动力工程测控技术(1).ppt

动力工程测控技术,热工程研究所章立新,,,,3.动力工程基本量测量技术,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,3.1.1静态特性静态特性曲线,理论设计时希望ya1x为线性特性，并且a00，无零点偏移。静态校准在标准条件下，用高于被校系统35倍精度的校准设备，对系统重复（不少于3次）进行全量程逐级地加载（正行程）和卸载（反行程）测试，从而确定输入和输出关系的过程。,理论特性曲线,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,静态校准条件环境温度为205℃，湿度不大于85，大气压力为101.38Kpa，没有振动和冲击（除非这些参数本身是被测物理量）。静态校准曲线由各次校准数据的平均值拟合得到的曲线。如用线性拟合，也称为工作直线，对应的方程称为拟合方程。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,量程和刻度范围准确度（精度）,最大输入量与最小输入量区间称为量程；仪表刻度终值与始值区间称为刻度范围。两者相差仪表的基本误差和倍率。,仪表的最大绝对误差折合到仪表标尺范围的百分数，按此将仪表精度分级，常用有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。注意对同一量程和准确度的仪表，其绝对误差与被测参数的大小无关；对同一准确度的仪表，量程越大，绝对误差也越大。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,因此，在满足被测量数值范围的前提下，尽可能选择量程小的仪表，对稳态测量值选在仪表满刻度的三分之二左右。例被测温度40℃左右，要求-0.5℃≤Δt≤0.5℃，请选择合适的温度计。（1）050℃（2）0100℃（3）50100℃，1.0级（4）050℃，（5）0100℃，0.5级,精度满足要求，测点位置合适。,精度不满足要求，测点不位置合适。,精度满足要求，测点位置不合适，与（1）比不经济。,测点位置合适，精度高于要求，与（1）比不经济。,量程范围不对,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,线性度,反映实际输入、输出与理想直线的偏离程度。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,迟滞性,反映测量装置正、反行程校准曲线在同一校准级上输出值不一致的程度，也称为变差。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,重复性,反映在规定的同一校准条件下对测量装置按同一方向在全量程范围内多次重复校准得到的各次校准曲线的不一致性。,t为置信系数，一般取95置信度的t分布值；σmax为正、反行程各校准级上标准偏差σvj的最大值,反行程第j-a校准级（校准n次）,正行程第j校准级（校准n次）,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,灵敏度,静态测量时，输出量变化值Δy与输入量变化值Δx之比。对一台线性仪表，S为常数，但表达的方式和含义不完全一致。如5mV/Mpa表示某压力传感器的输入每变化1Mpa有5mV的变化输出。1.5mV/V表示某压力传感器在额定压力作用下，当电桥输入电压为1V时，电桥输出电压为1.5mV。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,分辨力和分辨率环境误差,分辨力指能引起输出量发生变化的最小输入量Δx。分辨率用全量程范围内最大的Δx与测量系统满量程输出值之比表示。,仪表特性随温度等环境条件的变化而变化。如,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,输入阻抗与输出阻抗,输入阻抗是指仪表在输出端接有额定负载时，输入端所表现出来阻抗。输入阻抗越大，信号源衰减程度越小。输出阻抗是指仪表在输入端接有信号源时，输出端所表现出来阻抗。输出阻抗小，信号衰减程度也小。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,3.1.2动态特性线性系统动态特性的数学模型,动态特性是指仪表对随时间变化的被测量的响应特性。动态特性好，其输出量随时间变化的曲线与被测量随同一时间变化的曲线一致或者比较接近。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,传递函数,为简化计算，对上述微分方程通过拉氏变换，将初始条件为零时输出与输入的拉氏变换之比定义为传递函数H（s）和输入无关，它只反映测量系统本身的特性，包含瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息，并且与具体的物理结构也无关，如弹簧-阻尼系统和RC电路同是一阶系统（n1）。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,频率响应函数,输入信号为正弦函数时，测量系统的响应称为频率响应。传递函数也称为线性系统的频率响应函数，它等于在初始条件为零时输出与输入的傅氏变换（）之比,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,从物理意义上说，通过傅氏变换可将满足一定条件的任意信号分解成不同频率的正弦信号之和，其实质是将由时间域变换到频率域来描述，H（jw）反映一个系统对正弦输入的稳态响应。如果输入一个标准正弦信号其稳态输出将是与输入同频率的正弦信号则,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,测量系统的频率响应一阶系统的频率响应,常见的一阶系统有弹簧-阻尼、RC电路、RL电路、液体温度计等，这些装置均可以用一阶微分方程来表示它们的输入与输出关系。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,,对弹簧-阻尼系统，根据力学平衡,,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,对不同物理结构的测量系统，传递函数形式相同，参数有所不同，如RC电路，。对一阶系统的频率响应特性其幅频特性（设K1）相频特性,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,1、一阶系统在正弦激励下，稳态输出时响应幅值和位相差取决于输入信号的频率ω和系统的时间常数τ。2、响应幅值随ω的增大而减小，位相差随ω的增大而增大。3、频率响应还与τ有关。当ωτ0.3时，振幅与相位失真都比较小，说明τ小，工作频率范围就可以大一些。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,二阶系统的频率响应,典型的二阶系统有弹簧-质量-阻尼、RLC电路等。这些装置均可以用二阶微分方程来表示它们的输入与输出关系。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,对弹簧-质量-阻尼系统，根据力学平衡,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,设K1对二阶系统的频率响应特性其幅频特性和相频特性分别为,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,测量系统的阶跃响应一阶系统的阶跃响应,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,二阶系统的阶跃响应,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,二阶系统的时域性能指标,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,测量系统动态特性参数的测定一阶测量系统时间常数τ的测定二阶系统阻尼比ζ和固有频率ωn的测定,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,例某一阶压力传感器的时间常数为0.5s，如果阶跃压力从25MPa降到5MPa，试求2倍时间常数的压力和2s后的压力。,3.1测量仪表的静态特性和动态特性,例某二阶力传感器，固有频率为1KHz，阻尼比等于0.7，设灵敏度为1，求测量频率分别为600Hz和400Hz的正弦交变力的输出与输入的幅值比和相位差。,作业,某温度传感器的时间常数为3s，当传感器受突变温度作用后，求传感器指示出温度差的1/3和1/2所需时间。某一阶测量系统，在t0时，输出为10mV；在稳定后，输出为100mV；在t5s时，输出为50mV；求该测量系统的时间常数。某力传感器为二阶系统，已知固有频率为10KHz，阻尼比为0.6，如果要求其幅值误差不大于10，问其可测的频率范围有多大,3.2传感器,3.2.1传感器传感器的作用传感器命名法,传感器（Transducer或者Sensor）是将非电量转换成与之有确定对应关系的电量或电参量的装置。,1、敏感作用完成信号的拾取；2、转换作用完成非电量到电量的转换。,主题词被测量转换原理或特征描述主要技术指标,传感器，压力，应变式，10KPa,传感器，位移，磁电式，10mm,3.2传感器,传感器的分类电阻式传感器金属应变式；半导体压阻式电容式传感器变面积式；变介电常数式；变间隙式电感式传感器自感型可变磁阻式；互感型差动变压器式电涡流式传感器高频发射式；低频发射式磁电式传感器动圈式；磁阻式；霍尔式压电式传感器热电式传感器热电偶；热电阻光电式传感器光敏电阻；光电池；光敏晶体管光纤传感器功能型；非功能型；拾光型,3.2传感器,3.2.2电阻式传感器金属应变式传感器,将物理量的变化转换为敏感元件应力的变化致使电阻值改变，再通过转换电路变为相应的电信号输出。,,工作原理,3.2传感器,,应变片构造与分类,3.2传感器,弹性敏感元件,基本特性非线性度、弹性滞后、弹性后效、固有频率,3.2传感器,测量电路常用电桥电路，按电源性质不同，有直流电桥和交流电桥。应变片布置有单臂、双臂和全桥等形式。温度误差及补偿温度误差的补偿有桥路补偿法和组合式自补偿法。金属电阻应变式传感器的特点性能稳定，精度高（0.050.015）；测量范围宽（0.031000MPa）；结构简单，使用方便；对环境适应能力强。,3.2传感器,半导体压阻式传感器,,金属电阻应变式传感器的应用应变片可直接贴于被测试件上，也可贴于各种弹性敏感元件上，构成测量各种物理量的传感器，再接入测量电桥，常用于力、压力、位移、加速度和扭矩的测量。,工作原理,压阻式传感器的典型结构,3.2传感器,压阻式传感器的特点及应用灵敏度高；固有频率高，响应快；结构简单，可方便地实现微型化，易于批量生产；精度高；工作可靠，抗振、抗干扰能力强。电阻和灵敏系数的热稳定性差，使用温度范围受到一定的限制，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿；量程小，在测量大应变时，非线性较严重；受腐蚀性气体影响大、工艺复杂、要求严格、成本较高。这类传感器在航空、航天及风洞等方面得到广泛应用。,3.2传感器,3.2.3电容式传感器变面积式电容传感器,,3.2传感器,变介电常数式电容传感器,3.2传感器,变间隙式电容传感器,3.2传感器,差动电容传感器,3.2传感器,有电桥电路、运算放大器电路、调频电路、二极管环型检波电路、脉宽调制电路等。,运算放大器电路原理,测量电路,3.2传感器,,电容传感器的特点及应用,特点1、输入能量小，灵敏度高；2、动态特性好；3、结构简单，环境适应性好；4、非线性较大；5、外界电容影响大。应用1、可直接测量直线位移，角位移和介质的几何尺寸以及动态的直线振动和角振动；2、单极式变间隙电容传感器常用于金属表面状况、距离尺寸、振幅等测量；3、用于力、压力测量时，要用弹性元件先将压力转换成电容间距的变化；4、可变介电常数式电容传感器常用于液位测量和温度湿度测量。,3.2传感器,3.2.4电感式传感器自感型可变磁阻式传感器,利用电磁感应原理，把位移、振动、压力、流量等转换为电感线圈电感量变化的一种装置。,传感器灵敏度SL/δ，一般取Δδ/δ0≤0.1，Δδ0.0011mm,3.2传感器,互感型差动变压器式传感器,常用可变磁阻式传感器的典型结构,可变导磁面积型变气隙差动型单螺管线圈型双螺管线圈差动型,i,e1-M1di/dte2-M2di/dt,3.2传感器,测量电路衔铁移动使互感系数M1和M2变化，从而输出e0。差动变压器式传感器的后接电路，需要采用即能反映衔铁位移的大小和方向，又能补偿零点残余电压的相敏检波输出电路。,3.2传感器,差动变压式传感器的特点,3.2传感器,3.2.5电涡流式传感器高频反射式电涡流传感器,线圈的阻抗ZFd,I,r,ρ,μ,ωd距离；r尺寸因子；I、ω激励电流强度和频率；ρ、μ金属材料电导率和磁导率,高频磁场不能透过一定厚度的金属板，表面涡电流反作用于线圈，导致线圈电感的变化。常用于测量探头与金属板之间距离的变化。,3.2传感器,低频透射式电涡流传感器,,低频激励贯穿深度大，金属材料的厚度和电阻率，影响低频激励的贯穿深度，从而影响感生交变电势u2，因此低频激励适用于测金属材料的厚度。激励频率较低（1KHz）时，线性好，测量范围大，但灵敏度低。如金属材料的厚度较小时，采用较高的激励频率以提高灵敏度。另外，金属材料的电阻率较小时，用较低的激励频率（0.5KHz），而电阻率较大时，用较高的激励频率（2KHz）。,3.2传感器,测量电路,1.电桥电路可以把线圈的阻抗作为电桥的一个桥臂，但通常用两个相同的电涡流线圈组成差动传感器。2.谐振电路通常采用一个电容与电涡流线圈并联，构成并联谐振LC回路。,3.2传感器,被测体的材料、形状和大小对测量的影响,被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度较高；被测体是磁性材料时，磁导率将影响电涡流线圈的感抗和等效品质因数，灵敏度要根据具体情况而定。一般情况下，被测体电导率越高，灵敏度越高，在相同量程下，其线性范围越宽。被测体面积比传感器检测线圈大得多时，灵敏度基本不变，被测体面积比传感器检测线圈小时，灵敏度下降。被测体厚度一般需要在0.2mm以上。测量时要尽量避开其它导体。,3.2传感器,电涡流传感器的应用,1.位移测量2.振幅测量3.转速测量4.涡流探伤测量,3.2传感器,3.2.6磁电式传感器磁电感应式传感器之一动圈式,通过磁电作用把被测物理量的变化转换为感应电动势e的变化。,1.线速度型eNBLvsinθ（常用作速度计）N在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；L单匝线圈有效长度；v线圈与磁场的相对运动速度；B磁感应强度；θ线圈运动方向与磁场方向的夹角。2.角速度型ekNBAω（常用作转速计）k依赖于结构的系数A单匝线圈截面积ω角频率,3.2传感器,磁电感应式传感器之一磁阻式,线圈与磁铁不动，有运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁力线增强或者减弱，使线圈产生感生电动势。,3.2传感器,霍尔传感器,霍尔效应,3.2传感器,霍尔元件,霍尔元件结构,霍尔元件的两种符号,霍尔元件的基本电路,半导体材料N型锗（Ge）锑化铟（InSb）砷化铟（InAs）,3.2传感器,,霍尔元件的主要参数,3.2传感器,,3.2传感器,,霍尔器件的误差与补偿（1）温度误差与补偿,3.2传感器,（2）不等位电势与补偿,3.2传感器,霍尔元件的特点及应用,微位移测量,转速测量,3.2传感器,3.2.7压电式传感器,压电效应,3.2传感器,3.2传感器,压电材料的性能主要特性参数性能要求,3.2传感器,压电式传感器的输出与测量电路,为了提高输出灵敏度，通常将n片压电晶体叠合使用。,对并联法，有Qnq，Uu，CC0。由于输出电荷量大，通常以电荷输出，又因其电容量大，时间常数也大，故适用于测量慢变信号；对串联法，有Qq，Unu，CC0/n。由于输出电压量大，通常以电压输出，又因其电容量小，时间常数也小，故适用于测量瞬变信号。为防止传感器的电荷通过测量电路的输入电阻释放掉，相应的有电荷放大器和电压放大器两种形式的高阻抗仪器与它配套。,3.2传感器,压电式传感器的特点（1）属于自源传感器，受力后即有电压输出。（2）固有频率高，适于测量动态力。（3）灵敏度高，信噪比大，工作可靠，体积小，重量轻。（4）多数实用压电材料，刚度大、强度高、工作变形小。（5）对测量电路的阻抗和传输电缆有要求，以防止漏电而影响测量的精度。（6）可作为压力、温度等测量的传感器。,3.2传感器,3.2.8热电式传感器热电偶,是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。,热电效应,接触电势由不同导体因自由电子密度不同导致扩散产生的电动势，与材料的性质及接触点的温度有关。温差电势由于导体或半导体两端温度不同而产生的一种电动势，与材料的性质及导体两端的温差有关。回路总电势,3.2传感器,,热电偶的基本定理,（1）均质导体定律用均匀导体组成闭合回路，则不论此导体是否存在温度梯度，均不产生电动势。,3.2传感器,（2）中间导体定律在热电偶回路中加入第3种导体材料时，如果两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影响。（3）中间温度定律对同一热电偶，当冷端处于恒定的中间温度t1（t0t1t，则有（4）标准热电极定律任意3种导体A，B，C组成AB，CB，AC三种热电偶，则有,3.2传感器,热电偶的常用材料（1）热电极材料的基本要求（2）常用热电偶材料铂铑10-铂热电偶（S）；镍铬-镍硅热电偶（K）；铂铑30-铂铑6热电偶（B）；镍铬-康铜热电偶（E）；铜-康铜热电偶（MK）；等（3）非标准化热电偶高温钨铼热电偶；低温金铁-镍铬热电偶,3.2传感器,热电偶测温的主要优点（1）结构简单，使用方便，制造容易，热电偶的大小和形状可按照需要自行配置；（2）测量温度范围广，低温用热电偶可达-270℃，高温用热电偶可达3000℃；（3）测量精确度较高；（4）属于自源传感器，无须外加电源；（5）易于实现远距离传输和测量。,3.2传感器,热电偶结构（1）普通热电偶（2）铠装热电偶（3）快速反应薄膜热电偶（4）快速消耗微型热电偶,3.2传感器,冷端补偿（1）冷端恒温（2）补偿导线（3）冷端补偿器,热电偶的连接方式（1）单点连接（2）并联连接（3）串联连接（4）反接与热电偶配套的测温仪表直流电位差计、自动电子电位差计、热电偶温度变送器,,3.2传感器,3.2传感器,热电偶测温误差（1）热电偶的分度误差（2）动态响应误差及消除（3）安装误差（4）导热误差（5）测量误差冷端补偿不完全、补偿导线使用不当、测量仪表与测量电路电阻变化引入的误差（6）老化误差,3.2传感器,热电阻,热电阻效应,物质电阻率随本身温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。,热电阻的常用材料（1）热电阻材料的基本要求（2）常用热电阻铂热电阻；铜热电阻；NTC型热敏电阻热电阻温度计的测量仪表直流平衡电桥、自动电子平衡电桥、热电阻温度变送器,3.2传感器,热电阻结构形式,热电阻的接线形式（1）二线制（2）三线制,3.2传感器,热电阻的特点金属热电阻与热电偶相比，同样温度下输出信号大，容易测量，测温上限不及热电偶高，但0℃下反应较灵敏，适宜测低温；热电阻阻值测量必须借助外加电源，但不需冷端补偿；热电阻的感温体结构复杂、体积较大、热惯性大、抗机械冲击和振动性能也较差，不适宜测体积狭小之处的温度和瞬态变化的温度。半导体热敏电阻的主要优点是温度系数大，灵敏度高，电阻率较大，测量系统简单，体积小，连接导线对测量误差的影响小，此外，其结构简单、价格低廉，使用寿命长。主要缺点是性能不够稳定，互换性差，精度低，测量范围有限，目前在-50℃300℃左右，电阻与温度呈非线性。,3.2传感器,3.2.9光电式传感器,光电效应,3.2传感器,光电传感器的主要特性光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性,3.2传感器,3.2.10光纤传感器,3.2传感器,光纤导光原理与分类按折射率分阶跃型光纤和渐变型光纤；按传输模式分单模光纤和多模光纤。,3.2传感器,光纤传感器的分类（1）功能型强度调制型偏振调制型频率调制型相位调制型（2）非功能型（3）拾光型,3.2传感器,光纤传感器的应用,遮光式光纤温度传感器,透射型半导体光纤温度传感器,膜片反射式光纤压力传感器,3.3温度测量,温度的物理概念温标,宏观概念热平衡状态系统的宏观性质。微观概念分子平均动能大小的量度。,摄氏温标华氏温标热力学温标,3.3温度测量,温度测量方法,接触式测温方法选择某种物体与被测物体接触使温度达到平衡，利用该物体由于受热程度不同，其物理性质（如线性尺寸、容积、压力、电阻、电势、电容、压电晶体的振动频率、铁磁体的磁导率和涡流损失、P-N结电压降等）随着变化的特性来测量温度。如双金属温度计、玻璃管液体温度计、压力式温度计、热电阻、热电偶、电容谐振温度计、石英晶体温度计、电涡流温度计、半导体温度计等。非接触式测温方法利用辐射、折射率、声速、光谱等与温度的关系测量温度。如光学高温计、辐射高温计、比色高温计、红外辐射温度计、激光全息干涉测温、光声光偏转测温、喇曼散射测温、激光感生荧光测温等。,3.3温度测量,温度计精度量值传递系统测温技术,3.3温度测量,国家基准铂电阻温度计→工作基准铂电阻温度计→一等标准铂电阻温度计→一等标准水银温度计、二等标准铂电阻温度计、标准数字温度计、标准高温铂电阻温度计、标准体温计、标准贝克曼温度计→标准铜-康铜热电偶、二等标准水银温度计、标准水银基准温度计→测量器具,高速气流的温度测量（静温、总温、有效温度，恢复系数，校准风洞，滞止罩）；高温气体的温度测量（考虑传感器对周围的辐射，或者传感器不能承受平衡后高温；零直径外推、双热电偶、遮热罩、抽气热电偶、气动式高温计、动态热电偶法）,3.3温度测量,,壁面温度测量（考虑热电偶本身导热，注意安装和修正）平均温度测量（注意测点布置及热电偶堆的连接方式）温度场测量（光测、双热电偶扫描）转动体温度信号的传送（无线发射）发射热流量计气体动态温度测量,压力及单位换算,3.4压力测量,液体、气体或蒸汽介质垂直作用于容器单位面积上的力。,3.4压力测量,压力仪表分类,液柱式压力计U型管、倾斜式微压计、杯式、补偿式活塞式压力计单活塞、双活塞弹簧式压力计弹簧管式、膜片式、膜盒式、波纹管式、板簧式压力传感器电位器式、霍尔式、应变式、电感式、压阻式、电容式、振频式等,3.4压力测量,压力标准传递系统,工作基准活塞压力计→（0.02级）一等标准活塞压力计→（0.05级）二等标准水银压力真空计、二等标准活塞压力真空计、二等标准活塞压力计、二等标准双活塞压力真空计→三等标准水银压力真空计、三等标准活塞压力计、三等标准弹簧式真空计、三等标准弹簧式压力计→水银压力真空计、弹簧式真空计、弹簧式压力计、弹簧式压力真空计压力传感器校准活塞压力计,3.5流速与流量测量,3.5.1气流速度的测量利用气压法测量气流速度,静压测量L管，适合低速，安装方向和测压孔径及管对气流的扰动影响测量结果。壁面静压孔，孔的直径、几何形状和方向影响测量结果。总压测量总压管，孔轴线与气流夹角、孔径影响测量结果，端部外形对气流偏角的敏感性不大。动压测量毕托管倾斜式差压微压计校准风洞吸入式、射流式、吸入-射流式、正压式,微风速的测量多普勒激光测速,热线风速仪,激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光相比较有正比于流体速度的频率偏移，测出该偏移，可得到流体速度。,电加热热线，热线电阻与热线温度相关，热线温度与来流速度有关，由此通过桥路测量热线电阻，从而可得到来流速度。,3.5流速与流量测量,3.5.2流量测量,分类速度式叶轮式水表、差压式孔板流量计、靶式流量计、转子流量计、涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计等。容积式椭圆齿轮流量计，盘式流量计质量式涡街流量计，分流旋转翼式蒸汽流量计校准容积法、称重法、比较法,3.5流速与流量测量,第3章结束，谢谢大家,,