輪機測試-第一二三章課件

第一章概論1-1測試技術(shù)的作用和意義

測試——借助專門的技術(shù)手段，通過試驗和測量，以得知被測量的量值和性質(zhì)。測試技術(shù)的主要作用：１、監(jiān)視與控制生產(chǎn)過程的正常運行；２、為設(shè)計工作提供有效的數(shù)據(jù)資料；３、評價產(chǎn)品的質(zhì)量；４、作為科學研究的必要手段和基礎(chǔ)2023/10/91輪機工程測試技術(shù)

第一章概論1-1測試技術(shù)的作用和意義2023/10溫度傳感器壓力傳感器流量傳感器煙度計排氣分析儀發(fā)動機測試系統(tǒng)組成原理圖2023/10/92輪機工程測試技術(shù)

溫度傳感器壓力傳感器流量傳感器煙度計排氣分析儀發(fā)動機測試系統(tǒng)發(fā)動機測試系統(tǒng)組成原理圖2023/10/93輪機工程測試技術(shù)

發(fā)動機測試系統(tǒng)組成原理圖2023/10/93輪機工1-２測試系統(tǒng)的組成

測試系統(tǒng)的三個基本組成部分：一、感知部分（傳感器）二、傳遞部分（中間變換器）三、指示記錄部分（顯示記錄儀）電荷放大器智能無紙記錄儀防爆熱電偶智能計數(shù)器傳感器中間變換器顯示記錄儀2023/10/94輪機工程測試技術(shù)

1-２測試系統(tǒng)的組成電荷放大器智能無紙記錄儀防爆熱電偶智能計傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。但目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。一般也稱傳感器為變換器、換能器和探測器，其輸出的電信號陸續(xù)輸送給后續(xù)配套的測量電路及終端裝置，以便進行電信號的調(diào)理、分析、記錄或顯示等。射頻物位開關(guān)傳感器輪輻拉壓稱重傳感器智能型電容式壓力變送器2023/10/95輪機工程測試技術(shù)

傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的

傳感器的種類繁多。在工程測試中，一種物理量可以用不同類型的傳感器來檢測；而同一種類型的傳感器也可測量不同的物理量。

傳感器的分類方法很多，概括起來，主要有下面幾種分類方法：(1)按被測物理量來分類，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。

(2)按傳感器工作的物理原理來分類，可分為機械式、電氣式、輻射式、流體式等。

(3)按信號變換特征來分類，可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。電容式加速度傳感器氣體壓力傳感器2023/10/96輪機工程測試技術(shù)

傳感器的種類繁多。在工程測試中，一種物理量可以用不同可變磁阻位移傳感器早期發(fā)展的傳感器是利用物理學場的電場、磁場、力場等定律所構(gòu)成的“結(jié)構(gòu)型”傳感器，其基本特征是以其結(jié)構(gòu)部分的變化或變化后引起場的變化來反映待測量（力、位移等）的變化。2023/10/97輪機工程測試技術(shù)

可變磁阻位移傳感器早期發(fā)展的傳感器是利用物理學場的電利用物質(zhì)特性構(gòu)成的傳感器稱為“物性型”傳感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化學、生物效應(yīng)用于物性型傳感器是傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。每一種新的物理效應(yīng)的應(yīng)用，都會出現(xiàn)一種新型的敏感元件能測量某種新的參數(shù)。例如，除常見的力敏、壓敏、光敏、磁敏材料之外，還有聲敏、濕敏、色敏、氣敏、味敏、化學敏、射線敏材料等。壓敏電阻聲敏傳感器光敏電阻熱敏電阻離子煙霧傳感器2023/10/98輪機工程測試技術(shù)

利用物質(zhì)特性構(gòu)成的傳感器稱為“物性型”傳感器或“物性新材料與新元件的應(yīng)用，有力地推動了傳感器的發(fā)展，因為物性型敏感元件全賴于敏感功能材料，例如嗅（味）敏傳感器、集成霍爾元件、集成固態(tài)CCD圖像傳感器等。被開發(fā)的敏感功能材料有半導體、電介質(zhì)（晶體或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超導材料、光導纖維、液晶、生物功能材料、凝膠、稀土金屬等。新型光纖溫度傳感器超聲波傳感器600萬像素的CCD生物傳感器芯片2023/10/99輪機工程測試技術(shù)

新材料與新元件的應(yīng)用，有力地推動了傳感器的發(fā)展，因為。。測試技術(shù)正在向多功能、集成化、智能化發(fā)展，進行快變參數(shù)動態(tài)測量是自動化過程控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其主要支柱是微電子與計算機技術(shù)。傳感器與微計算機結(jié)合，產(chǎn)生了智能傳感器。它能自動選擇量程和增益，自動校準與實時校準，進行非線性校正、漂移等誤差補償和復(fù)雜的計算處理，完成自動故障監(jiān)控和過載保護等。加速度信號測量傳感器芯片智能傳感器激光型位移傳感器2023/10/910輪機工程測試技術(shù)

。。測試技術(shù)正在向多功能、集成化、智能化發(fā)展，進行快變參數(shù)1-３測試儀器的基本特性

一、靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指被測信號不隨時間變化或變化極為緩慢時，輸出與輸入之間的關(guān)系。１、靜態(tài)特性曲線在靜態(tài)測量中，根據(jù)測量裝置輸入量值x與實際的輸出量值y對應(yīng)關(guān)系所繪制的曲線稱為靜態(tài)特性曲線（或稱靜態(tài)校準曲線）。測試儀器輸入量x輸出量y00yyxx△x△x△y△y2023/10/911輪機工程測試技術(shù)

1-３測試儀器的基本特性測試儀器輸入量x輸出量y00yyxx

２、靜態(tài)靈敏度Ｓ靜態(tài)靈敏度是輸出變化量與輸入變化量的比率，即特性曲線的斜率。一般的測試裝置，輸入——輸出關(guān)系是非線性的，靈敏度是一個變量，此時常用參考直線的斜率作為該裝置的靈敏度。靈敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定，當它的量綱相同時，靈敏度又稱“放大倍數(shù)”或“增益”。

３、線性度線性度是指特性曲線接近直線的程度。常用確定參考直線的方法是最小二乘法。xy0Aα使用范圍2023/10/912輪機工程測試技術(shù)

２、靜態(tài)靈敏度Ｓ一般的測試裝置，輸入——輸出關(guān)系是非

４、儀表精度等級精度——指示值接近于被測量的實際值的準確程度。以引用誤差(允許誤差)的大小表示。一般儀表以精度等級Ｋ來表示引用誤差(允許誤差)的界限。通常，工程用儀表為0.5~4級；實驗室用儀表為0.2~0.5級；范型儀表在0.2級以上。2023/10/913輪機工程測試技術(shù)

４、儀表精度等級通常，工程用儀表為0.5~4級；2023被測量的示值越接近滿刻度值，則誤差越小。因此，在選擇儀表時，以滿足下式為宜：2023/10/914輪機工程測試技術(shù)

被測量的示值越接近滿刻度值，則誤差越小。因此，在選擇儀表實驗室用的儀表，為了求得更為可靠的測量結(jié)果，應(yīng)將其與準確度更高的標準儀表讀數(shù)相比較進行校驗。2023/10/915輪機工程測試技術(shù)

實驗室用的儀表，為了求得更為可靠的測量結(jié)果，應(yīng)

二、動態(tài)特性動態(tài)特性是指被測信號隨時間變化時，輸出與輸入之間的關(guān)系。

１、概述動誤差－－動態(tài)信號輸出與輸入的變化之差。激勵－－輸入的被測信號。響應(yīng)－－對應(yīng)于激勵，測試裝置的輸出。通常，用一些典型的信號作輸入，研究其響應(yīng)，得出一系列動態(tài)參數(shù)來表征測量裝置的動態(tài)特性。因此，測量裝置的動態(tài)響應(yīng)特性一般通過描述測量裝置的階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)和傳遞函數(shù)（脈沖響應(yīng)）等數(shù)學模型來進行研究?！?023/10/916輪機工程測試技術(shù)

二、動態(tài)特性∞2023/10/916輪機工程x除少數(shù)情況外，一般測試系統(tǒng)可以等效為如圖所示的二階系統(tǒng)，其輸出與輸入的關(guān)系可用微分方程來描述：定義：阻尼比為系統(tǒng)固有頻率為靜態(tài)靈敏度為（1-5）（1-6）則式1-5可寫成：cf(t)km2023/10/917輪機工程測試技術(shù)

x除少數(shù)情況外，一般測試系統(tǒng)可以等效為如圖所示的二階系統(tǒng)

2、階躍響應(yīng)當二階系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度S=1，且輸入f(t)為單位階躍信號時，則微分方程1-6的解有四種，響應(yīng)曲線如圖所示。當ζ＞１（過阻尼）時，x值逐漸增大，趨近于１，曲線逐漸上升；當ζ＜１（欠阻尼）時，曲線為自由衰減振蕩曲線；當ζ＝１（臨界阻尼）時，介于上兩種情況之間，曲線不產(chǎn)生振蕩；當ζ＝０（無阻尼）時，曲線作等幅振蕩，永不衰減。二階系統(tǒng)U(t)x(t)12023/10/918輪機工程測試技術(shù)

2、階躍響應(yīng)當ζ＞１（過阻尼）時，x值逐漸增大，tX(t)ts1+Δ1-Δ響應(yīng)時間－－從輸入開始到響應(yīng)最終進入給定允許誤差范圍所需時間ts。

若允許誤差Δ=5%，響應(yīng)時間ts為最小的阻尼比ζ=0.7，此阻尼比稱為最佳阻尼比。當阻尼比ζ為定值時，固有頻率ωn越大，則系統(tǒng)響應(yīng)越快。二階測量系統(tǒng)要使動誤差盡可能小，一般?。害亍?0.6~0.8)ωnζ=0.65~0.72023/10/919輪機工程測試技術(shù)

tX(t)ts1+Δ1-Δ響應(yīng)時間－－從輸入開始到響應(yīng)最

3、頻率響應(yīng)當輸入f(t)＝F0sinωt時，則式1-5可寫成（1-10）該方程的通解為二階系統(tǒng)f(t)x(t)tf(t)x(t)t2023/10/920輪機工程測試技術(shù)

3、頻率響應(yīng)（1-10）該方程的通解為二階系統(tǒng)f(t因此，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)為式中：為幅頻響應(yīng)函數(shù)A(ω)為相頻響應(yīng)函數(shù)φ(ω)二階系統(tǒng)f(t)x(t)tf(t)x(t)t當S＝1（靈敏度歸一化）時，有2023/10/921輪機工程測試技術(shù)

因此，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)為式中：為幅頻響應(yīng)函數(shù)測試裝置實現(xiàn)不失真測試的條件:A(ω)φ(ω)右圖為二階系統(tǒng)的幅頻和相頻特性函數(shù)的伯德圖。2023/10/922輪機工程測試技術(shù)

測試裝置實現(xiàn)不失真測試的條件:A(ω)φ(ω)從上圖中可見：⑴ζ=0.7時，幅頻曲線接近等于1的直線的連續(xù)段為最寬，若Δ=±5%

時，工作頻帶為(0~0.6)ωn，若Δ=±1%

時，工作頻帶為(0~0.4)ωn；⑵ζ=0.7時，若ω<ωn，φ(ω)曲線接近于直線，即與φ(ω)對應(yīng)的滯后時間tφ為故，在ωn一定時，對不同頻率成分的信號，滯后時間均近似相同。2023/10/923輪機工程測試技術(shù)

從上圖中可見：與φ(ω)對應(yīng)的滯后時間tφ為故，在ω二階系統(tǒng)的幅頻曲線二階系統(tǒng)的相頻曲線φ(ω)A(ω)2023/10/924輪機工程測試技術(shù)

二階系統(tǒng)的幅頻曲線二階系統(tǒng)的相頻曲線不同諧振頻率輸入作用下二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出2023/10/925輪機工程測試技術(shù)

不同諧振頻率輸入作用下二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出2023/10/92二階系統(tǒng)頻率不同，輸出的幅值和初相位不同2023/10/926輪機工程測試技術(shù)

二階系統(tǒng)頻率不同，輸出的幅值和初相位不同2023/10/92

４、測試系統(tǒng)工作頻率的選擇在ζ=0.7時，測試系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)為ω≤0.6ωn，以使允許誤差Δ≤5%?？梢?，提高測試系統(tǒng)的固有頻率ωn，可增大工作頻率范圍，且有利于改善動態(tài)特性。但為了提高測試系統(tǒng)的固有頻率ωn，就必須提高測量系統(tǒng)彈簧的彈性系數(shù)k和減少運動部分的質(zhì)量m，這樣會引起系統(tǒng)靈敏度的降低（Ｓ＝1/k），從而導致其他測量誤差的增大。因此，在選擇測試系統(tǒng)的固有頻率ωn時，應(yīng)綜合考慮。cf(t)km2023/10/927輪機工程測試技術(shù)

４、測試系統(tǒng)工作頻率的選擇cf(t)km2023/10/為了滿足ω≤0.6ωn，故ω不能太大，原則上：一般只考慮到振幅為基波（n=1的諧波）振幅的2%所對應(yīng)的第k次諧波，即以kω0作為工作頻率。式中：a0為f(t)的平均值分量an為各諧波分量的幅值在實際測量中，被測動態(tài)信號一般都不是單一的正弦波，大多數(shù)穩(wěn)態(tài)或復(fù)合動態(tài)信號，都可以用正弦級數(shù)來表示。2023/10/928輪機工程測試技術(shù)

為了滿足ω≤0.6ωn，故ω不能太大，原則對于周期性方波，由于各諧波的幅值按1/n的規(guī)律下降，故k=51；對于周期性三角波，由于各諧波的幅值按1/n２的規(guī)律下降，故k=７。X(t)t0X(t)t0AT-TA2023/10/929輪機工程測試技術(shù)

對于周期性方波，由于各諧波的幅值按1/n的規(guī)律下降，故k=

５、低頻系統(tǒng)由頻率特性曲線圖可見，當ω>>ωn，即ωn遠小于被測信號的頻率ω時，幅頻函數(shù)值趨向于０，相頻函數(shù)值趨向于-180o，這表明測試系統(tǒng)對該頻率的正弦信號已無響應(yīng)輸出，但對被測信號的平均值分量卻可以如輸入靜態(tài)信號一樣輸出。因此，低頻系統(tǒng)（ωn<<ω）所反映的是被測信號的平均值。所以，用Ｕ型管壓力計可測動態(tài)氣體壓力的平均值。該結(jié)論也可用來設(shè)計不受外界高頻振動干擾影響的隔振裝置。p1p22023/10/930輪機工程測試技術(shù)

５、低頻系統(tǒng)p1p22023/10/930輪機工機械慣性輪式平均壓力表2023/10/931輪機工程測試技術(shù)

機械慣性輪式平均壓力表2023/10/931輪機工

６、測試系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)的試驗確定(1)若已知測試系統(tǒng)的m、c、k，則(２)用階躍響應(yīng)法測定tX(t)a1a2TdA二階系統(tǒng)U(t)x(t)1cf(t)km2023/10/932輪機工程測試技術(shù)

６、測試系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)的試驗確定(２)用階躍響應(yīng)法(3)二階系統(tǒng)的判別方法：若用階躍響應(yīng)的不同過沖量求得的阻尼比ζ

都相等，則系統(tǒng)是二階系統(tǒng)。否則不是二階系統(tǒng)。阻尼比ζ相差越大，說明系統(tǒng)與二階系統(tǒng)差別越遠?；蛴秒A躍響應(yīng)的不同過沖量求得的阻尼比ζ

：式中：tX(t)a1a2TdA2023/10/933輪機工程測試技術(shù)

(3)二階系統(tǒng)的判別方法：或用階躍響應(yīng)的不同過沖量求得的1-4測量與誤差的概念測量的概念測量是以確定被測物屬性量值為目的的全部操作。測量方法與分類直接測量、間接測量與組合測量直接測量是用預(yù)先標定好的測量儀表，對某一未知量直接進行測量，從而得到測量結(jié)果。間接測量是對幾個與被測物理量有確定函數(shù)關(guān)系的物理量進行直接測量，然后把所測得的數(shù)據(jù)代入關(guān)系式中進行計算，從而求出被測物理量。組合測量是根據(jù)直接測量和間接測量所得的數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程組求出未知量的數(shù)值。2023/10/934輪機工程測試技術(shù)

1-4測量與誤差的概念測量的概念2023/10/934輪2）靜態(tài)測量與動態(tài)測量

a.靜態(tài)測量是測量不隨時間變化或變化很緩慢的物理量。

b.動態(tài)測量是測量隨時間迅速變化的物理量。接觸式測量與非接觸式測量根據(jù)傳感器與被測物體是否接觸來分類。誤差的概念和分類

某量值的給定值與其客觀真值之間的差異稱為誤差。給定值包括測量值、標稱值、示值、預(yù)置值、計算近似值等。誤差的三種表達形式：絕對誤差＝測量值－真值相對誤差＝（絕對誤差／真值）×100%引用誤差＝（絕對誤差／滿量程值）×100%2023/10/935輪機工程測試技術(shù)

2）靜態(tài)測量與動態(tài)測量2023/10/935輪機根據(jù)誤差的特征，可將誤差分為三類：粗大誤差——由測量人員粗心大意、操作錯誤、記錄和運算錯誤或外界條件的突然變化等原因產(chǎn)生的誤差。隨機誤差——由某些不可知的原因引起的（如儀器內(nèi)部摩擦力的細微變化，實驗條件的無規(guī)則變化，外界干擾等），在同一條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預(yù)測的方式變化的誤差。系統(tǒng)誤差——由某些固定的原因引起的（