《2019岩土工程测试技术（第二章）测试技术基础知识.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019岩土工程测试技术（第二章）测试技术基础知识.ppt（59页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、二 测试技术基础知识,测试 将被测试值与同种性质的标准量进行比较，确定被测试值对标准量的倍数 测试系统 传感器与测试仪表、变换装置等的有机结合,1 测试的一般知识,检测系统的组成,被测对象,传感器,信号处理,数据采集,信号处理,信号存储,信号输出,信号显示,输入设备,稳压电源,检测系统对传感器的要求 准确性：传感器的输出信号必须准确地反映其输入量,即被测量的变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系 稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度的变化而变化 灵敏度：满足工程要求 其他：如赖腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积和售价等,（1）传感器,（2
2、）数据采集,数据采集在检测系统中的作用 对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转化成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数据信息,同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储,（3）信号处理,信号处理摸块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节。现代检测仪表，检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微处理器，专用高速数据处理器(DSP)和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建,（4）信号显示,显示器是检测系统与人联系的主要环节之一,一般可分为: 指示性显示,又称模拟式显示 数字式显示 屏幕显示,（5）信号输出,检测系统在信号处理器计算出被测参量
3、的瞬时值后除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给监控计算机，可编程控制器(PLC)或其他智能化终端,（6）输入设备,输入设备是操作人员和检测系统联系的另一主要环节，用于输入设置参数，下达有关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、条码阅读器等,（7）稳压电源,由于工业现场通常只提供交流220V工频电源或+24V直流电源，传感器和检测系统通常不经降压、稳压就无法直接使用,2 传感器的基本特性,传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器功能：检测和转换 敏感元件：传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件 转换元件：指传感器中能将敏感元件的
4、感受（或响应）信息转换为电信号的部分,传感器性能优劣值判定,静态特性 当被测量的各个值处于稳定状态时，传感器输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表 动态特性 当被测量的各个值随时间变化时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表,（1）线性度,传感器的输入、输出间成线性关系的程度,2.1 传感器的静态特性参数指标,（2）灵敏度,传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值,（3）分辨力,传感器能检测到的最小输入增量称为分辨力 在输入零点附近的分辨力称为阈值,（4）测量范围和量程,量程可以用来表示其测量范围的大小，用其测量上限值与下限值的代数差来表示 量程 = |测量
5、上限值-测量下限值|,（5）迟滞,在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象 产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等,（6）重复性,传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入输出特性曲线一致的程度,（7）零漂和温漂,零漂 传感器在无输入或输入为另一值时，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 温度每升高一度，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比,3 常用传感器的类型和工作原理,按传感器的构成进行分类：物性型和结构型 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等 按传感器的输出
6、量进行分类 ：模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型 按传感器的工作原理进行分类 ：应变式、电容式、电感式、压电式、光电式、热电式传感器等 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）,内容提要,传统传感器 电阻应变片 光纤传感器 光纤光栅传感器 分布式传感技术,3.1 电阻应变片式传感器,已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：,金属的电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象,d,L,F,金属丝的原始电阻,金属丝的原始电阻率,金属丝的原始长度,金属丝的原始横截面积,3.1.1 工作原理,相对变化：,
7、例如当金属丝被拉伸了的了dL，截面积缩小了ds，而电阻率变化了dp，则：,引入轴向相对变形（或称为应变）,，则有：,或：,应变灵敏系数K,金属材料的电阻的相对变化与应变的关系,讨论：,（1）应变的灵敏系数K受二个因素的影响：,几何形状变化的影响,电阻率发生变化的影响,（2）对于金属材料：,对于半导体材料：,3.1.2 电阻应变片的结构,电阻丝是应变片的转换元件 基底将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用 黏合剂将电阻丝与基底粘贴在一起 引出线连接测量导线,3.1.3 电阻应变片的分类,电 阻 应 变 片,金 属 应 变 片,半 导 体 应 变
8、 片,丝式,箔式,薄膜式,半导体敏感条,应用,（1）直接测量结构的应变或应力,（2）将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等,弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为 的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化,案例1：桥梁固有频率测量,原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,案例2：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出,应变片的优点： 测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测12，误差小于1 应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工
9、作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从12 适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用？ 便于多点测量、远距离测量和遥测 价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量,(1)当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同时, 如0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影响，实际K值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算, 可能造成较大误差 (2)应变片的灵敏系数K是通过抽样测定得到的，因为应变片粘贴到试件上以后，就不能取下再用，所以只能在每批产品中提取
10、一定比例（一般为5%）的应变片，测定灵敏系数K值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”,应变片的使用说明,(3)用应变片构成应变式传感器，如何将应变栅粘贴在基片上是能否将其应用于测量的关键之一，因此对粘合剂有苛刻的要求。常用的粘合剂为有机粘合剂，如硝化纤维粘合剂，用于粘合纸质基底；酚醛类粘合剂，常用于粘合酚醛胶膜玻璃纤维布、胶膜玻璃纤维布等。粘贴必须遵循粘贴工艺，才有可能使应变片正常工作 (4)由于应变片敏感栅是对温度变化敏感的材料，因此选用时应注意温度的影响,温度误差产生的原因 一是由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片自身的电阻值发生变化
11、二是当电阻丝与试件材料的线膨胀系数不同时，温度改变将引起附加变形，使应变片产生附加电阻,电阻应变片的温度误差,敏感栅电阻丝电阻的变化值为 :,式中 温度为t时电阻丝电阻的变化值； R0 温度为t0时的电阻值； 电阻丝的电阻温度系数，表示温度变化1时，电阻的相对变化； t温度变化值，t =tt0。,当环境温度变化t时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为,(1)温度系数产生的误差,由于敏感栅材料和被测试件材料两者线膨胀系数不同，当环境温度变化t时，将引起应变片的附加应变，其值为:,式中 试件材料的线膨胀系数； 敏感栅电阻丝的线膨胀系数。 相应的电阻变化值为:,(2)不同线膨胀系数产生
12、的温度误差,可得由于温度变化而引起应变片总的电阻相对变化量为 式中 电阻应变片的电阻温度系数 上式表明，因环境温度改变而引起的附加电阻的相对变化量除与环境温度变化有关外，还与应变片自身的性能参数以及被测试件线膨胀系数有关,总的温度误差,3.2 光纤传感器,光纤的基本结构,光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而出现并迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术,传感型光纤传感器,光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（波长、振幅、相位、偏振态等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用
13、作传感元件来探测各种物理量,光纤传感器被测量分类,光纤传感器的分类,点式光纤传感器,准分布式光纤传感器,分布式光纤传感器,迈克尔逊干涉计,法布里珀罗干涉计,光纤布拉格光栅,通过复用技术，点式传感器可以构成网络实现准分布式测量,基于瑞利反射技术的光纤传感器,基于拉曼反射技术的光纤传感器,基于布里渊反射技术的光纤传感器,光纤传感器的优点,可实现长距离检测，测试空间范围大 应用范围广，可以对温度、湿度、应力、应变、流速、流量、位移、振动、化学物质、放射体等多种要素进行测量 灵敏度高、动态范围大 耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，不受电磁干扰，能在较恶劣的环境中使用，在易燃易爆等危险条件下也能保证安全工作
14、 光纤体积小，易于表面和埋入式安装，且不会导致被测体的机械性能和材料的变化 可以串连复用，用一根光纤连接多个传感单元，实现准分布式测量（如FBG），甚至实现全分布式测量（如BOTDR） 宽频带、高速传输，易于系统集成,3.2.1 布拉格光纤光栅(FBG),光纤光栅传感器现在已称为健康监测中应用最广泛的光纤传感器，在整个光纤传感器市场中约占44%的份额，是目前最有发展前途的光纤传感器之一,布拉格光纤光栅(FBG)传感原理,B为FBG中心波长 neff 为纤芯的有效折射率 为光纤光栅折射率调制周期 Pe为有效光弹系数 为光纤的热膨胀系数 为光纤的热光系数 应变灵敏度系数（1-Pe） 温度灵敏度系数
15、（）,1个微应变 0.1 ,光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系,FBG准分布式传感器测量原理图,si720光纤光栅传感分析仪,主要技术性能指标,3.2.2 基于散射原理的分布式光纤传感技术,升温,降温,拉伸,压缩,分布式光纤传感技术,瑞利散射为弹性散射，散射光的频率不发生漂移 布里渊散射和拉曼散射均为非弹性散射，散射光的频率在散射过程中要发生频移,分布式光纤传感技术通过测量光在光纤中传输时所产生的散射光，根据散射光所携带的温度、应变等信息，同时采用光时域反射（OTDR）技术，对沿光纤传输路径上温度、应变等信息进行检测 分布式光纤传感技术是光纤传感技术中最具发展前景的技术之一 目前应用比较多的
16、主要有基于光时域反射的光纤传感技术、基于拉曼散射的分布式温度传感技术和基于布里渊散射的分布式传感技术,BOTDR（布里渊光时域反射技术）,BOTDR检测原理示意图,应变系数 0.05MHz/10-6 温度系数 1.3MHz/ C,布里渊散射光谱,布里渊散射光谱的峰值点所对应的中心频率即是布里渊频移B B与光纤的应变和温度分别具有良好的线形关系,*测量条件：平均次数214，频率扫描间隔10MHz,AQ8603的主要技术性能指标,布里渊光时域分析（BOTDA） 布里渊光频域分析（BOFDA） 布里渊光相关域分析（BOCDA）,基于BS的其它传感技术,DiTeSt2000（瑞士Omnisens公司） NBX6000（日本Neubrex公司）,4 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题,（2）响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好,（4）稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境,The end,