第1章测量技术概述1.ppt

热工测试技术热工测试技术http:/ 测量技术概述测量技术概述课程内容：课程内容：本课程主要介绍工程热物理、动力机械工程等领域本课程主要介绍工程热物理、动力机械工程等领域中常见物理量中常见物理量(压力、应变、转矩、功率、位移、加速度、压力、应变、转矩、功率、位移、加速度、噪声、温度、流速、流量、污染物等噪声、温度、流速、流量、污染物等）的传感器测量原理、）的传感器测量原理、测量电路原理和测试系统特性、测量误差分析。测量电路原理和测试系统特性、测量误差分析。测测试试误误差差分分析析测测试试系系统统特特性性传传感感器器技技术术智智能能虚虚拟拟仪仪器器温温度度流流量量测测量量压压力力流流速速测测 量量 转转速速扭扭矩矩测测量量 烟烟度度湿湿度度测测量量主要内容如下主要内容如下学习方法：学习方法：热工测试技术是一门与动力机械工热工测试技术是一门与动力机械工程、精密仪器、材料科学、微电子程、精密仪器、材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教学内容后于学科发展的问题，在教学内容上我们采编了很多素材和案例。上我们采编了很多素材和案例。本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设实验和仿真实验。实验和仿真实验。理论学习、实理论学习、实践学习、研究践学习、研究学习三元并重学习三元并重.只有通过足只有通过足够的实验和够的实验和仿真实验操仿真实验操作，才能得作，才能得到应有的实到应有的实际动手能力际动手能力培养和更好培养和更好的掌握书本的掌握书本知识。知识。课程网络学习资源：课程网络学习资源：1.热工测试技术电子教案热工测试技术电子教案2.热工测试技术网络课件热工测试技术网络课件http:/ 轨迹跟踪轨迹跟踪 培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习和解决问题的能力和解决问题的能力 。教学方法：教学方法：以案例和实验为主线：以案例和实验为主线：解决课本教学存在的问题：解决课本教学存在的问题：1.测试技术应用、发展部分空洞；测试技术应用、发展部分空洞；2.传传感感器器部部分分没没有有实实物物对对象象、枯枯燥燥无无味；味；3.误差分析和综合理论部分难懂。误差分析和综合理论部分难懂。煤气包高度测量煤气包高度测量 桥梁固频测量桥梁固频测量 机翼模态分析机翼模态分析 索道检测索道检测发发动动机机性性能能参参数数测测量量第一章第一章 测量技术概述本章学习要求：本章学习要求：1.1 测量的意义、测量方法1.2 测量系统的组成1.3 典型的智能化测量系统1.4 测量误差与测量精度1.5 测量数据与误差的表达 l秦始皇在统一六国后便立即建立了统一的度量衡制度度量衡制度，并对破坏这一制度的人科以严厉的惩罚。说明测量和标准测量和标准对促进当时生产发展和社会进步的重要性。l知识的获取往往从测量开始，人类在自身的社会发展中创造并发展了测量学。l测量的广博性如今测量已渗透到人类活动的每个领域。l任何一门学科都可以在测量学中找到它的踪迹。第一章 热工测量技术概述一 测量的意义l测量过程是采集和表达被测物理量，同时与标准作比较。l测量是人类对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程（日常生活中的“三表”、天气预报、卫星导航定位、地质勘探、考古研究半衰期、空气质量指数、B超、CT、核磁共振）l科学技术发展与测量技术的不断完善是紧密相关的（实验物理学家、实验科学、高能加速器、激光测速仪、运动会的电子显示计时仪以实验为依据和基础）l测量技术反映了一个国家经济发展的总体水平（激光三坐标测量、快速成型技术）l完善测量技术，防止和减少误差的产生（中医搭脉、B超、CT、核磁共振；测测量量是是控控制制的的依依据据，控控制制是是测测量量的的目目的的，质与量，DNE，消费者协会3.15，生产线的加工自动检测与诊断）l测量技术是研究有关测量方法和测量工具的专门学科（有测量必有误差，如何控制在被允许的范围内，可信度、不合格率ppm，汽车零部件生产的检测，误差的处理准则）l计量是将物理量与其单位定义作比较的一种实验科学，是测量的特例奥运计量工作 要求检测仪器具有足够灵敏、准确，可靠。l比赛场地的长度标准化、比赛器械的规格标准化、比赛成绩的精确计算（如时间的精确度可达到1/1000秒），以及比赛环境温度、湿度和风速等的计量。l食品安全检测、兴奋剂检查。l拳击、柔道、举重等比赛项目运动员称重。l游泳池两池壁间的平行度、田径跑道的弯道坡度和起跑线的倾斜度。l各场馆对光源和灯具的严格要求。l提供电磁环境监测计量标准。l北京奥运会在100米蝶泳决赛中，菲尔普斯最后的成绩是50秒58，查维奇是50秒59。l判断游泳比赛获得胜利的标准不是看谁先触壁，而是谁首先给安装在终点墙壁上的计时器以足够的压力。而水下摄像机所拍到的影像只是成为判断计时器成绩的辅助工具。l有效计时需要运动员在每平方厘米的作用单位上施加3公斤的重量才可以。但在游泳比赛中，加上运动员冲刺时水波的作用力，运动员可能只需要每平方厘米施加1.5公斤的作用力就可以。上海主要大桥l松浦大桥1976年建成通车，是黄浦江上第一座大型桥梁，也是黄浦江上唯一的铁路、公路两用桥梁。l南浦大桥1991年建成，主桥846m，全长7149ml杨浦大桥1993年建成，主桥1172m，全长7658ml徐浦大桥1997年建成，主桥1000m，全长6017ml奉浦大桥1995年建成，全长2318ml卢浦大桥2002年10月18日“世界第一拱”精准合龙，投资22亿，钢结构550m，宽28.75m，主桥750m，全长3900m。20，1误差10mm。上海地理l上海市，位于北纬31度14分，东经121度29分。l上海市面积6340.5平方公理，南北长约120公里，东西宽约100公里。其中市区面积2643.06平方公里，郊县面积3697.44平方公里；陆地面积6219平方公里，水面面积122平方公里。境内辖有崇明岛，面积为1041平方公里，为我国第三大岛。l上海年平均气温16左右。全年无霜期约230天，年平均降雨量在1200毫米左右，但一年中60的雨量集中在5至9月的汛期，汛期有春雨、梅雨、秋雨三个雨期。7、8月份气温最高，月平均约28；1月份最低，月平均约4。l上海950年一遇地震，烈度7l 3280年一遇地震，烈度8.5l12级台风 36 m/s，风荷载使卢浦大桥相当于自重3050的力，造成上下数十厘米的等幅振动，软土基上建拱桥，水平推力2万吨。l轿车车身由300500由具有复杂空间曲面薄板冲压零件，经100多个装配工位（薄板、模具、定位、焊接）。l“3Sigma法则”，即在稳态下不合格品率达到2.72（10-3，千分率）的水平，而现在则提出“6Sigma法则”，即在稳态下不合格品率达到2PPB（PPM即Parts Per Million，10-6，百万分率，PPB即Parts Per Billion，10-9，十亿分率）的十亿分率水平。也就是说，对不合格品率的要求比过去严格了2.2/0.002PPM=135万倍。二 测量方法与对象 1对象l力学测量 位移、速度、加速度、尺寸、转矩、惯量、振动l热工测量 压力、温度、湿度、流量、浓度(ppm)、粒径(PM10)、功率l电学测量 电压、电流、电阻、磁场、电功率状态：l等精度l非等精度l动态（台风如何形成的，地震预报）l稳态l接触式l非接触式（光学，辐射）l点测量l场测量三、测量系统组成l测量系统组成是为一定的测量目的与要求而设计l一般由感受元件（传感器），转换、放大、处 理，信号显示传输三部分组成l 一次仪表 二次仪表 显示1、感受元件l一般将感受的被测物理量变换为电参数向外传输（非电量参数如温度水银柱位移信号）l 要求不破环原先的状态（流场），抗干扰能力强，线性度好，动态变换速度尽可能快 2测量方法l直接测量被测物理量直接与校准物理量单位进行比较，或测量结果直接从预先标定好的测量仪器上得到（如水温计、压力表、电流电压表、U型管测压）l间接测量未知量与若干个变量相关，现分别对若干个变量进行测量，然后按一定的函数关系确定其被测量，存在误差传递与综合、函数关系的正确性。2、转换和处理部分将感受元件输出信号转换成显示部分易于接收的信号。一般传感器输出的信号很小，如电压为毫伏级，电阻为微欧级，这就需要信号放大。如输出信号为电感，电阻，电容量，一般需通过电路将其转换处理为电压或电流信号。3、信号显示传输l直接显示指针式仪表，模拟显示与数值显示lA/D转换（接口技术）计算机计算机辅助测试系统（CAT）数据采集，分析、运算（软件），显示，拷贝数字仪表四、测量误差与测量精度1 基本概念l从物理量的单位定义到工作量具之间有一系列的量值传递过程l真值需要测量的物理量客观存在的真实数值l测量值任何测量值只能近似的反映客观的真实值，即肯定存在着误差（与测量环境状态，测量仪表精度，测量方法的完善性，测量人员的素质，测量对象的差异，测量数值的随机性有关）2 误差的表达形式l绝对误差 只表示误差量值的大小，结果表达 l相对误差 能表达测量结果的精度，结果表达 工程上不注明允许误差，是不可取的例：转速如测量值为 r/min r/min例：温度3.测量误差的来源与分类l根据误差产生的原因分三类1）系统误差l定义：对某物理量进行等精度的系统测量，误差的绝对值和符号均保持稳定（常值），或者按照一定的规律变化（变值）l来源：由仪表制造、安装精度、采用方法、环境状态、测量人员的严密程度所致l系统误差决定了测量的正确度，说明测量结果偏差真值的程度lU型管内水的张力和粘性力l环境温度、湿度、压力偏差l仪表轴摩擦l用买菜电子秤去秤金项链，价格为零l大量程仪表测小量程l斜视、仰视、俯视看指针l安装工艺、间隙lCKD、DKD、SKD组装与 原装差异l零位漂移l其误差产生的原因经分析可知，一般可以消除或尽可能降低（代价）2）随机误差l定义在等精度的重复测量中，受大量微小的随机作用，测量误差的出现没有一定的规律，其数值的大小和符号均不固定，难以消除。l随机误差始终存在，顺从统计规律，决定测量的精密度，即表示测量值相互接近的程度（测量值的重复性）l紊流流动、紊流燃烧、四季气温l为提高测量精度，就得进行多次测量3）过失误差（粗大误差）l定义人为过失造成歪曲测量结果（失真、记录、方法、仪器、操作错误）l应按一定的准则将坏值予以剔除l正确度与精密度的综合，反映了测量的准确度l 正确度高，准确度一定高 精密度高，准确度不一定高l有时系统误差和随机误差不能严格区分，如电视机、电脑、仪表工作不稳定五、测量数据与误差表达l对某物理量进行等精度n次测量，得到一组测量值，如何表示其测量结果，如何对一些可疑值进行处理，数据的可信度是多少？一般步骤：l记录测量时日期及大气状态l记录仪器仪表本身的测量精度，生产厂家、型号l测量次数n要求足够大（避免随机、过失误差.）l拟定一个危险率（可能把好值判错的概率或把坏值判为好值的概率）例：口腔体温表，满量程42，绝对误差为0.1，0.00230.232.5（精度实为不精确度）第一个体温计是伽利略在16世纪时发明的。但直到300年后才设计出使用方便、性能可靠的体温计。腋窝温度较口腔温度低0.30.6，直肠温度(也称肛温)较口腔温度高0.30.5。注意有效数字l测量数据的有效数值是相对测量精度提出来的l计算过程的数据结果位数应与测量精度相一致l误差数据的最小位应与测量数据相一致如：78.9 703（2）703.12345 12.12345（0.2）12.0 0.1六.测量结果的误差评价有标准误差、平均误差、或然误差、极限误差四种：l标准误差标准误差作为随机误差(或真差)的代表,是随机误差绝对值的统计均值随机误差绝对值的统计均值。在国家计量技术规范中,标准误差的正式名称是标准偏差,简称标准差标准差,用符号表示。标准误差的定义式为：用样本标准差的值 作为总体标准差的估计值。样本标准差的计算公式为：若测量结果用测量值子样平均值表示,置信区间采用标准误差,则2.平均误差测量值全部随机误差绝对值的算术平均值即各测量值随机误差绝对值的数学期望,代入正态分布函数,即得3.或然误差在一组测量中对应于置信率为50%时的置信区间4.极限误差定义极限误差是标准误差的3倍,l标准误差是表示个体间变异大小的指标,反映了整个样本对样本平均数的离散程度,是数据精密度数据精密度的衡量指标;l即反映样本平均数对总体平均数的变异程度,从而反映抽样误差的大小,是量度结果精密度结果精密度的指标。测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种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物理量的测量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一个模块，如玻璃管温度计。如玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度低，无法实但精度低，无法实现测量自动化。现测量自动化。为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。测试技术的工程应用测试技术的工程应用 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。等每一个工程领域。1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。用，是其重要组成部分。a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转转动动/移移动动位位置置传传感感器器、力力传传感感器器、视视觉觉传传感感器器、听听觉觉传传感感器器、接接近近距距离离传传感感器器、触触觉觉传传感感器器、热热觉觉传传感感器器、嗅觉传感器。嗅觉传感器。机械手装配模型机械手装配模型机器狗机器狗b)AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形识别；条形码传感器，码传感器，货品货品识别。识别。AGV模型模型切削力传感器，加工切削力传感器，加工噪声传感器，超声波噪声传感器，超声波测距传感器、红外接测距传感器、红外接近开关传感器等。近开关传感器等。数字化工厂数字化工厂c)生产加工过程监测生产加工过程监测 2、流程工业设备运行状态监控、流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在小时在线监测系统。线监测系统。石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。3、产品质量测量、产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。必须对其性能质量进行测量和出厂检验。图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量4、楼宇控制与安全防护、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、消防报警、控制、停车管理、消防报警、水水、废水管理和电梯监控。废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器5、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器器，透光率光传感器(洗净洗净度度)液位传感器，电阻传感液位传感器，电阻传感器器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器5、其他应用、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡+D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服6、PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用个人测试实验室个人测试实验室 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势1、传感器方面、传感器方面 a)利利用用新新发发现现的的材材料料和和新新发发现现的的生生物物、物物理理、化化学学效效应开发出的新型传感器应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量b)传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器2、测量信号处理方面、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术 用用PC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路优优点点我们的工作我们的工作主要传感器和测试仪器有主要传感器和测试仪器有工业自动化类工业自动化类传感器、振动传感器、振动/噪声噪声类类传感器、测量分析传感器、测量分析仪器等仪器等,国内外有许多国内外有许多生产厂商的产品可生产厂商的产品可以选用以选用测试发动机传感器和电子仪器的发动机设备用于发动机极端工作温度下的压力传感器 思考题：思考题：1.列出你身边的测试技术应用的例子。列出你身边的测试技术应用的例子。