Đo lường Cơ khí: Lý thuyết và Thiết kế - Richard S. Figliola, Clemson University

• Tác giả: Richard S. Figliola
• Trường học: Clemson University
• Chuyên ngành: Đo lường cơ khí
• Đề tài: Lý thuyết và thiết kế cho đo lường cơ khí
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về Figliola Mechanical Measurements 5th Edition

Theory and Design for Mechanical Measurements ấn bản thứ năm là giáo trình chuẩn mực về đo lường cơ khí do Richard S. Figliola và Donald E. Beasley biên soạn. Hai tác giả công tác tại Đại học Clemson, Hoa Kỳ. Cuốn sách do nhà xuất bản John Wiley & Sons phát hành năm 2011. Ấn bản này cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc cho lĩnh vực kỹ thuật đo lường. Nội dung bao gồm nguyên lý thiết kế hệ thống đo, phân tích sai số, hiệu chuẩn thiết bị và kỹ thuật xử lý dữ liệu. Giáo trình được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học kỹ thuật trên toàn thế giới. Cuốn sách phù hợp cho sinh viên ngành cơ khí, kỹ thuật y sinh và các ngành kỹ thuật liên quan. Ấn bản thứ năm cập nhật nhiều nội dung mới so với các phiên bản trước. Sách in trên giấy không axit, đảm bảo chất lượng lưu trữ lâu dài. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho người học và nghiên cứu đo lường.

1.1. Giới thiệu tác giả và nhà xuất bản uy tín

Richard S. Figliola và Donald E. Beasley đều là giáo sư tại Đại học Clemson, bang Nam Carolina, Hoa Kỳ. Cả hai có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực đo lường cơ khí. Nhà xuất bản John Wiley & Sons được thành lập từ năm 1807, là một trong những nhà xuất bản khoa học kỹ thuật lâu đời và uy tín nhất thế giới. Wiley đã hoạt động hơn 200 năm, cung cấp tri thức cho hàng triệu độc giả toàn cầu. Công ty có chính sách trách nhiệm xã hội rõ ràng, bao gồm bảo vệ môi trường và đạo đức kinh doanh. Sự kết hợp giữa tác giả danh tiếng và nhà xuất bản hàng đầu tạo nên giá trị học thuật vượt trội cho cuốn sách.

1.2. Phạm vi nội dung và đối tượng sử dụng

Cuốn sách bao quát toàn diện lý thuyết đo lường cơ khí từ cơ bản đến nâng cao. Nội dung chính gồm nguyên lý thiết kế hệ thống đo, phân tích sai số, hiệu chuẩn, xử lý tín hiệu và kỹ thuật đo lường cụ thể. Đối tượng chính là sinh viên đại học và sau đại học ngành kỹ thuật cơ khí. Ngoài ra, cuốn sách cũng phục vụ kỹ sư, nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực đo lường. Giáo trình được thiết kế cho cả học phần lý thuyết lẫn thực hành thí nghiệm. Các bài tập cuối chương giúp người đọc củng cố kiến thức hiệu quả.

II. Phân tích sai số và độ chính xác trong đo lường cơ khí

Sai số và độ chính xác là hai khái niệm cốt lõi trong đo lường cơ khí. Giá trị thực của đại lượng đo几乎 không thể biết chính xác hoàn toàn. Giá trị đo được từ hệ thống đo luôn khác biệt so với giá trị thực. Độ chính xác đo lường thể hiện mức độ gần nhau giữa giá trị đo và giá trị thực. Sai số được định nghĩa là hiệu giữa giá trị đo và giá trị thực theo công thức: e = Giá trị đo - Giá trị thực. Nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến cả giá trị đo lẫn giá trị thực. Do đó, khái niệm độ chính xác mang tính định tính nhiều hơn định lượng. Phương pháp tiếp cận phù hợp là xác định sai số đo lường và định lượng chúng bằng độ bất định. Độ bất định là khoảng giá trị ước lượng của sai số. Việc ước lượng sai số thường dựa trên giá trị tham chiếu sử dụng trong quá trình hiệu chuẩn thiết bị. Hiểu rõ sai số giúp nâng cao chất lượng kết quả đo lường đáng kể.

2.1. Định nghĩa sai số đo lường và cách tính toán

Sai số đo lường được định nghĩa chính thức là hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị thực. Công thức tính: e = Giá trị đo - Giá trị thực. Giá trị thực hầu như không thể xác định tuyệt đối trong thực tế. Vì vậy, người ta thường sử dụng giá trị chuẩn tham chiếu làm đại diện cho giá trị thực. Giá trị chuẩn này được thiết lập trong quá trình hiệu chuẩn thiết bị đo. Sai số có thể dương hoặc dương tùy thuộc vào hướng lệch. Việc hiểu bản chất sai số là bước đầu tiên để cải thiện chất lượng đo lường. Phương pháp tính toán sai số được trình bày chi tiết trong chương năm của giáo trình.

2.2. Độ bất định và phân loại sai số đo lường

Độ bất định đo lường là đại lượng định lượng hóa khoảng giá trị của sai số. Khái niệm này thay thế cách tiếp cận truyền thống chỉ nói về độ chính xác. Sai số đo lường được phân loại thành hai loại chính: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số hệ thống có hướng và độ lớn cố định, có thể loại bỏ bằng cách hiệu chuẩn. Sai số ngẫu nhiên biến đổi không theo quy luật, cần xử lý bằng phương pháp thống kê. Việc xác định độ bất định yêu cầu phân tích kỹ lưỡng các nguồn sai số. Giáo trình trình bày phương pháp đánh giá độ bất định theo tiêu chuẩn quốc tế. Hiểu biết về phân loại sai số giúp người đo lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp.

III. Phương pháp hiệu chuẩn và thiết kế hệ thống đo lường

Hiệu chuẩn là quá trình so sánh thiết bị đo với chuẩn tham chiếu có độ chính xác cao hơn. Mục đích hiệu chuẩn là xác định mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của thiết bị. Quá trình này giúp đánh giá và điều chỉnh sai số hệ thống trong đo lường. Thiết kế hệ thống đo lường yêu cầu hiểu biết sâu về nguyên lý hoạt động cảm biến. Mỗi hệ thống đo bao gồm các phần tử: cảm biến, biến đổi tín hiệu, xử lý dữ liệu và hiển thị. Thiết kế thí nghiệm tốt cần xác định rõ các biến số quan trọng cần đo. Người thiết kế phải liệt kê các giả thiết nội tại trong quá trình thử nghiệm. Phương pháp tiếp cận bổ sung giúp đánh giá tính hợp lệ của kết quả đo. Việc diễn giải dữ liệu đo lường phải trả lời được câu hỏi nghiên cứu ban đầu. Giáo trình cung cấp nhiều ví dụ thực tế về thiết kế thí nghiệm đo lường cơ khí.

3.1. Quy trình hiệu chuẩn thiết bị đo lường

Quy trình hiệu chuẩn bắt đầu bằng việc lựa chọn chuẩn tham chiếu phù hợp. Chuẩn tham chiếu phải có độ chính xác cao hơn ít nhất ba lần so với thiết bị cần hiệu chuẩn. Tiếp theo, áp dụng các mức tín hiệu đầu vào đã biết lên thiết bị đo. Ghi lại giá trị đầu ra tương ứng tại mỗi mức đầu vào. Xây dựng đường đặc tuyến hiệu chuẩn thể hiện mối quan hệ đầu vào-đầu ra. Xác định sai số tại mỗi điểm đo và đánh giá độ tuyến tính. Lập báo cáo hiệu chuẩn ghi rõ điều kiện môi trường và kết quả. Hiệu chuẩn định kỳ đảm bảo thiết bị đo duy trì độ chính xác theo thời gian.

3.2. Thiết kế thí nghiệm đo lường cơ khí hiệu quả

Thiết kế thí nghiệm đo lường bắt đầu bằng việc xác định rõ mục tiêu đo lường. Tiếp theo, liệt kê tất cả các biến số quan trọng ảnh hưởng đến kết quả. Cần phân biệt biến số kiểm soát, biến số đo lường và biến số nhiễu. Ví dụ, khi đo gia tốc xe trên mặt phẳng nghiêng, biến số gồm góc nghiêng, khoảng cách, thời gian và chiều dài vật thể. Giả thiết nội tại cần được ghi nhận rõ ràng trong thiết kế. Phương pháp tiếp cận bổ sung giúp xác nhận tính hợp lệ của dữ liệu thu được. Số liệu thu thập phải đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy thống kê. Cách diễn giải dữ liệu phải trực tiếp trả lời câu hỏi nghiên cứu đề ra.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của Figliola Mechanical Measurements

Theory and Design for Mechanical Measurements ấn bản thứ năm là tài liệu học thuật giá trị cao. Cuốn sách cung cấp nền tảng toàn diện về lý thuyết đo lường cơ khí hiện đại. Kiến thức từ giáo trình áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật thực tiễn. Ngành chế tạo máy sử dụng nguyên lý đo lường để kiểm soát chất lượng sản phẩm. Kỹ thuật y sinh áp dụng đo lường cơ khí trong thiết kế thiết bị chẩn đoán. Ngành năng lượng sử dụng kỹ thuật đo để giám sát hiệu suất hệ thống. Ngành hàng không vũ trụ đòi hỏi độ chính xác đo lường cực kỳ cao. Giáo trình cũng hữu ích cho nghiên cứu khoa học vật liệu và kết cấu. Các kỹ sư ứng dụng kiến thức đo lường để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Cuốn sách trang bị tư duy phân tích và kỹ năng thiết kế thí nghiệm vững chắc. Đây là đầu tư tri thức quan trọng cho sự nghiệp kỹ thuật dài hạn.

4.1. Ứng dụng trong kiểm soát chất lượng công nghiệp

4.2. Giá trị học thuật và hướng phát triển đo lường

Giáo trình Figliola Mechanical Measurements có giá trị học thuật được công nhận toàn cầu. Cuốn sách được sử dụng tại hàng trăm trường đại học kỹ thuật trên thế giới. Nội dung cập nhật反映了 sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đo lường hiện đại. Xu hướng mới bao gồm đo lường số hóa, cảm biến thông minh và物联网 công nghiệp. Trí tuệ nhân tạo đang được tích hợp vào hệ thống đo lường tự động. Đo lường nano và đo lường sinh học là hai hướng phát triển đầy tiềm năng. Nhu cầu kỹ sư có kiến thức đo lường vững chắc ngày càng tăng trong thị trường lao động. Giáo trình cung cấp nền tảng để người học tiếp cận các công nghệ đo lường tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net E1FFIRS 09/09/2010 14:58:33 Page 1 Theory and Design for Mechanical Measurements Fifth Edition Richard S. Figliola Clemson University Donald E. Beasley Clemson University John Wiley & Sons, Inc.net E1FFIRS 09/09/2010 14:58:34 Page 2 ACQUISITIONS EDITOR Linda Ratts PRODUCTION EDITOR Anna Melhorn PRODUCTION SERVICES MANAGER Dorothy Sinclair SENIOR MEDIA EDITOR Tom Kulesa SENIOR MARKETING MANAGER Christopher Ruel SENIOR DESIGNER Wendy Lai This book was set in 10/12 Times Roman by Thomson Digital and printed and bound by RR Donnelley, The cover was printed by RR Donnelley. This book is printed on acid free paper. 
 1 Founded in 1807, John Wiley & Sons, Inc. has been a valued source of knowledge and understanding for more than 200 years, helping people around the world meet their needs and fulfill their aspirations. Our company is built on a foundation of principles that include responsibility to the communities we serve and where we live and work. In 2008, we launched a Corporate Citizenship Initiative, a global effort to address the environmental, social, economic, and ethical challenges we face in our business. Among the issues we are addressing are carbon impact, paper specifications and procurement, ethical conduct within our business and among our vendors, and community and charitable support. For more information, please visit our website: www.com/go/citizenship. Copyright # 2011 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning, or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, [phone], fax [phone] or on the web at www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, [phone], fax [phone], or online at http://www.com/go/permissions. Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party. Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley. Return instructions and a free of charge return shipping label are available at www.com/ go/returnlabel. Outside of the United States, please contact your local representative. Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.net E1FPREF 09/14/2010 12:7:8 Page 3 Preface We are pleased to offer this 5th edition of Theory and Design for Mechanical Measurements. This text provides a well-founded background in the theory of engineering measurements. Integrated throughout are the necessary elements for the design of measurement systems and measurement test plans, with an emphasis on the role of statistics and uncertainty analyses in design. The measurements field is very broad, but through careful selection of the topical coverage we establish the physical principles and practical techniques for many engineering applications while keeping page count and text cost manageable. Our aim is not to offer a manual for instrument construction and assembly. Instead, we develop the conceptual design framework for selecting and specifying equipment and test procedures and for interpreting test results, which we feel are necessary and common bases for the practice of test engineering. The text is appropriate for undergraduate and graduate level study in engineering, but is also suitably advanced and oriented to serve as a reference source for professional practitioners. The pedagogical approach invites independent study or use in related fields requiring an understanding of instrumentation and measurements. The organization of the text develops from our view that certain aspects of measurements can be generalized, such as test plan design, signal analysis and reconstruction, and measurement system response. Topics such as statistics and uncertainty analysis require a basic development of principles but are then best illustrated by integrating these topics throughout the text material. Other aspects are better treated in the context of the measurement of a specific physical quantity, such as strain or temperature. PEDAGOGICAL TOOLS TO AID LEARNING In this textbook:  Each chapter begins by defining a set of learning outcomes.  The text develops an intuitive understanding of measurement concepts with its focus on test system modeling, test plan design, and uncertainty analysis.  Each chapter includes carefully constructed example problems that illustrate new material and problems that build on prior material.  Each example makes use of a KNOWN, FIND, SOLVE approach as an organizational aid to a problem’s solution. This methodology for problem solutions helps new users to link words and concepts with symbols and equations. Many problems contain COMMENTS that expand on the solution, provide a proper context for application of the principle, or offer design application insight.  End-of-Chapter practice problems are included for each chapter to exercise new concepts.  Practice problems range from those focused on concept development, to building of advanced skills, to open-ended design applications.  With each chapter, we have added new practice problems but have substantially ‘‘refreshed’’ many problems from previous editions.  We provide a detailed Instructors Manual for instructors who have adopted the book. We have carefully reviewed the solutions in this edition to minimize typographical and arithmetical errors. The manual is available on-line at the Wiley Instructor’s website.  Answers to selected problems will be posted on the Wiley website.  Use of the software in problem solving allows in-depth exploration of key concepts that would be prohibitively time consuming otherwise. The text includes on-line access to interactive software of iii www.net E1FPREF 09/14/2010 12:7:8 Page 4 iv Preface focused examples based on software using National Instruments Labview1 for exploring some of the text concepts, while retaining our previous efforts using Matlab1. The Labview programs are available as executables so they can be run directly without a Labview license. The software is available on both the Wiley Student and Instructor’s websites. NEW TO THIS 5TH EDITION With this 5th edition, we have new or expanded material on a number of topics. As highlights:  We introduce Monte Carlo simulation methods in Chapter 4 and tie their use with uncertainty estima- tions in Chapter 5.  Treatment of uncertainty analysis in Chapter 5 has been updated to include changes in test standards methodology relative to ASME PTC 19.1 Test Uncertainty and the International Standards Organization (ISO) Guide to Uncertainty in Measurements. These changes have been carried into the other chapters both in language and in example problems. Where we deviate from the methodology of the Standards, we do so for pedagogical reasons.  Discussion has been added on using rectangular (uniform) distributions in uncertainty estimation.  The treatment of non-symmetric uncertainty intervals and methods for treating correlated errors in Chapter 5 has been expanded and revisited in other chapters.  We have updated our symbol usage for closer consistency with the standards.  We have added a section presenting image acquisition and processing using digital techniques in Chapter 7.  We have changed our presentation of pressure transmission line effects to make better use of the lumped parameter methods of Chapter 3 that engineering students are familiar with, including discussion of the ideal elements of inertance, resistance, and compliance.  We have revised our treatment of Butterworth filters, including added coverage, in Chapter 6. SUGGESTED COURSE COVERAGE To aid in course preparation, Chapters 1 through 5 provide an introduction to measurement theory with statistics and uncertainty analysis, Chapters 6 and 7 provide a broad treatment of analog and digital sampling methods, and Chapters 8 through 12 are instrumentation focused. Many users report to us that they use different course structures, so many that it makes a preferred order of topical presentation difficult to anticipate. To accommodate this, we have written the text in a manner that allows any instructor to customize the order of material presentation. While the material of Chapters 4 and 5 are integrated throughout the text and should be taught in sequence, the other chapters tend to stand on their own. The text is flexible and can be used in a variety of course structures at both the undergraduate and graduate levels. For a complete measurements course, we recommend the study of Chapters 1 through 7 with use of the remaining chapters as appropriate. For a lab-course sequence, we recommend using chapters as they best illustrate the course exercises while building complete coverage over the several lab courses normally within a curriculum. The manner of the text allows it to be a resource for a lab-only course with minimal lecture. Over the years, we have used it in several forums, as well as professional development courses, and simply rearrange material and emphasis to suit the audience and objective. We express our sincerest appreciation to the students, teachers, and engineers who have used our earlier editions. We are indebted to the many who have written us with their constructive comments and encouragement. Beasley Clemson, South Carolina www.net E1FTOC 09/15/2010 11:10:55 Page 5 Contents 1 Basic Concepts of Measurement Methods 1 1.2 General Measurement System 2 1.3 Experimental Test Plan 6 1.7 Summary 31 References 31 Nomenclature 32 Problems 32 2 Static and Dynamic Characteristics of Signals 41 2.2 Input/Output Signal Concepts 41 2.4 Signal Amplitude And Frequency 49 2.5 Fourier Transform and The Frequency Spectrum 63 2.6 Summary 71 References 71 Suggested Reading 71 Nomenclature 72 Problems 72 3 Measurement System Behavior 79 3.2 General Model for a Measurement System 79 3.3 Special Cases of the General System Model 83 3.6 Multiple-Function Inputs 107 3.8 Summary 111 References 111 Nomenclature 111 Problems 112 v www.net E1FTOC 09/15/2010 11:10:55 Page 6 vi Contents 4 Probability and Statistics 118 4.2 Statistical Measurement Theory 119 4.3 Describing the Behavior of a Population 125 4.4 Statistics of Finite-Sized Data Sets 129 4.5 Chi-Squared Distribution 135 4.7 Data Outlier Detection 147 4.8 Number of Measurements Required 148 4.9 Monte Carlo Simulations 150 4.10 Summary 152 References 152 Nomenclature 153 Problems 153 5 Uncertainty Analysis 161 5.3 Design-Stage Uncertainty Analysis 164 5.4 Identifying Error Sources 168 5.5 Systematic and Random Errors 170 5.6 Uncertainty Analysis: Error Propagation 172 5.7 Advanced-Stage Uncertainty Analysis 176 5.8 Multiple-Measurement Uncertainty Analysis 182 5.9 Correction for Correlated Errors 195 5.10 Nonsymmetrical Systematic Uncertainty Interval 197 5.11 Summary 198 References 199 Nomenclature 199 Problems 200 6 Analog Electrical Devices and Measurements 209 6.2 Analog Devices: Current Measurements 210 6.3 Analog Devices: Voltage Measurements 214 6.4 Analog Devices: Resistance Measurements 219 6.5 Loading Errors and Impedance Matching 226 6.6 Analog Signal Conditioning: Amplifiers 230 6.7 Analog Signal Conditioning: Special-Purpose Circuits 234 6.8 Analog Signal Conditioning: Filters 239 6.9 Grounds, Shielding, and Connecting Wires 250 6.10 Summary 252 References 253 Nomenclature 253 Problems 254 www.net E1FTOC 09/15/2010 11:10:55 Page 7 Contents vii 7 Sampling, Digital Devices, and Data Acquisition 260 7.3 Digital Devices: Bits and Words 269 7.4 Transmitting Digital Numbers: High and Low Signals 271 7.6 Data-Acquisition Systems 283 7.7 Data-Acquisition System Components 284 7.8 Analog Input-Output Communication 288 7.9 Digital Input-Output Communication 293 7.10 Digital Image Acquisition and Processing 299 7.11 Summary 303 References 303 Suggested Reading 304 Nomenclature 304 Problems 305 8 Temperature Measurements 309 8.2 Temperature Standards and Definition 310 8.3 Thermometry Based on Thermal Expansion 313 8.4 Electrical Resistance Thermometry 315 8.5 Thermoelectric Temperature Measurement 330 8.6 Radiative Temperature Measurements 351 8.7 Physical Errors in Temperature Measurement 356 8.8 Summary 365 References 365 Nomenclature 366 Problems 367 9 Pressure and Velocity Measurements 375 9.3 Pressure Reference Instruments 378 9.5 Pressure Transducer Calibration 392 9.6 Pressure Measurements in Moving Fluids 396 9.7 Modeling Pressure and Fluid Systems 400 9.8 Design and Installation: Transmission Effects 401 9.9 Fluid Velocity Measuring Systems 405 9.10 Summary 415 References 416 Nomenclature 417 Problems 417 www.net E1FTOC 09/15/2010 11:10:55 Page 8 viii Contents 10 Flow Measurements 423 10.3 Flow Rate Concepts 424 10.