地下工程監(jiān)測與檢測技術第二章測試技術基礎知識及傳感器的原理

地下工程程監(jiān)測與與檢測技技術第二章測測試試技術基基礎知識識及傳感感器的原原理人民交通通出版社社測試系統(tǒng)統(tǒng)的組成成測試系統(tǒng)統(tǒng)的主要要性能指指標測試系統(tǒng)的靜靜動態(tài)傳傳遞特性測試系統(tǒng)的選選定原則傳感器的一般原理常用傳感感器電阻應變片量量測原理理和技術傳感器的選擇和和標定內容提要要測試技術術基礎知知識傳感器基基礎知識識測試測試是以以確定量量值為目目的的一一系列操操作；由由測試所所獲得的的被測的的量值叫叫測試結結果。被測對象傳感器量測測試信息被測試的量值變化、傳輸、處理測試過程第一節(jié)測試技術術基礎知知識一.測試系統(tǒng)統(tǒng)的組成1.荷載系統(tǒng)統(tǒng)荷載系統(tǒng)統(tǒng)是使被被測對象象處于一一定的受受力狀態(tài)態(tài)下，使使與被測測對象（（試件））有關的的力學量量之間的的聯(lián)系充充分顯露露出來，，以便進進行有效效測量的的一種專專門系統(tǒng)統(tǒng)。地下工程程試驗采采用的荷荷載系統(tǒng)統(tǒng)除液壓壓式外，，還有重重力式、、杠桿式式、液壓壓式、彈彈簧式和和氣壓式式等。2.測量系統(tǒng)統(tǒng)測量系統(tǒng)統(tǒng)由傳感感器、中中間變換換和測量量電路組組成，它它把被測測量（如如力、位位移等））通過傳傳感器變變成電信信號，經(jīng)經(jīng)過后接接儀器的的變換、、放大、、運算，，變成易易于處理理和記錄錄的信號號。傳感感器是整整個測試試系統(tǒng)中中采集信信息首要要的關鍵鍵環(huán)節(jié)，，它的作作用是將將被測非非電量轉轉換成便便于放大大、記錄錄的電量量。傳感器各種線纜感受部分處理部分顯示部分傳輸部分信號處理器、變換器輸出設備測斜管測頭電纜測度儀3.信號處理理系統(tǒng)信號處理理系統(tǒng)是是將測量量系統(tǒng)的的輸出信信號進一一步進行行處理以以排除干干擾。計算機中中需設計計智能濾濾波等軟軟件，以以排除測測量系統(tǒng)統(tǒng)中的噪噪聲干擾擾和偶然然波動，，提高所所獲得信信號的置置信度。。對模擬電電路，要要用專門門的儀器器或電路路（如濾濾波器等等）來達達到這目目的。顯示和記記錄系統(tǒng)統(tǒng)是測試試系統(tǒng)的的輸出環(huán)環(huán)節(jié)，是是將對被被測對象象所測得得的有用用信號及及其變化化過程顯顯示或記記錄（或或存儲））下來。。數(shù)據(jù)顯顯示可以以用各種種表盤、、電子示示波器和和顯示屏屏來實現(xiàn)現(xiàn)，而數(shù)數(shù)據(jù)記錄錄則可采采用函數(shù)數(shù)記錄儀儀、光線線示波器器等設備備來實現(xiàn)現(xiàn)。4.顯示和記記錄系統(tǒng)統(tǒng)二.測試系統(tǒng)的主主要性能能指標1.測試系統(tǒng)統(tǒng)的精度度和誤差差測試系統(tǒng)統(tǒng)的精度度是指測測試系統(tǒng)統(tǒng)給出的的指示值值和被測測量的真真值的接接近程度度。精度度與誤差差是同一一概念的的兩種不不同表示示方法。。測試系系統(tǒng)的精精度越高高，其誤誤差越低低，反之之精度越越低，則則誤差越越大。絕對誤差差相對誤差差引用誤差差儀器示值值的穩(wěn)定定性有兩兩種指標標。一是是時間上上的穩(wěn)定定性，以以穩(wěn)定度度表示；；二是儀儀器外部部環(huán)境和和工作條條件變化化所引起起的示值值不穩(wěn)定定性，以以各種影影響系數(shù)數(shù)表示。。穩(wěn)定性是是由于儀儀器中隨隨機性變變動、周周期性變變動、漂漂移等引引起的示示值變化化，一般般用精密密度的數(shù)數(shù)值和時時間長短短同時表表示。2.穩(wěn)定性系統(tǒng)在正正常工作作時所能能測量的的最大量量值范圍圍，稱為為測量范范圍，或或稱量程程。在動動態(tài)測量量時，還還需同時時考慮儀儀器的工工作頻率率范圍。。3.測量范圍圍（量程程）傳遞特性性是表示示測量系系統(tǒng)輸入入與輸出出對應關關系的性性能。測試系統(tǒng)統(tǒng)的傳遞遞特性分分為靜態(tài)態(tài)傳遞特特性和動動態(tài)傳遞遞特性。。描述測測試系統(tǒng)統(tǒng)靜態(tài)測測量時輸輸入—輸出函函數(shù)關關系的的方程程、圖圖形、、參數(shù)數(shù)稱為為測試試系統(tǒng)統(tǒng)的靜靜態(tài)傳傳遞特特性。。描述述測試試系統(tǒng)統(tǒng)動態(tài)態(tài)測量量時的的輸入入—輸出函函數(shù)關關系的的方程程、圖圖形、、參數(shù)數(shù)稱為為測試試系統(tǒng)統(tǒng)的動動態(tài)傳傳遞特特性。。作為為靜態(tài)態(tài)測量量的系系統(tǒng)，，可以以不考考慮動動態(tài)傳傳遞特特性，，而作作為動動態(tài)測測量的的系統(tǒng)統(tǒng)，則則既要要考慮慮動態(tài)態(tài)傳遞遞特性性，又又要考考慮靜靜態(tài)傳傳遞特特性。。4.分辨率率分辨率率是指指系統(tǒng)統(tǒng)可能能檢測測到的的被測測量的的最小小變化化值，，也叫叫靈敏敏閾。。一般般來說說，分分辨率率的數(shù)數(shù)值愈愈小愈愈好。。5.傳遞特特性三.測試系系統(tǒng)的的靜動動態(tài)傳傳遞特性1.測試系系統(tǒng)的的靜態(tài)態(tài)傳遞遞特性性1)靜態(tài)方方程和和標定定曲線線當測試試系統(tǒng)統(tǒng)處于于靜態(tài)態(tài)測量量時，，輸入入量x和輸出出量y不隨時時間而而變化化，將將變成成代數(shù)數(shù)方程程：系統(tǒng)的的靜態(tài)態(tài)傳遞遞特性性方程程，斜斜率S（也稱稱標定定因子子）是是常數(shù)數(shù)。表示靜靜態(tài)（（或動動態(tài)））方程程的圖圖形稱稱為測測試系系統(tǒng)的的標定定曲線線（又又稱特特性曲曲線，，率定定曲線線，定定度曲曲線））。標定曲曲線的的種類類求取靜靜態(tài)標標定曲曲線，，通常常以標標準量量作為為輸入入信號號并測測出對對應的的輸出出，將將輸入入與輸輸出數(shù)數(shù)據(jù)描描在坐坐標紙紙上的的相應應點上上，再再用統(tǒng)統(tǒng)計法法求出出一條條輸入入—輸出曲曲線。。標準準量的的精度度應較較被標標定系系統(tǒng)的的精度度高一一個數(shù)數(shù)量級級。線性度度靈敏度度分辨力力測量范范圍和和量程程遲滯重復性性零漂和和溫漂漂—分辨率率，檢檢測到到的最最小輸輸入增增量—量測上上下限限—多次量量測下下，輸輸入輸輸出曲曲線的的不一一致性性零漂，，傳感感器無輸入入或輸輸入另另一值值時，，每隔隔一定定時間間，其其輸出出值偏偏離原原始值值的最最大偏偏差與與滿量量程的的百分分比；溫漂漂，溫度每每升高高1度，傳傳感器器輸出出值的的最大大偏差差與滿滿量程程的百百分比比。2）測試試系統(tǒng)統(tǒng)的主主要靜靜態(tài)特特性參參數(shù)線性度度(直線度度)標定曲曲線與與理想想直線線的接接近程程度：：note：基準準直線線不同同，線線性度度不同同。

對測試系統(tǒng)輸入一個變化量Δx，就會相應地輸出另一個變化量Δ

y，則測試系統(tǒng)的靈敏度為：靈敏度遲滯(回程誤誤差)在相同同測試試條件件下和和全量量程范范圍內內，當當輸入入由小小增大大和由由大減減小的的行程程中，，同一一輸入入值所所得到到的兩兩個輸輸出值值之間間的最最大差差值hmax與A的比值值的百百分率率。2.測試系系統(tǒng)的的動態(tài)態(tài)傳遞遞特性性當系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸入量量與輸輸出量量隨時時間而而變化化時，，測試試系統(tǒng)統(tǒng)所具具有的的特性性就稱稱為動動態(tài)特特性。。在動動態(tài)測測試時時，必必須考考察測測試系系統(tǒng)的的動態(tài)態(tài)傳遞遞特性性，尤尤其要要注意意系統(tǒng)統(tǒng)的工工作頻頻率范范圍。。時間響響應和和頻率率響應應是動動態(tài)測測試過過程中中表現(xiàn)現(xiàn)出的的重要要特性性，也也是分分析測測試系系統(tǒng)動動態(tài)特特性的的主要要內容容。測試系系統(tǒng)的的動態(tài)態(tài)特性性是描描述輸輸出y(t)和輸入入x(t)之間的的關系系。這這種關關系在在時間間域內內可以以用微微分方方程或或權函函數(shù)表表示，，在頻頻率內內可用用傳遞遞函數(shù)數(shù)或頻頻率響響應函函數(shù)表表示。。四.測試系系統(tǒng)的選定定原則則1.靈敏度度靈敏度度高意意味著著能檢檢測到到被測測物理理量極極微小小的變變化，，但靈靈敏度度愈高高，往往往測測量范范圍愈愈窄，，穩(wěn)定定性也也愈差差。在在選擇擇儀器器時，，最好好選擇擇靈敏敏度有有若干干擋可可調的的儀器器，以以滿足足在不不同的的測試試階段段對儀儀器不不同靈靈敏度度的測測試要要求。。2.準確度度準確度度表示示測試試系統(tǒng)統(tǒng)所獲獲得的的測量量結果果與真真值的的一致致程度度，并并反映映了測測量中中各類類誤差差的綜綜合。。準確確度越越高，，則測測量結結果中中所包包含的的系統(tǒng)統(tǒng)誤差差和隨隨機誤誤差就就越小小。測測試儀儀器的的準確確度越越高，，價格格就越越昂貴貴。因因此，，應從從被測測對象象的實實際情情況和和測試試要求求出發(fā)發(fā)，選選用準準確度度合適適的儀儀器，，以獲獲得最最佳的的技術術經(jīng)濟濟效益益。任何測測試系系統(tǒng)都都有一一定的的線性性范圍圍。在在線性性范圍圍內，，輸出出與輸輸入成成比例例關系系，線線性范范圍越越寬，，表明明測試試系統(tǒng)統(tǒng)的有有效量量程越越大。。測試系系統(tǒng)在在線性性范圍圍內工工作是是保證證測量量準確確度的的基本本條件件。然然而，，測試試系統(tǒng)統(tǒng)是不不容易易保證證處于于絕對對線性性的，，在有有些情情況下下，只只要能能滿足足測量量的準準確度度，也也可以以在近近似線線性的的區(qū)間間內工工作，，必要要時，，可以以進行行非線線性補補償或或修正正。3.線性范圍。由若干環(huán)節(jié)節(jié)組成的一一個測試系系統(tǒng)中，應應注意各特特性參數(shù)之之間的恰當當配合，使使測試系統(tǒng)統(tǒng)處于良好好的工作狀狀態(tài)。此外外，還應兼兼顧體積小小、重量輕輕、結構簡簡單、易于于維修、價價格便宜、、便于攜帶帶、通用化化和標準化化等因素。。。4.穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示示在規(guī)定條條件下，測測試系統(tǒng)的的輸出特性性隨時間的的推移而保保持不變的的能力，影影響穩(wěn)定性性的因素是是時間、環(huán)環(huán)境和測試試儀器的狀狀況。應充充分考慮到到在監(jiān)測的的整個期間間，被測物物理量的漂漂移以及隨隨溫度、濕濕度等引起起的變化與與綜合誤差差相比在同同一數(shù)量級級。5.各特性參數(shù)數(shù)之間的配配合傳感器是指能夠感受規(guī)定的的物理量，并按照一一定規(guī)律轉換成可用用輸入信號號的器件或裝裝置。傳感器敏感元件轉換元件測量電路直接感受被被測量量非電量或其他量電參量可測電量(I,U,f等)第二節(jié)傳傳感器基基礎知識1.差動電阻式式傳感器基基本原理卡爾遜（Calson）式儀器或彈彈性鋼絲式式（ElasticWire））儀器；可測測量應力、、變形和溫溫度。測量電阻比，可可以得到變變形或應力力；測量串聯(lián)電阻的的變化，可可以得到溫溫度的變化化。

張緊的彈性鋼絲作為傳感元件。

差動式電阻儀器原理靈敏度高，，性能穩(wěn)定定，耐久性性好。

差動電阻式壓力盒1-受壓板；2-傳壓油；3-一次膜；4-護圈；5-敏感元件；6-引出電纜一.傳感器的一一般原理利用鋼弦的的自振頻率與鋼弦所受受到的外加加張力之間的關系系，測得各各種物理量量；所測的參數(shù)數(shù)主要是鋼鋼弦的自振振頻率，常常用專用的的鋼弦頻率計計測定或周期測定儀儀測周期；優(yōu)點：結構簡單可可靠、測量量范圍大、、靈敏度高高、測試精精度高、零零點穩(wěn)定；；缺點：對傳感器的的材料和加加工工藝要要求很高；；敏感元件一根張緊的的金屬絲弦弦（鋼弦、、振弦），，如同琴弦弦一樣；鋼鋼弦經(jīng)過熱熱處理后蠕蠕變極小。2.振弦式傳傳感器基基本原理理張力與頻頻率的關關系f－最低階固固有頻率率；L－鋼弦的有有效長度度；σ－鋼弦的應應力；ρ－鋼弦材料料的密度度；電感式傳傳感器是是利用被被測量的的變化引引起線圈圈自感或或互感系系數(shù)的變變化，從從而導致致線圈電電感量改改變這一一物理現(xiàn)現(xiàn)象來實實現(xiàn)測量量的。因因此根據(jù)據(jù)轉換原原理，電電感式傳傳感器可可以分為為自感式式和互感感式兩大大類。可測量的的物理量量有：位移、振振動、壓壓力、應應變、流流量、比比重等。3.電感式傳傳感器基基本原理理電容式傳傳感器是是指能將將被測物物理量轉轉化為電電容變化化的一種種傳感元元件。電電容是構構成電容容器兩極極片形狀狀、大小小、相互互位置及及電介質質電介常常數(shù)的函函數(shù)。固體受到到作用力力后，電電阻率（（或電阻阻）就會會發(fā)生變變化，這這種效應應稱為壓壓阻效應應。壓阻阻式傳感感器就利利用固體體的壓阻阻效應制制成，主主要用來來測量壓壓力、載載荷和加加速度等等參數(shù)。。4.電容式、、壓阻式傳感器器基本原原理1.應力計和和應變計計二.常用傳感感器應力計和應變計區(qū)區(qū)別是測試敏敏感元件件與被測測物體相相對剛度度的差異異。如彈簧元元件比系系統(tǒng)硬很很多，則則P力的絕大大部分由由元件來來承擔；；若元件件彈簧所所受的壓壓力與P力近乎相相等，該該彈簧元元件適合合做應力力計；若若彈簧元元件比系系統(tǒng)柔軟軟很多，，它將順順著系統(tǒng)統(tǒng)的變形形而變形形，對變變形的阻阻抗作用用很小，，元件彈彈簧的變變形與系系統(tǒng)的變變形近乎乎相等，，該彈簧簧元件適適合于做做應變計計。2.電阻式傳傳感器1)測力傳感感器—柱式彈性性元件拉壓力傳傳感器結結構示意意圖荷重傳感感器結構構示意圖圖此外還有有環(huán)式彈彈性元件件、梁式式彈性元元件。2)位移傳感感器雙懸臂式式位移傳傳感器用適當形形式的彈彈性元件件，貼上上應變片片也可以以測量位位移，測測量的范范圍可從從0.1mm～100mm。彈性元元件有梁梁式、弓弓式和彈彈簧組合合式等。。3)液壓傳感感器液壓傳感感器有膜膜式、筒筒式和組組合式等等，測量量范圍從從0.1kPa到100MPa。膜式傳傳感器是是在周邊邊固定的的金屬膜膜片上貼貼上應變變片，當當膜片承承受流體體壓力產產生變形形時，通通過應變變片測出出流體的的壓力。。筒式壓強強傳感器器的圓筒筒內腔與與被測壓壓力連通通，當筒筒體內受受壓力作作用時，，筒體產產生變形形，應變變片貼在在筒的外外壁，工工作片沿沿圓周貼貼在空心心部分，，補償片片貼在實實心部分分。膜式壓強強傳感器器膜片上上的應變變分布筒式壓強強傳感器器4)壓力盒電阻應變變片式壓壓力盒也也采用膜膜片結構構，它是是將轉換換元件（（應變片片）貼在在彈性金金屬膜片片式傳力力元件上上，當膜膜片感受受外力變變形時，，將應變變傳給應應變片，，通過應應變片輸輸出的電電信號測測出應變變值，再再根據(jù)標標定關系系算出外外力值。。熱電阻溫溫度計是是利用某某些金屬屬導體或或半導體體材料的的電阻率率隨溫度度變化而而變化（（或增大大或減小?。┑奶靥匦?，制制成各種種熱電阻阻傳感器器，用來來測量溫溫度，達達到溫度度變化轉轉換成電電量變化化的目的的。5)熱電阻溫溫度計自感式電電感傳感感器---變間隙型型電感傳傳感器L－電感量；；W－線圈匝數(shù)數(shù)；μ0－空氣磁磁導率；；S－氣隙截面面積；δ－氣隙長度度；變間隙型型電感傳傳感器工作時銜銜鐵與被被測物體體連接，，被測物物體的位位移將引引起空氣氣隙的長長度發(fā)生生變化。。由于氣氣隙磁阻阻的變化化，導致致了線圈圈電感量量的變化化。1線圈；2鐵芯；3銜鐵3.電感式傳傳感器氣隙長度度不變，，鐵芯與與銜鐵之之間覆蓋蓋面積隨隨被測量量的變化化而改變變，從而而導致線線圈的電電感量發(fā)發(fā)生變化化，這種種形式稱稱之為變變面積型型電感傳傳感器。。自感式電電感傳感感器---變面積型型電感傳傳感器互感式電電感傳感感器---螺管型電電感傳感感器螺管型電電感傳感感器的銜銜鐵隨被被測對象象移動，，線圈磁磁力線路路徑上的的磁阻發(fā)發(fā)生變化化，線圈圈電感量量也因此此而變化化；線圈圈電感量量的大小小與銜鐵鐵進入線線圈的深深度有關關。在實際使使用中，，常采用用兩個相相同的傳傳感線圈圈共用一一個銜鐵鐵，構成成差動式電電感傳感感器，這樣可可以提高高傳感器器的靈敏度，減小測測量誤差差，補償償溫度。。下圖是變變間隙型型、變面面積型及及螺管型型三種類類型的差差動式電電感傳感感器。差動變壓器式式電感傳感器電感式傳感器器的典型應用用位移測量振動檢測induNCDT系列位移傳感感器的外形圖圖RS9300低頻振動傳感感器鋼弦式土壓力盒鋼弦混凝土應變計鋼弦式鋼筋應力計4.鋼弦式傳感器5.電容式、壓電電式和壓磁式式傳感器位移測量油量測量濕度測量電容傳感器壓電式傳感器壓力傳感器加速度傳感器器壓磁式傳感器壓磁式傳感器器是測力傳感感器的一種，，它利用鐵磁磁材料磁彈性性物理效應，，即材料受力力后，其導磁磁性能受影響響，將被測力力轉換為電信信號。壓磁式傳感器器可整體密封封，因此具有有良好的防潮潮、防油和防防塵等性能，，適合于在惡惡劣環(huán)境下工工作；此外，，還具有溫度度影響小，抗抗干擾能力強強，輸出功率率大、結構簡簡單、價格較較低、維護方方便、過載能能力強等優(yōu)點點；其缺點是是線性和穩(wěn)定定性較差。6.光纖光柵傳感器以光波為載體體、光纖為媒媒質、感知和和傳輸外界被被測量信號的的新型傳感技技術。安全監(jiān)測常用用的光纖傳感感器有光纖光光柵傳感器和和分布式光纖纖傳感器。光纖的優(yōu)點：：不怕電磁干干擾，易被各各種光探測器器件接收，可可方便地進行行光電或電光光轉換，易與與現(xiàn)代電子裝裝置相匹配；；特別適合于于易燃、易爆爆、空間受嚴嚴格限制及強強電磁干擾等等惡劣環(huán)境下下使用。7.其他常用傳感器碳纖維傳感器器碳纖維既具有有碳元素的各各種優(yōu)良性能能，又具有纖纖維般的柔韌韌性，可進行行編織加工和和纏繞成型；；還具有良好好的耐磨性、、高導電性、、耐低溫性、、潤滑性和吸吸附性，可以以在-180℃~+2000℃環(huán)境下使用用；熱膨脹系系數(shù)小，導熱熱系數(shù)高，能能夠適應極冷冷極熱環(huán)境；；具有導電性性；可作為傳傳感元件發(fā)揮揮作用。形狀記憶合金金形狀記憶合金金(SMA)獨特的力學性性能主要表現(xiàn)現(xiàn)為形狀記憶憶效應和超彈彈性行為，是是一種性質與與其他金屬材材料變形特性性完全不同的的合金。利用用SMA的感知功能，，可實現(xiàn)對土土木工程結構構的健康監(jiān)測測，利用SMA的驅動功能可可實現(xiàn)對土木木工程結構的的變形、損傷傷、振動控制制。金屬絲的電阻阻可以表示為為：ρ—電阻率K0—電阻應變片的靈敏度系數(shù)電阻應變片是一種將機械械構件上的應應變變化轉換換為電阻變化化的傳感元件件。物理基礎：金屬導體的電電阻隨著所受受機械變形的的大小而變化化。三.電阻應變片量量測原理和技術1.電阻應變片1)電阻應變片的的構造和工作作原理1－粘合層；2－基底；3－粘合層；4－蓋片；5－敏感柵；6－引出線；L－基長；b－基寬電阻應變片的構造在電阻應變測量量時，應變片片的選擇主要要根據(jù)工作環(huán)環(huán)境、被測材材料的材質、、被測物的應應力狀態(tài)及所所需的精度而而定。以使用面積（（基寬×基長長）和電阻值值表示如：3×10mm2,120Ω按敏感柵分為為：電阻應變片的的規(guī)格及分類類金屬絲式金屬箔式金屬薄膜式半導體應變片片電阻應變片的優(yōu)缺點精度高，使用壽命長，價格低廉尺寸小，重量輕，對被測件基本無影響頻率響應好，可靜態(tài)測量，也可動態(tài)測量測量范圍大，1％～2％，甚至20％零漂和溫漂嚴重2.應力應變測量量四.傳感器的選擇擇和標定1.傳感器選擇的的原則1)技術性能方面面可靠性：光學和機械>電子使用壽命：觀測期內均正正常；工作壽壽命要大于使使用年限；堅固性和可維維護性：適宜復雜環(huán)環(huán)境；易維修修；精度：滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)據(jù)要求；靈敏度和量程程：滿足量程的條條件下，盡量量考慮高靈敏度傳感器與周圍介質的的匹配：盡量匹配，但