地下工程监测与检测技术-第二章测试技术基础知识及传感器的原理.ppt

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1、地下工程监测与检测技术地下工程监测与检测技术第二章 测试技术基础知识及传感器的原理人民交通出版社测试系统的组成测试系统的主要性能指标测试系统的静动态传递特性测试系统的选定原则传感器的一般原理常用传感器电阻应变片量测原理和技术传感器的选择和标定内容提要测试技术基础知识传感器基础知识测试 测试是以确定量值为目的的一系列操作；由测试所获得的被测的量值叫测试结果。 xnx被测试值；n标准量，即测试单位；比值(纯数)，含有测试误差；被测对象传感器量测传感器量测测试信息被测试的量值变化、传输、处理变化、传输、处理测试过程第一节第一节 测试技术基础知识测试技术基础知识一.测试系统的组成1.荷载系统荷载系统

2、荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使与被测对象（试件）有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。 地下工程试验采用的荷载系统除液压式外，还有重力式、杠杆式、液压式、弹簧式和气压式等。2. 测量系统测量系统 测量系统由传感器、中间变换和测量电路组成，它把被测量（如力、位移等）通过传感器变成电信号，经过后接仪器的变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。传感器是整个测试系统中采集信息首要的关键环节，它的作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。传感器传感器各种线缆各种线缆感受部分感受部分处理部分处理部分显示部分显示部分传输部分传输部分信号处理器、变换器信号处

3、理器、变换器输出设备输出设备测斜管测头电缆测度仪3. 信号处理信号处理系统系统 信号处理系统是将测量系统的输出信号进一步进行处理以排除干扰。 计算机中需设计智能滤波等软件，以排除测量系统中的噪声干扰和偶然波动，提高所获得信号的置信度。 对模拟电路，要用专门的仪器或电路（如滤波器等）来达到这目的。 显示和记录系统是测试系统的输出环节，是将对被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来。数据显示可以用各种表盘、电子示波器和显示屏来实现，而数据记录则可采用函数记录仪、光线示波器等设备来实现。4. 显示和记录系统显示和记录系统二. 测试系统的主要性能指标1. 测试系统的精度和误差 测试

4、系统的精度是指测试系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度。精度与误差是同一概念的两种不同表示方法。测试系统的精度越高，其误差越低，反之精度越低，则误差越大。0 xxA （仪器指示值） （真值）00 xxAA（仪器指示值） （真值）（真值）0ymxAX（仪器指示值） （真值）（仪器的测量上限）绝对误差相对误差引用误差仪器示值的稳定性有两种指标。一是时间上的稳定性，以稳定度表示；二是仪器外部环境和工作条件变化所引起的示值不稳定性，以各种影响系数表示。稳定性是由于仪器中随机性变动、周期性变动、漂移等引起的示值变化，一般用精密度的数值和时间长短同时表示。2.稳定性系统在正常工作时所能测量的最大量值范

5、围，称为测量范围，或称量程。在动态测量时，还需同时考虑仪器的工作频率范围。3.测量范围（量程）传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。测试系统的传递特性分为静态传递特性和动态传递特性。描述测试系统静态测量时输入输出函数关系的方程、图形、参数称为测试系统的静态传递特性。描述测试系统动态测量时的输入输出函数关系的方程、图形、参数称为测试系统的动态传递特性。作为静态测量的系统，可以不考虑动态传递特性，而作为动态测量的系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性。4.分辨率 分辨率是指系统可能检测到的被测量的最小变化值，也叫灵敏阈。一般来说，分辨率的数值愈小愈好。5.传递特性三.测试系统

6、的静动态传递特性1. 测试系统的静态传递特性1) 静态方程和标定曲线当测试系统处于静态测量时，输入量x和输出量y不随时间而变化，将变成代数方程：00ayxSxb系统的静态传递特性方程，斜率S（也称标定因子）是常数。表示静态（或动态）方程的图形称为测试系统的标定曲线（又称特性曲线，率定曲线，定度曲线）。 标定曲线的种类求取静态标定曲线，通常以标准量作为输入信号并测出对应的输出，将输入与输出数据描在坐标纸上的相应点上，再用统计法求出一条输入输出曲线。标准量的精度应较被标定系统的精度高一个数量级。线性度灵敏度分辨力测量范围和量程 迟滞重复性 零漂和温漂 分辨率，检测到的最小输入增量 量测上下限 多次

7、量测下，输入输出曲线的不一致性 零漂，传感器无输入或输入另一值时，每隔一定时间，其输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比；温漂 ，温度每升高1度，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比。2）测试系统的主要静态特性参数线性度(直线度)标定曲线与理想直线的接近程度：max100%fFSeY max为校准曲线与理想拟合直线之间的最大偏差FSY 为传感器满量程输出平均值notenote：基准直线不同，线性度不同。：基准直线不同，线性度不同。 对测试系统输入一个变化量 x，就会相应地输出另一个变化量 y，则测试系统的灵敏度为：灵敏度ySx迟滞(回程误差)在相同测试条件下和全量程范围内，当输入由小增大

8、和由大减小的行程中，同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值hmax与A的比值的百分率。max100%hhA2. 测试系统的动态传递特性当系统的输入量与输出量随时间而变化时，测试系统所具有的特性就称为动态特性。在动态测试时，必须考察测试系统的动态传递特性，尤其要注意系统的工作频率范围。 时间响应和频率响应是动态测试过程中表现出的重要特性，也是分析测试系统动态特性的主要内容。测试系统的动态特性是描述输出y(t)和输入x(t)之间的关系。这种关系在时间域内可以用微分方程或权函数表示，在频率内可用传递函数或频率响应函数表示。四.测试系统的选定原则1. 灵敏度 灵敏度高意味着能检测到被测物理量极微小

9、的变化，但灵敏度愈高，往往测量范围愈窄，稳定性也愈差。在选择仪器时，最好选择灵敏度有若干挡可调的仪器，以满足在不同的测试阶段对仪器不同灵敏度的测试要求。2.准确度准确度表示测试系统所获得的测量结果与真值的一致程度，并反映了测量中各类误差的综合。准确度越高，则测量结果中所包含的系统误差和随机误差就越小。测试仪器的准确度越高，价格就越昂贵。因此，应从被测对象的实际情况和测试要求出发，选用准确度合适的仪器，以获得最佳的技术经济效益。 任何测试系统都有一定的线性范围。在线性范围内，输出与输入成比例关系，线性范围越宽，表明测试系统的有效量程越大。 测试系统在线性范围内工作是保证测量准确度的基本条件。然而

10、，测试系统是不容易保证处于绝对线性的，在有些情况下，只要能满足测量的准确度，也可以在近似线性的区间内工作，必要时，可以进行非线性补偿或修正。3.线性范围。由若干环节组成的一个测试系统中，应注意各特性参数之间的恰当配合，使测试系统处于良好的工作状态。此外，还应兼顾体积小、重量轻、结构简单、易于维修、价格便宜、便于携带、通用化和标准化等因素。4.稳定性 稳定性表示在规定条件下，测试系统的输出特性随时间的推移而保持不变的能力，影响稳定性的因素是时间、环境和测试仪器的状况。应充分考虑到在监测的整个期间，被测物理量的漂移以及随温度、湿度等引起的变化与综合误差相比在同一数量级。5.各特性参数之间的配合n

11、传感器是指能够感受规定的物理量，并按照一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。 第二节第二节 传感器基础知识传感器基础知识 1.差动电阻式传感器基本原理卡尔逊（Calson）式仪器或弹性钢丝式（Elastic Wire）仪器；可测量应力、变形和温度。测量电阻比，可以得到变形或应力； 测量串联电阻的变化，可以得到温度的变化。张紧的弹性钢丝作为传感元件。灵敏度高，性能稳定，耐久性好。 一.传感器的一般原理S利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力之间的关系，测得各种物理量；S所测的参数主要是钢弦的自振频率，常用专用的钢弦频率计测定或周期测定仪测周期；S优点：结构简单可靠、测量范围大、灵敏度高、测试

12、精度高、零点稳定；S缺点：对传感器的材料和加工工艺要求很高；敏感元件敏感元件一根张紧的金属丝弦（钢弦、振弦），如同一根张紧的金属丝弦（钢弦、振弦），如同琴弦一样；钢弦经过热处理后蠕变极小琴弦一样；钢弦经过热处理后蠕变极小。 2.振弦式传感器基本原理张力与频率的关系1/ 2/fLf最低阶固有频率；L钢弦的有效长度；钢弦的应力；钢弦材料的密度；2211 ()2fK PLS电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。S可测量的物理量有：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 3

13、.电感式传感器基本原理S电容式传感器是指能将被测物理量转化为电容变化的一种传感元件。电容是构成电容器两极片形状、大小、相互位置及电介质电介常数的函数。S固体受到作用力后，电阻率（或电阻）就会发生变化，这种效应称为压阻效应。压阻式传感器就利用固体的压阻效应制成，主要用来测量压力、载荷和加速度等参数。 4.电容式、压阻式传感器基本原理 1.应力计和应变计二.常用传感器 应力计和应变计区别是测试敏感元件与被测物体相对刚度的差异。 如弹簧元件比系统硬很多，则P力的绝大部分由元件来承担；若元件弹簧所受的压力与P力近乎相等，该弹簧元件适合做应力计；若弹簧元件比系统柔软很多，它将顺着系统的变形而变形，对变形

14、的阻抗作用很小，元件弹簧的变形与系统的变形近乎相等，该弹簧元件适合于做应变计。 2.电阻式传感器1 )测力传感器柱式弹性元件拉压力传感器结构示意图荷重传感器结构示意图此外还有环式弹性元件、梁式弹性元件。2)位移传感器双悬臂式位移传感器 用适当形式的弹性元件，贴上应变片也可以测量位移，测量的范围可从0.1mm100mm。弹性元件有梁式、弓式和弹簧组合式等。3)液压传感器 液压传感器有膜式、筒式和组合式等，测量范围从0.1kPa到100MPa。膜式传感器是在周边固定的金属膜片上贴上应变片，当膜片承受流体压力产生变形时，通过应变片测出流体的压力。 筒式压强传感器的圆筒内腔与被测压力连通，当筒体内受压

15、力作用时，筒体产生变形，应变片贴在筒的外壁，工作片沿圆周贴在空心部分，补偿片贴在实心部分。膜式压强传感器膜片上的应变分布 筒式压强传感器4)压力盒 电阻应变片式压力盒也采用膜片结构，它是将转换元件（应变片）贴在弹性金属膜片式传力元件上，当膜片感受外力变形时，将应变传给应变片，通过应变片输出的电信号测出应变值，再根据标定关系算出外力值。热电阻温度计是利用某些金属导体或半导体材料的电阻率随温度变化而变化（或增大或减小）的特性，制成各种热电阻传感器，用来测量温度，达到温度变化转换成电量变化的目的。 5) 热电阻温度计自感式电感传感器 -变间隙型电感传感器20/(2 )LWSL L电感量；电感量；W

16、W线圈匝数；线圈匝数；0 0空气磁导率；空气磁导率； S S气隙截面积；气隙截面积； 气隙长度；气隙长度；变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器n工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。1 线圈；线圈；2 铁芯；铁芯；3 衔铁衔铁 3.电感式传感器n气隙长度不变，铁芯与衔铁之间覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器。自感式电感传感器 -变面积型电感传感器互感式电感传感器-螺管型电感传感器n螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因

17、此而变化；线圈电感量的大小与衔铁进入线圈的深度有关。S在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差，补偿温度。S下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。差动变压器式电感传感器电感式传感器的典型应用 n位移测量n振动检测 induNCDT系列位系列位移传感器的外形图移传感器的外形图 RS9300低频低频振动传感器振动传感器 钢弦式土压力盒钢弦混凝土应变计 钢弦式钢筋应力计 4.钢弦式传感器 5.电容式、压电式和压磁式传感器位移测量位移测量油量测量油量测量湿度测量湿度测量电容传感器电容传感器压压电电式式传传感

18、感器器压力传感器压力传感器加速度传感器加速度传感器压磁式压磁式传感器传感器 压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料磁弹性物理效应，即材料受力后，其导磁性能受影响，将被测力转换为电信号。 压磁式传感器可整体密封，因此具有良好的防潮、防油和防尘等性能，适合于在恶劣环境下工作；此外，还具有温度影响小，抗干扰能力强，输出功率大、结构简单、价格较低、维护方便、过载能力强等优点；其缺点是线性和稳定性较差。 6.光纤光栅传感器 以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。安全监测常用的光纤传感器有光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。光纤的优点：不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收

19、，可方便地进行光电或电光转换，易与现代电子装置相匹配；特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。 7.其他常用传感器碳纤维传感器碳纤维传感器 碳纤维既具有碳元素的各种优良性能，又具有纤维般的柔韧性，可进行编织加工和缠绕成型；还具有良好的耐磨性、高导电性、耐低温性、润滑性和吸附性，可以在-180+2000环境下使用；热膨胀系数小，导热系数高，能够适应极冷极热环境；具有导电性；可作为传感元件发挥作用。 形状记忆合金形状记忆合金 形状记忆合金(SMA)独特的力学性能主要表现为形状记忆效应和超弹性行为，是一种性质与其他金属材料变形特性完全不同的合金。利用SMA的感知功能，可实现

20、对土木工程结构的健康监测，利用SMA的驱动功能可实现对土木工程结构的变形、损伤、振动控制。金属丝的电阻可以表示为/Rl S0/dR RK 电阻率K0 电阻应变片的灵敏度系数S电阻应变片是一种将机械构件上的应变变化转换为电阻变化的传感元件。S物理基础金属导体的电阻随着所受机械变形的大小而变化。三.电阻应变片量测原理和技术 1.电阻应变片1) 电阻应变片的构造和工作原理电阻应变片的构造和工作原理1粘合层；2基底；3粘合层；4盖片；5敏感栅；6引出线；L基长；b基宽电阻应变片的构造 在电阻应变测量时，应变片的选择主要根据工作环境、被测材料的材质、被测物的应力状态及所需的精度而定。 以使用面积（基宽基

21、长）和电阻值表示如：310mm2,120 按敏感栅分为： 电阻应变片的规格及分类金属丝式金属丝式金属箔式金属箔式金属薄膜式金属薄膜式半导体应变片半导体应变片电阻应变片的优缺点精度高，使用寿命长，价格低廉尺寸小，重量轻，对被测件基本无影响频率响应好，可静态测量，也可动态测量测量范围大，12，甚至20零漂和温漂严重2. 应力应变测量四.传感器的选择和标定1.传感器选择的原则1) 技术性能方面 可靠性 ：光学和机械电子 使用寿命：观测期内均正常；工作寿命要大于使用年限； 坚固性和可维护性：适宜复杂环境；易维修； 精度：满足监测数据要求； 灵敏度和量程：满足量程的条件下，尽量考虑高灵敏度 传感器与周围

22、介质的匹配：尽量匹配，但实现完全匹配很困难，因此选择传感器时，只是在不完全匹配的条件下，使传感器的测量特性按一定规律变化，由此产生的误差为已知的，从而可做必要的修正。2)仪器埋设条件 相同性能情况下，选择易于埋设的；同一量测，当施工要求和埋设条件不同时，选择不同仪器。 3）仪器测读方式选择操作简单易行、快速有效和测读方法尽可能一致的仪器。对于能与其他监测网联网的监测，仪器的选择要与监测系统相匹配，以便于数据通讯、数据共享和形成统一的数据库。 4) 仪器的经济性要求 在选择传感器时，使其各项指标都达到最佳是最好的，但不经济，实际上也不可能满足全部性能要求。建议合理选择精度，选用高性价比的仪器；在

23、测试精度满足时，可采用国产仪器。 S标定 利用高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，确定输出量及输入量之间的对应关系，确定不同使用条件下的误差关系。 出厂前进行，仪器进场时提供标定曲线和数据； 使用过程中按要求定期送检。 S标定的基本方法输入输入得到得到2.传感器选择的标定S标定的分类 静态标定：线性度、灵敏度、滞后和重复性 1、等分量测范围； 2、根据分点，由小到大输入输入量，记录输出值； 3、根据分点，将输入量由大到小减小，记录输出值； 4、重复前述步骤，多次进行重复量测，测量数据列表或绘图； 5、处理结果，得出传感器静态特性指标 动态标定：动态灵敏度、固有频率和频响范围 1、标准信号对传感器进行激励，得出输出信号； 2、分析输出信号进行分析计算。 n监测仪器的适用范围和使用条件 S变形观测仪器 钻孔多点位移计钻孔多点位移计磁性沉降仪磁性沉降仪表面裂缝计表面裂缝计测斜仪测斜仪（弦式）表面应变计（弦式）表面应变计S压力(应力)观测仪器锚索荷重计锚索荷重计（弦式）渗压计（弦式）渗压计压力传感器压力传感器S其他观测仪器动态观测仪器；温度传感器动态观测仪器；温度传感器加速度传感器加速度传感器热电偶热电偶