定值）之間的符合程度。精度通常用基本誤差，即系統在量程范圍內每單位輸入可能存在的最大輸出誤差來表示，合格的測量系統要求其基本誤差不能超過有關規定的上限值，因此基本誤差也被稱作允許誤差。將基本誤差的“％”去掉后的數值即為儀表的精度等級，簡稱為精度。常見的精度等級有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0等。選用儀表時，在滿足被測量的數值范圍的前提下，盡可能選擇窄量程的儀表，既滿足測量誤差的要求，又可選擇精度等級低的儀表，從而降低儀表的價格。第三節測量系統的靜態特性三、線性度度量測量系統輸入輸出關系接近線性程度的指標，又稱非線性。δL為測量系統的線性度；ΔLmax為標定直線與其擬合直線的最大擬合偏差；YFS為滿量程下的理想輸出值。常用的有理論線性度、零基線性度、端基線性度、最小二乘線性度等，以理論線性度和最小二乘法線性度應用最為普遍。線性度直線1為理論線性度擬合曲線直線2為最小二乘法線性度擬合直線直線3為測量系統試驗標定曲線第三節測量系統的靜態特性四、靈敏度S靈敏度是儀表的靜態參數，是衡量儀表對被測參數變化的敏感程度。在穩定情況下，測量系統在穩態下，當輸入量變化很小時，測量系統輸出量的變化與引起這種變化的對應輸入量的變化的比值：線性測量系統的靈敏度特性曲線是一條直線；非線性測量系統的靈敏度特性曲線為一條曲線，靈敏度由特性曲線上各點的斜率確定。靈敏度量綱取決于輸入和輸出的量綱，若輸入和輸出具有不同量綱時，靈敏度是有單位的。例如，某位移傳感器在位移變化1mm時，輸出電壓變化200mV，則該傳感器的靈敏度S=200mV/mm。非線性測量系統靈敏度特性曲線第三節測量系統的靜態特性五、靈敏限（分辨率、儀表死區）是指能夠引起儀表動作的被測量的最小變化值，故又稱分辨率或儀表死區。儀表的靈敏限應不大于儀表測量值中最大絕對誤差Δxmax的一半，通常在1/3即可。模擬式測量系統的靈敏限是其輸出指示標尺最小分度值的一半。數字式測量系統的靈敏限為輸出顯示的最后一位所對應的輸入量。靈敏限高可以降低測量誤差，減小因讀數誤差引起的對測量結果的影響。靈敏度：單位輸入引起系統的響應量5mV/mm分辨率：單位響應對應的系統輸入量0.001mm靈敏度：放大能力分辨率：辨別能力分辨率與靈敏度的區別？正行程反行程ΔHmaxXFSYFSyxO第三節測量系統的靜態特性六、變差（遲滯誤差、回差）測量系統對同一輸入量的遞增過程（正行程）和遞減過程（反行程）的輸出不重合的程度。正行程與反行程輸出量之間的差值為遲滯差值，全量程中遲滯差值最大值與滿量程理想輸出值之比的百分率即為遲滯誤差造成變差的原因很多，例如，測量儀表存在間隙、摩擦，機械慣性或彈性元件、磁性元件等滯后。變差第三節測量系統的靜態特性七、重復性誤差在同一條件下，測量系統對同一輸入進行多次重復測量時，其輸出的重復程度。相同的測量條件也稱為重復性條件，主要包括相同的測量程序、相同的測量儀表、相同的使用條件、相同的地點、相同的操作人員和在短時間內重復測量。重復性誤差用正行程與反行程之間的最大差值與滿量程下理想輸出值之比的百分率表示重復性誤差第三節測量系統的靜態特性八、漂移因環境溫度變化所引起的測量系統輸出量的變化稱為溫度漂移，通常用環境溫度偏離標準溫度（一般為20°C）時的輸出值與環境溫度下的輸出值之差與溫度變化率之比來表示，記作ξt溫度漂移對測量系統靜態特性的影響主要表現為：使靜態特性曲線平移，但斜率不大——稱為熱零點漂移或溫度零點漂移使靜態特性曲線斜率變化——稱為熱靈敏度漂移或溫度靈敏度漂移Δt—測量系統環境溫度t與標準溫度（20°C）之差；yt—環境溫度t時系統的輸出值；y20—為標準溫度（20°C）時系統的輸出值。第三節測量系統的靜態特性八、漂移使靜態特性曲線平移，但斜率不大——稱為熱零點漂移或溫度零點漂移使靜態特性曲線斜率變化——稱為熱靈敏度漂移或溫度靈敏度漂移第三節測量系統的靜態特性九、穩定度（穩定誤差）指在規定間段內，其他外界條件恒定不變的情況下，測量儀表測量值變化的大小。造成測量值變化的主要原因：測量儀表內部各元器件的特征、參數不穩定和老化等因素。例：某數字溫度表的穩定度為(0.008%Tm+0.003Tx)/(8h)其中，Tm為量程值，Tx為測量值。含義：在8h內，測量同一溫度，在外界條件維持不變情況下，溫度表的測量值可能在0.008%Tm+0.003Tx的上下波動。第三節測量系統的靜態特性思考：多級測量系統的精度（a表示精度），最終輸出的精度取決于精度高還是精度低的測量單元？誤差理論分析表明：精度主要取決于精度最低的儀器不等精度測量時，前面環節的精度應高于后面環節，即a1

≤a2

≤a3……測量單元a1輸入X輸出Y測量單元a2測量單元a3測量系統的選用原則：（1）由同精度的儀器組成測量系統；（2）前面環節的精度應高于后面環節

；（3）不宜選用大量程儀器測量較小的量。第三節測量系統的靜態特性思考：測量系統是由靈敏度分別為S1、S2、S3、……等多個獨立的環節組成，整個系統靈敏度如何求？一般來講，靈敏度越高，響應越大。但是，靈敏度越高穩定性越差，測量范圍越窄，因此，也不能過高。測量單元S1測量單元S2測量單元S3ΔpΔνΔuΔy靈敏度大好還是小好？能源與動力學院測量技術的基本知識測量方法測量系統測量系統的靜態特性測量系統的動態特性02第二章第四節測量系統的動態特性

第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數對前一頁公式作拉普拉斯變換，可得傳遞函數與輸入及系統的初始狀態無關，它只表達系統的傳輸特性。傳遞函數是對物理系統的微分方程，并不拘泥于系統的物理結構。同一形式的傳遞函數可以表征具有相同傳輸和轉換特性的不同物理結構。例如：忽略質量的單自由度振動系統、RC低通濾波器、液柱式溫度計同是一階系統，具有形式相似的傳遞函數，三者的物理性質完全不同。典型的一階系統第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數液柱式溫度計輸入量為溫度計溫包周圍被測流體的溫度x(t)，輸出量為溫度計中水銀柱上部表面位移y(t)式中，α被測流體與溫度計溫包之間的換熱系數，w/(m2·°C)；A為溫包壁換熱面積，m2；V為溫包容積，m3；ρ為水銀密度，kg/m3；c為水銀比熱容，J/(kg·°C)；xf(t)為溫度計溫包中水銀溫度，°C。溫度計輸出量與溫包中水銀溫度之間的關系由代數方程描述式中，β為水銀體膨脹系數，1/°C；Ac為毛細管橫截面積，m2。

??=ρcV∕αA

為時間常數，s????=βV/Ac為靜態靜靈敏度，m/°C

第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數忽略質量的單自由度振動系統輸入量為力x(t)，輸出量為位移y(t)，k為彈簧剛度系數，c為阻尼系數RC低通濾波電路輸入量為電壓x(t)，輸出量為電壓y(t)，電阻為R，電容為Cτ=a1/a0

為時間常數，ks=b0/a0

為靜態靜靈敏度，在線性系統中，通常取ks=1第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數對于實際的物理系統，輸入和輸出都具有各自的量綱。用傳遞函數描述系統傳輸、轉化特性時應真實地反映量綱的這種變換關系。這種關系是通過系數an，an–1，···，a1，a0和bn，bn–1，···，b1，b0來反映的，它們的量綱將因具體物理系統和輸入、輸出的量綱而異。傳遞函數中的分母取決于系統的結構，而分子則表示系統同外界之間的聯系，如輸入（激勵）點的位置、激勵方式、被測量以及測點布置情況等。分母中s的冪次n代表了系統微分方程的階數，如當n=1或n=2時，分別稱為一階系統或二階系統。對于穩定系統，其分母中s的冪次總是高于分子中s的冪次，即n>m。第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數1、串聯測量系統的傳遞函數形式2、并聯測量系統的傳遞函數形式串聯測量系統并聯測量系統第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數3、反饋聯接系統的傳遞函數形式正向環節和反向環節的傳遞函數分別為HA（s）和HB（s），X（s）是輸入信號，XB（s）是反饋信號。若輸入信號X（s）與反饋信號XB（s）相加后輸入正向環節，則稱為正反饋；若輸入信號X（s）與反饋信號XB（s）相減后輸入正向環節，則稱為負反饋。反饋聯接測量系統正反饋取負號，負反饋時取正號。測量系統中常采用負反饋的聯接方式，可以有效減小系統誤差，提高測量精度。第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數4、基本測量系統的傳遞函數零階測量系統（n=0）傳遞函數傳感器輸出量??0與輸入量位移x之間的關系滿足下列關系：

第四節測量系統的動態特性一、傳遞函數4、基本測量系統的傳遞函數一階測量系統（n=1）傳遞函數二階測量系統（n=2）傳遞函數

τ=a1/a0

為時間常數，ks=b0/a0

為靜態靜靈敏度，在線性系統中，通常取????=1

ωn為系統固有頻率，ζ為系統阻比，第四節測量系統的動態特性二、單位階躍響應函數1、單位階躍響應函數的定義測量系統對單位階躍信號x(t)輸入的響應稱為系統的單位階躍響應函數，是對線性測量系統動態特性的時域描述。特點：t=0時，信號以無限大的速率上升，當t

≥0時信號保持定值不隨時間變化。階躍信號的輸入使系統從一個穩定狀態突然過渡到另一個穩定狀態，是對系統動態響應性能的一種檢驗。階躍信號常用作低階測量系統時域動態響應性能考核的輸入信號。

第四節測量系統的動態特性二、單位階躍響應函數2、一階測量系統的單位階躍響應對上式求拉式反變換，可得一階測量系統的單位階躍響應曲線是一條從零開始，以指數規律上升到終值為1的曲線。對單位階躍輸入信號的激勵，一階測量系統輸出響應進入穩態的時間是t→∞，其過程的變化率取決于時間常數τ，為測量系統對階躍輸入的瞬態響應到達穩態值的63.2％時所需要的時間。

一階測量系統單位階躍響應曲線第四節測量系統的動態特性二、單位階躍響應函數3、二階測量系統的單位階躍響應實際應用中，二階測量系統的阻尼比通常小于1（

<1），則單位階躍響應函數為當系統靈敏度??s=1時，上式可變為

二階測量系統單位階躍響應曲線第四節測量系統的動態特性二、單位階躍響應函數3、二階測量系統的單位階躍響應當ξ>1時稱為過阻尼，傳遞函數有兩個不相等的負實數極點，系統的階躍響應呈指數曲線逼近穩定值，在ωn不變的情況下，ξ越大，二階系統響應越慢，達到穩定值所需時間越長。當ξ>>1時，系統階躍響應與一階相近，可簡化為一階測量系統。當ξ=1時，測量系統傳遞函數有兩個相等的負實數極點，稱為臨界阻尼。此時二階測量系統對階躍輸入的響應也以指數規律隨時間的增大而逼近穩態。系統響應無振蕩，但已處于臨界狀態，阻尼比ξ稍有減小，系統就會產生振蕩而進入欠阻尼狀態（0<ξ<1）。二階測量系統單位階躍響應曲線第四節測量系統的動態特性二、單位階躍響應函數3、二階測量系統的單位階躍響應當0<ξ<1時，系統的響應呈衰減的正弦振蕩，其振蕩頻率ωd由ωn和ξ決定。此種狀態稱為欠阻尼狀態。當ξ=0時，二階測量系統的階躍響應呈無衰減的等幅正弦振蕩。為了保證系統具有較高的響應速度而又不產生振蕩，阻尼比的最佳范圍為ξ=0.6～0.8，并可以通過增大系統的固有頻率ωn來進一步提高系統的響應速度。二階測量系統單位階躍響應曲線第四節測量系統的動態特性三、頻率響應函數1、頻率響應函數的定義頻率響應函數表達的是測量系統在頻域中的動態特性，測量系統穩態響應輸出信號的傅立葉變換與簡諧輸入信號的傅立葉變換之比。對于線性時不變系統，已知其傳遞函數為H(s)，令s=jω，有A(ω)為H(jω)的模，表示測量系統的輸出與輸入幅值比隨角頻率ω而變化的關系，因而稱為幅頻特性；?(ω)為H(jω)的相位角，反映了線性系統對不同頻率諧波信號其穩態輸出信號產生相位超前或滯后的特性，稱為系統相頻特性。?(ω)通常為負值，即輸出滯后于輸入。實際應用中采用??(ω)?ω幅頻特性曲線和?(ω)?ω相頻特性曲線表達測量系統的頻域響應特性。

第四節測量系統的動態特性三、頻率響應函數1、頻率響應函數的定義串聯環節測量系統頻率響應函數并聯環節測量系統頻率響應函數負反饋聯接測量系統頻率響應函數正反饋聯接測量系統頻率響應函數

第四節測量系統的動態特性三、頻率響應函數2、一階測量系統的頻率響應當輸入為正弦函數信號時，系統的頻率響應函數為τ

=a1/a0（時間常數），ks

=b0/a0（靜態靈敏度）。當ks

=1時，系統的頻率響應函數簡化為系統的幅頻特性和相頻特性分別為

一階測量系統的幅頻特性曲線和相頻特性第四節測量系統的動態特性三、頻率響應函數2、一階測量系統的頻率響應一階測量系統的幅頻特性和相頻特性在時間常數??確定后也隨之確定，且τ越小，頻率響應特性越好。在0＜ωτ＜0.3范圍內，A(ω)≈1，這表明輸出信號幅值幾無失真；此時相位差?也較小，且隨ω的變化呈線性關系。隨著ω的增大，振幅比A(ω)減小，相位差?增大，輸出信號失真加大。一階測量系統的幅頻特性曲線和相頻特性三、頻率響應函數3、二階測量系統的頻率響應當輸入為正弦函數信號時，系統的頻率響應函數為若ks=1，且定義頻率比η

=ω/ωn

系統的頻率響應函數幅頻特性和相頻特性分別為第四節測量系統的動態特性二階測量系統的幅頻特性曲線和相頻特性三、頻率響應函數3、二階測量系統的頻率響應η

1或η

1、

=0.6

0.8范圍內，幅值比A(ω)≈1，相位差?(ω)也很小且隨??近乎線性變化，表明此范圍內輸出信號失真度很小。當

<1時，在η=1附近，即接近系統固有頻率的頻段時，系統頻率響應特性變化較大，其中幅頻特性受阻尼比

的影響顯著，出現諧振現象，相頻特性隨頻率的變化也很劇烈，而且

越小變化越大。在應用測量系統時，應盡量避開上述η=1附近的諧振頻段。第四節測量系統的動態特性二階測量系統的幅頻特性曲線和相頻特性第四節測量系統的動態特性不失真測量系統的時域特性

四、實現不失真測量的條件如果測量系統對于某一動態輸入信號x(t)的輸出響應y(t)滿足下式，則認為實現了不失真測量。A0和t0均為常數。此式表明該系統的輸出波形精確地與輸入波形相似，只不過對應瞬間放大了A0倍，在時間上滯后了t0，因此A0和t0分別又被稱為