(3.5.1)--3.5传感器测量原理-振弦式传感器原理.ppt

土木工程测试技术土木工程测试技术土木工程测试技术土木工程测试技术3 3 3 3 传感器测量原理传感器测量原理传感器测量原理传感器测量原理内容提纲1.1.传感器定义、组成及其分类传感器定义、组成及其分类2.2.应力计和应变计原理应力计和应变计原理3.3.电阻应变片电阻应变片4.4.电阻式测试系统电阻式测试系统5.5.振弦式传感器振弦式传感器6.6.振弦式测试系统振弦式测试系统7.7.光纤式传感器光纤式传感器June 10,20043Introduction to thesis u在土木工程现场测试中，常利用钢弦式应变计和压力盒作为量测元件，其基本原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。u外力传感器承压板钢弦产生张拉力频率仪采集外力和频率的标定关系外力值3.5 3.5 振弦式振弦式振弦式振弦式传传传传器器器器June 10,20044Introduction to thesis：钢弦振动频率：钢弦长度：钢弦密度：钢弦所受张拉应力：传感器受力后钢弦的频率：传感器未受力时钢弦的频率：传感器所受外力：标定系数3.5 3.5 振弦式振弦式振弦式振弦式传传传传器器器器June 10,20045Introduction to thesis u钢弦式传感器分类u钢弦式压力盒（土压力盒）u钢弦式钢筋应力计u钢弦式表面应变计3.5 3.5 振弦式振弦式振弦式振弦式传传传传器器器器June 10,20046Introduction to thesis u概述钢弦式压力盒构造简单，测试结果比较稳定，受温度影响小，易于防潮，可用于长期观测，故在地下工程和岩土工程现场测试和监测中得到广泛的应用。其缺点是灵敏度受压力盒尺寸的限制，并且不能用于动态测试。该种传感器是测定地下结构和岩土体压力最为常用的元件。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒June 10,20047Introduction to thesis u构造分类现在使用的土压力盒，从盒体构造分，可以分为：单膜式土压力盒双膜式土压力盒土压力传感器3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒June 10,20048Introduction to thesis 单膜式土压力传感器1一次膜2盒体3后盖3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒9双膜式土压力传感器双膜式土压力传感器1一次膜2盒体3后盖4二次膜3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u 单膜式土压力盒构造简单，价钱便宜，但灵敏度较低；双膜式土压力盒构着复杂，价钱贵，灵敏度高。一般工程采用单膜式土压力盒，重要工程采用双膜式土压力盒。June 10,200410Introduction to thesis u构造振弦（钢弦）式压力盒构造示意图振弦（钢弦）式压力盒构造示意图3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒June 10,200411Introduction to thesis u当压力盒在一定压力作用下，其传感面1（薄膜）向上微微鼓起，引起钢弦3的伸长，钢弦在未受压力时具有一定的初始频率（例如每秒振动1000次，即自振频率为1000HZ）,当拉紧后，频率就会提高。作用在薄膜上的压力不同，钢弦被拉紧的程度不一样，测得的频率也会发生差异。我们就是根据测到的不同频率来推得作用在薄膜上的压力大小的。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理June 10,200412Introduction to thesis u在施测中，激振器间隔一定时间向线圈5馈送高压脉冲电流，因而在铁芯4中便产生磁力线，它给钢弦3一种激发力，使电磁线圈5不断地吸合或释放钢弦。当钢弦3振动时，它与铁芯4之间的微小间隙发生周期性变化，因而引起磁力线回路中的磁阻发生变化。磁阻的变化又反过来引起线圈5中感应出与该振动频率相同的交变电动势，交变电动势经放大器放大后送接收装置接收。激振并接收频率信号由二次仪表钢弦频率测定仪完成。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理13u土压力盒的主要技术性能参数灵敏度系数K土压力盒在未受压力时：土压力盒在受压力时：综合以上两式可得：灵敏度系数传感器系数3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理14u 土压力盒的标定结果按上式来进行处理，并用最小二乘法确定工作特性曲线，其直线方程为：输出频率的平方差：标定系数3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理15u零点压力输出频率零点压力输出频率又称初频，可由下式确定：第j次加荷和退荷测量时，零点压力下的输出频率值。：试验循环的编数，一般循环3次。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理June 10,200416Introduction to thesis u额定压力时输出频率额定压力即压力盒所能测量的最大压力，其输出频率为：第j次加荷至额定压力值时的输出频率值：试验循环的编数，一般循环3次。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理June 10,200417Introduction to thesis u额定输出u分辨率能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量称为量测系统的分辨率3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理18u长期稳定性土压力盒要求长期稳定性比较好。可将压力盒静置3个月，再进行一次标定试验，其前述技术性能指标应满足。u温度影响钢弦式压力盒的输出频率随着温度的变化而变化。u防水密封性由于压力盒埋于土中，应进行防水密封性试验。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.1 基本原理19u匹配误差的概念由于压力盒与土体的变形特性不同，安置压力盒后，因此不可避免地损坏土体的原始应力场，引起应力的重新分布，这样，作用在压力盒上的应力与未放入压力盒时该点的应力是不相同的，这种情况引起的测量误差叫做匹配误差。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.2土压力盒的选择和埋设20选择土压力盒的关键问题是如何使得压力盒与土体相匹配。对于线性、均匀、各向同性的弹性土体，假定安设的压力盒边界与土体结合很好时，只有压力盒与土体的弹性常数相等，才能达到完全匹配。但实现困难。u静力匹配u弹性模量u泊松比u密度3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.2土压力盒的选择和埋设June 10,200421Introduction to thesis u土压力盒的选择要点u对于静态土压力的长期观测，一般多采用钢弦式土压力盒。u应尽量选取刚度大、外形尽可能扁，尺寸适中的压力盒。u压力盒量程的选择，一般应比预计的压力大24倍，应避免超量程使用。u对于静态土压力的长期观测，要求具有较好的长期稳定性，即零点稳定不变或变化很小。u不必盲目追求高精度，经济性选择压力盒。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.2土压力盒的选择和埋设22u土压力盒的埋设要求u埋入式压力盒感压面朝被测压力方向，且误差应小于10。对结构表面压力测试的压力盒，感压面要与结构表面齐平。u压力盒埋设后土体的回填要密实。u对于自由场应力测量，压力盒水平和垂直净距一般取为三倍的压力盒直径。对于特殊情况（如模型试验)，也不能小于一倍的压力盒直径。u对于自由场应力测量，埋置深度一般要大于2.5倍的压力盒的直径。3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.2土压力盒的选择和埋设23u土压力盒的埋设方法u直接埋设u预留孔埋设u量测墙体接触压力时土压力盒的埋设3.5 3.5 钢钢钢钢弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒弦式压力盒u3.5.2土压力盒的选择和埋设24u钢弦式钢筋应力计的构造钢弦式钢筋应力计主要由传力应变管（钢管）、钢弦及其夹紧部件、电磁激励线圈等组成。基本原理与钢弦式土压力盒相同。3.5 3.5 振弦式传感器振弦式传感器振弦式传感器振弦式传感器u3.5.3振弦式钢筋应力计25u钢筋应力计与钢筋的连接使用钢筋应力计时，应把钢筋计刚性地连接在钢筋测点位置上，其连接方法有：u焊接（常用）u螺纹连接钢筋计连接件June 10,200426Introduction to thesis 现场监测钢筋应力计与钢筋焊接：割断主筋，连接件与主筋串联焊接27u 现场监测使用时，根据初频和标定得到的传感器系数，即可按下列公式计算在不同施工阶段的钢筋拉力或压力：某一施工阶段时钢筋的拉、拔力：钢筋计受拉、压时的灵敏度系数：某一施工阶段时钢筋计的频率：钢筋计的初频28u表面应变计的构造钢弦式表面应变计的构造如下图所示，它可以测定混凝土结构或钢结构表面的应变，从而通过测得的应变可计算出应力。29u表面应变计安装方法l首先将一标准长度的芯棒装在安装架上，拧紧螺丝l将装有标准芯棒的安装架焊接在钢支撑的表面l松开螺丝，从一端取出标准芯棒，待安装架冷却后，将应变计从一端慢慢推入安装架内，到位后再把锁紧螺丝拧紧30u钢弦式混凝土应变计一般埋设在混凝土内部，属于埋入式应变计。混凝土应变通过连接壳体传递给振弦，转变成振弦率变化，即可测得混凝土应变的变化。埋设方法一般是将其扎在钢筋上面。u3.5.4振弦式应变计31u对于表面应变计和埋入式应变计，应变通过标定曲线计算。实测应变为：应变计安装后的初始频率：应变计受力后的频率：应变计的标定系数（使用前已知）u3.5.4振弦式应变计32现场监测表面应变计和混凝土应变计u3.5.4振弦式应变计33u3.5.4振弦式应变计