1、港口及航道工程模型试验港口及航道工程模型试验第八章第八章 量测技术量测技术港航工程模型测量的主要物理量：港航工程模型测量的主要物理量：水位、流速、波浪、压力、拉力以及含沙量等水位、流速、波浪、压力、拉力以及含沙量等非物理量。非物理量。一、量测系统框图一、量测系统框图 量测系统量测系统模拟系统和数字系统（信号还原和模拟系统和数字系统（信号还原和失真度差别）。失真度差别）。第一节概述第一节概述图图8-1近代量测系统近代量测系统第一节概述第一节概述 各类传感器各类传感器-将非电物理理转换为电量，故也称变换将非电物理理转换为电量，故也称变换量，有电阻式、电容式、电磁式、光电式，还有超生波、量，有电阻式
2、、电容式、电磁式、光电式，还有超生波、激光等。激光等。第一节概述第一节概述 静态、动态特性静态、动态特性输入信号时间变化划分；输入信号时间变化划分；1静态特性静态特性（1）精确度）精确度 准确度准确度与实际值的偏离；精密度与实际值的偏离；精密度所测数值所测数值重复一致程度。重复一致程度。（2）灵敏度）灵敏度输出信号变化量输出信号变化量/输入信号变化量输入信号变化量（3）线性度）线性度（4）稳定性）稳定性（5）零点飘移）零点飘移（6）滞后性）滞后性第一节概述第一节概述 二量测系统特性二量测系统特性2动态特性动态特性（1）传递函数）传递函数输出输出/输入（信号比）输入（信号比）（2）动态参量）动态
3、参量时间常数，阻尼率，固有频率时间常数，阻尼率，固有频率（3）自振频率）自振频率大于被测物理量大于被测物理量410倍倍第一节概述第一节概述 二量测系统特性二量测系统特性对量测系统传感器要求：对量测系统传感器要求：（1）具有足够灵敏度和线形度）具有足够灵敏度和线形度 （2）较好的动态特性）较好的动态特性 （3）工作稳定，零漂小（放水防潮）工作稳定，零漂小（放水防潮）（4）避免传感器尺度对流场干扰）避免传感器尺度对流场干扰第一节概述第一节概述 二量测系统特性二量测系统特性第二节电阻应变测量第二节电阻应变测量电阻应变系统主要由三部分组成：电阻应变系统主要由三部分组成：（1）电阻应变片）电阻应变片 （
4、2）电阻应变仪）电阻应变仪 （3）记录仪）记录仪优点：精度高（优点：精度高（12），频响好，有现成机片应用，），频响好，有现成机片应用，使用（算）简单等；使用（算）简单等；缺点：只能测量局部（而不是全域）应变，受温度、湿缺点：只能测量局部（而不是全域）应变，受温度、湿度等影响大。度等影响大。第二节电阻应变测量第二节电阻应变测量 一、工作原理，构造与分类一、工作原理，构造与分类丝绕式应变片丝绕式应变片箔式和半导体式应变片箔式和半导体式应变片第二节电阻应变测量第二节电阻应变测量 一、工作原理，构造与分类一、工作原理，构造与分类第二节电阻应变测量第二节电阻应变测量 二应变片的选用与粘贴二应变片的选用
5、与粘贴n1应变片的选用应变片的选用n2应变片的粘贴工艺应变片的粘贴工艺分为静态、动态和超动态电阻应变仪。分为静态、动态和超动态电阻应变仪。第二节电阻应变测量第二节电阻应变测量 三电阻应变仪三电阻应变仪第三节压力测量第三节压力测量n1液柱平衡法（测压管）液柱平衡法（测压管）n2重力平衡法重力平衡法n3弹性变形法弹性变形法一应变片式压力传感器一应变片式压力传感器（P206）二压电式压力传感器二压电式压力传感器单晶硅膜片单晶硅膜片（P207）三测力传感器三测力传感器 筒形、柱形、环形和梁形等。筒形、柱形、环形和梁形等。第四节水位和波面测量第四节水位和波面测量n一测针一测针n二跟踪式自动水位仪二跟踪式
6、自动水位仪n三液阻式水位仪三液阻式水位仪两电极两电极n四钽丝电容浪高仪四钽丝电容浪高仪一电极一电极n五波周期和波长的测量五波周期和波长的测量两台浪高仪两台浪高仪n L=TL/t第五节流速和流量测量第五节流速和流量测量测速方法：测速方法：n接触式毕托管、旋浆式、电磁式、热膜式、电阻接触式毕托管、旋浆式、电磁式、热膜式、电阻片式和超声式片式和超声式n非接触式激光测速和流场显示测速非接触式激光测速和流场显示测速n一、毕托管流速仪一、毕托管流速仪 h=v2/2g第五节流速和流量测量第五节流速和流量测量 二、旋浆流速仪二、旋浆流速仪主要分：主要分：n计数法：计数法：v=kf+cv=kf+c n周期法：周
7、期法：v=v=（t t1 1+t+t2 2）k k+c+c n 优点：低流速、非恒定流，节省测流时间。优点：低流速、非恒定流，节省测流时间。式中：式中：v v 测点测点流速（流速（m/sm/s）；）；k k 旋浆系数，由旋浆结构性能而定，率定求得；旋浆系数，由旋浆结构性能而定，率定求得；f=n/tf=n/t,旋转频率，旋转频率，t t 为计测时间，为计测时间，n n为为t t 时段内的转数；时段内的转数；t t1 1遮盖第一次的时间；遮盖第一次的时间；t t2 2 遮盖第二次的时间。遮盖第二次的时间。n三、电磁流速仪三、电磁流速仪（法拉第定律）（法拉第定律）n四、流向的测量四、流向的测量n 1
8、、流动显示法；、流动显示法；n 2、量测分速度法；、量测分速度法；n 3、用舵叶跟踪流向。、用舵叶跟踪流向。第五节流速和流量测量第五节流速和流量测量第五节流速和流量测量第五节流速和流量测量 五流量测量五流量测量n1量水堰（三角、矩形）量水堰（三角、矩形）n2 文杜里管流量计文杜里管流量计n3电磁式流量计电磁式流量计n4超声式流量计超声式流量计第六节含沙量和地形测量第六节含沙量和地形测量一含沙量测量一含沙量测量 1、烘干法、烘干法 2、比重瓶法、比重瓶法 3、光电测沙法、光电测沙法二冲於地形测量二冲於地形测量1、接触式：（、接触式：（1）电阻式（）电阻式（2）光电式）光电式2、非接触式（、非接触
9、式（3）超声波地形仪（）超声波地形仪（4）跟踪式地形仪）跟踪式地形仪第七节测量数据的采集与记录第七节测量数据的采集与记录一测量数据的显示一测量数据的显示二动态测量记录器二动态测量记录器三光线示波器三光线示波器四微机系统自动控制、数据采集和处理四微机系统自动控制、数据采集和处理五五 遥控船模遥控船模 0zvyvxvzyxkdtdT回转角速度；回转角速度；t时间；时间；舵角。舵角。第八节流场显示技术第八节流场显示技术一概述一概述二显示方法二显示方法（1）壁面示踪法）壁面示踪法（2）丝线法）丝线法（3）直接注入示踪法）直接注入示踪法（4）化学反应示踪法）化学反应示踪法（5）光学法）光学法三显示装置原
10、理三显示装置原理四示踪剂四示踪剂五流谱及图数处理五流谱及图数处理第八节流场显示技术第八节流场显示技术5#1#4#2#3#XY1.61.822.22.42.62.833.2-0.4-0.200.20.40.60.811.2Frame 001 12 Jun2006 title明沟出流消能型式明沟出流消能型式XY1.61.822.22.42.62.833.2-0.4-0.200.20.40.60.811.21 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415z=0.6m1#2#3#4#5#Frame 001 02 Jun2006 title5#1#2#3#4#XZ1.41.61.822.22
11、.42.62.8300.20.40.60.811.21.4Frame 001 12 Jun2006 title盖板出流消能型式盖板出流消能型式5#1#2#3#4#y=-4mv=0.2m/sXZ1.41.61.822.22.42.62.830.20.40.60.811.21.41.60.02 0.06 0.1 0.14 0.18 0.22Frame 001 12 Jun2006 title5#1#v=0.2 m/s4#2#3#z=3 mXY1.61.822.22.42.62.833.2-0.4-0.200.20.40.60.811.20.02 0.06 0.1 0.14 0.18 0.22Fra
12、me 001 12 Jun2006 title第八节流场显示技术第八节流场显示技术 阀门后突扩体型阀门后突扩体型流场显示流场显示第八节流场显示技术第八节流场显示技术 阀门后突扩体型阀门后突扩体型压力显示压力显示港口及航道工程模型试验港口及航道工程模型试验第九章第九章 试验数据的处理试验数据的处理直接测量：如速度，压力直接测量：如速度，压力 间接测量：如加速度间接测量：如加速度 测量数据：确定性非确定性（明确的数学关系测量数据：确定性非确定性（明确的数学关系式描述的数据）。式描述的数据）。第一节概述第一节概述第一节概述第一节概述相对误差：相对误差：系统误差系统误差仪器精度和环境影响；仪器精度和环
13、境影响；随机误差随机误差偶然、无规律误差；偶然、无规律误差；粗大误差粗大误差错误。错误。第二节试验数据的误差分析第二节试验数据的误差分析 一统计特征值一统计特征值1平均值：算术平均值，几何平均值平均值：算术平均值，几何平均值2离差：离差：（1）标准误差）标准误差均方差，各误差平方和的平均值的平方均方差，各误差平方和的平均值的平方根根；（2）平均误差）平均误差残差的绝对值的算术平均值；残差的绝对值的算术平均值；（3）概率误差）概率误差将误差绝对值按大小排列的中间数；将误差绝对值按大小排列的中间数；（4）离散系数）离散系数标准差或平均差与算术平均数之比。标准差或平均差与算术平均数之比。假定假定系统
14、误差不存在，或消除，或可忽略。系统误差不存在，或消除，或可忽略。1对称性对称性2两头小，中间大，单峰性两头小，中间大，单峰性3有界性有界性4随机误差平均值趋于零随机误差平均值趋于零 正态分布正态分布第二节试验数据的误差分析第二节试验数据的误差分析 二、随机误差的特性及分布（二、随机误差的特性及分布（有规律性有规律性）高斯误定律高斯误定律误差曲线误差曲线误差分布函数误差分布函数置信概率置信概率置信区间置信区间第二节试验数据的误差分析第二节试验数据的误差分析 二、随机误差的特性及分布（二、随机误差的特性及分布（有规律性有规律性）第二节试验数据的误差分析第二节试验数据的误差分析 三间接测量误差的估计
15、三间接测量误差的估计21)(ixniixxf复合量的误差传递公式。复合量的误差传递公式。误差传递公式误差传递公式第三节试验数据的统计检验第三节试验数据的统计检验一异常数据的发现与剔除一异常数据的发现与剔除二系统误差的检验与消除二系统误差的检验与消除三统计分布形式的检验三统计分布形式的检验第四节经验公式的拟合第四节经验公式的拟合一一元线性回归一一元线性回归 1散点图与回归线散点图与回归线 2一元线性方程的求法一元线性方程的求法 3回归方程的检验（相关系数检验法，回归方程的检验（相关系数检验法，F检验）检验）4利用回归方程进行预报利用回归方程进行预报二一元非线性回归二一元非线性回归 1指数回归指数
16、回归 2幂函数回归幂函数回归 3对数曲线对数曲线 4双曲线双曲线三多元线性回归三多元线性回归四多项式回归四多项式回归五试验数据的优化回归五试验数据的优化回归第四节经验公式的拟合第四节经验公式的拟合第五节随机数据处理概述第五节随机数据处理概述一动态信号数据的类型和描述一动态信号数据的类型和描述 1、时间域手描述：均值、均方值、均方差值、概率密度、概、时间域手描述：均值、均方值、均方差值、概率密度、概率分布、自相关函数、互相关函数率分布、自相关函数、互相关函数 2、频域描述：自功率谱密度（自谱）、互功率谱密度函数、频域描述：自功率谱密度（自谱）、互功率谱密度函数（互谱），谱相关函数、传递函数（互谱
17、），谱相关函数、传递函数二随机信号的时域描述二随机信号的时域描述（一）幅值分析（一）幅值分析 1、统计值、统计值 2、幅值概率密度函数、幅值概率密度函数（二）相关函数分析（二）相关函数分析第五节随机数据处理概述第五节随机数据处理概述三频谱分析三频谱分析四随机数据的获得和预处理四随机数据的获得和预处理n水位测量：测针读数，测压灌读数，压力传感器水位测量：测针读数，测压灌读数，压力传感器；n流速测量：率定，流速测量：率定，k,c值，测量次数，误差或错误；值，测量次数，误差或错误；n波浪测量：最大和平均值，时间过程；波浪测量：最大和平均值，时间过程；n压力测量：最大和平均值，时间过程；压力测量：最大和平均值，时间过程；n泡水，回流、船模航迹泡水，回流、船模航迹
