數(shù)據(jù)采集與測(cè)量?jī)x器

數(shù)據(jù)采集與測(cè)量?jī)x器第1頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念狹義測(cè)量：被測(cè)的量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并確定被測(cè)的量是標(biāo)準(zhǔn)量的多少倍。廣義測(cè)量：對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢出、變換、分析、處理、判斷、控制和顯示等。這些環(huán)節(jié)的組合稱為測(cè)試系統(tǒng)。3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)組成：檢出變換系統(tǒng)、放大系統(tǒng)、記錄顯示系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：

1、刻度值A(chǔ)，指分度表上每一最小刻度所代表的被測(cè)量的數(shù)值?？潭戎档牡箶?shù)為該儀表的放大率V，即。第2頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

2、量程S，是指測(cè)量上限值和下限值的代數(shù)差，即儀表刻盤上的上限值減去下限值，即。

3、靈敏度K，是指某實(shí)際物理量的單位輸出量與輸入增量的比值，。

4、分辨率，當(dāng)輸入量從某個(gè)任意非零值開(kāi)始緩慢的變化時(shí)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)只要輸入的變化值不超過(guò)某一個(gè)數(shù)值，儀表的示值是不會(huì)發(fā)生變化的。使儀表示值發(fā)生變化的最小輸入變化值叫做儀表的分辨率。第3頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

5、滯后，某一輸入量從起始量程增至最大量程，再由最大量程減至最小量程，在這正反兩個(gè)行程輸出值之間的偏差稱為滯后。

6、精確度（1）準(zhǔn)確度與誤差準(zhǔn)確度是指分析結(jié)果與真實(shí)值相符合的程度，通常用誤差的大小來(lái)表示。誤差越小，分析結(jié)果的準(zhǔn)確度就越高。第4頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

6、精確度（1）準(zhǔn)確度與誤差誤差有兩種表示方法：絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。絕對(duì)誤差是測(cè)定值與真實(shí)值之差，相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差在真實(shí)值中所占的百分率，即：絕對(duì)誤差＝測(cè)定值－真實(shí)值例如稱得某一物體的質(zhì)量為1.6380g，而該物體的真實(shí)質(zhì)量為1.6381g，測(cè)定結(jié)果與真實(shí)值的差為：絕對(duì)誤差＝1.6380g－1.6381g＝－0.0001g相對(duì)誤差＝－0.0001g/1.6381g=-0.006%第5頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)（2）精密度與偏差精密度是指在相同條件下幾次平行測(cè)定的結(jié)果相互接近的程度，通常用偏差的大小來(lái)表示。偏差越小，分析結(jié)果的精密度就越高。

偏差也有絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差之分。測(cè)定結(jié)果（）與平均值（）之差為絕對(duì)偏差（d），即個(gè)別測(cè)定的絕對(duì)偏差；絕對(duì)偏差在平均值中所占的百分率為相對(duì)偏差（），即個(gè)別測(cè)定的相對(duì)偏差。因此，絕對(duì)偏差＝測(cè)定值－n次測(cè)定值的算術(shù)平均值相對(duì)偏差＝絕對(duì)偏差/算術(shù)平均值×100%第6頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)（3）準(zhǔn)確度與精密度的關(guān)系

準(zhǔn)確度表示測(cè)量的正確性，而精密度則表示測(cè)量的重復(fù)性或再現(xiàn)性。分析工作要求測(cè)量的準(zhǔn)確度要高，精密度要好。但精密度好并不能保證準(zhǔn)確度也高。例如，某石灰石礦含CaO的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為53.77。若甲分析得結(jié)果為53.50、53.56、53.86；乙分析得53.41、53.42、53.40；丙分析得53.76、53.77和53.78。比較三人的分析結(jié)果，可見(jiàn)甲的準(zhǔn)確度低，精密度差；乙的精密度雖好，但準(zhǔn)確度卻低；只有丙的準(zhǔn)確度高，精密度也好，其測(cè)定結(jié)果是可取的。 第7頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)（3）準(zhǔn)確度與精密度的關(guān)系事實(shí)證明，只有首先保證精密度好，才有可能使準(zhǔn)確度高。因?yàn)榉治鼋Y(jié)果的精密度主要取決于實(shí)驗(yàn)操作的仔細(xì)與精密程度（即偶然誤差?。鴾?zhǔn)確度則主要取決于分析方法本身（即由系統(tǒng)誤差所決定）。因此，粗心大意固然不可能得出準(zhǔn)確的分析結(jié)果，但分析方法本身帶來(lái)的誤差，顯然也不會(huì)因操作精細(xì)而被完全消除。因此，只有在消除了分析的系統(tǒng)誤差之后，盡量提高分析的精密程度，這樣所得到的測(cè)定結(jié)果才是準(zhǔn)確、可靠的。 第8頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.1測(cè)量?jī)x表的組成及技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

7、可靠性，在規(guī)定的條件下（滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，包括環(huán)境、使用和維護(hù)等），滿足給定的誤差極限范圍內(nèi)連續(xù)工作的可能性，或者說(shuō)構(gòu)成儀表的元件或部件的功能隨著時(shí)間的增長(zhǎng)仍能保持穩(wěn)定的程度。第9頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.2測(cè)量方法

1、直接測(cè)量法和間接測(cè)量法

2、偏位測(cè)量法和零位測(cè)量法3.1.3儀器誤差及消除方法

1、誤差分類測(cè)量值與真值之間的差叫做測(cè)量誤差，它是由使用儀器、測(cè)量方法、周圍環(huán)境、人的技術(shù)熟練程度和人的感官條件等的技術(shù)水平和客觀條件的限制所引的，在測(cè)量過(guò)程中它是不可能完全消除的，但可通過(guò)分析誤差的來(lái)源、研究誤差的規(guī)律來(lái)減小誤差，提高精度。并用科學(xué)的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以達(dá)到更接近于真值的最佳效果。第10頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.3儀器誤差及消除方法（1）隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差的發(fā)生是隨機(jī)的，其數(shù)值變化規(guī)律符合一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通常為正態(tài)分布規(guī)律。因此，隨機(jī)誤差的度量是用標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著對(duì)同一量的測(cè)量次數(shù)的增加，標(biāo)準(zhǔn)偏差的值變得更小，從而該物理量的值更加可靠。隨機(jī)誤差通常是由于環(huán)境條件的波動(dòng)以及觀察者的精神狀態(tài)的等測(cè)量條件引起的。

1、誤差分類第11頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.3儀器誤差及消除方法（2）系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是在一組測(cè)量中，常保持同一數(shù)值和同一符號(hào)的誤差，因而系統(tǒng)誤差有一定的大小和方問(wèn)，它是由于測(cè)量原理的方法本身的缺陷、測(cè)試系統(tǒng)的性能、外界環(huán)境（如溫度、濕度、壓力等）的改變、個(gè)人習(xí)慣偏向等因素所引起的誤差。有些系統(tǒng)誤差是可以消除的，其方法是改進(jìn)儀器性能、標(biāo)定儀器常數(shù)、改善觀測(cè)條件和操作方法以及測(cè)定值進(jìn)行合理修正等。

1、誤差分類（3）粗大誤差又稱過(guò)失誤差，它是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或接線錯(cuò)誤、或操作者粗心大意看錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)等原因造成的誤差，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量避免。第12頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.3儀器誤差及消除方法

2、消除誤差的方法（1）在專門的率定設(shè)備上進(jìn)行；（2）采用和被率定儀器同一等級(jí)的“標(biāo)準(zhǔn)”儀器作比較來(lái)進(jìn)行率定；（3）利用標(biāo)準(zhǔn)試件率定儀器。第13頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.4觀測(cè)儀器選擇

1、在選擇儀器時(shí)，必須從試驗(yàn)實(shí)際需要出發(fā)，使所用儀器能很好地符合量測(cè)所需的精度與量程要求，但要防止盲目選用高準(zhǔn)確度和高靈敏度的精密儀器。一般的試驗(yàn)，要求測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)5%。必須注意到，精密量測(cè)儀器的使用，要求有比較良好的環(huán)境和條件。如果條件不夠理想，其后果不是儀器遭受損傷，就是觀測(cè)結(jié)果不可靠?？傊?，儀器選擇時(shí)既要保證精度，也要避免盲目追求高精度。應(yīng)使儀表的最小刻度值不大于5%的最大被測(cè)值。第14頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.4觀測(cè)儀器選擇

2、儀器的量程應(yīng)該滿足最大應(yīng)變或撓度的需要。如在試驗(yàn)中途調(diào)整，必然會(huì)增大測(cè)量誤差，應(yīng)當(dāng)盡量避免。為此，儀器最大被測(cè)值宜在滿量程的1/5～2/5范圍內(nèi)，一般最大被測(cè)值不宜大于選用儀表最大量程的80%。

3、如果測(cè)點(diǎn)的數(shù)量很多而且測(cè)點(diǎn)又位于很高很遠(yuǎn)的部位，這時(shí)采用電阻應(yīng)變儀多點(diǎn)測(cè)量或遠(yuǎn)距測(cè)量就很方便，對(duì)埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)只能用電測(cè)儀表。此外，機(jī)械式儀表一般是附著于結(jié)構(gòu)上，要求儀表的自重輕、體積小，不影響結(jié)構(gòu)的工作。第15頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.1測(cè)量?jī)x表的基本概念3.1.4觀測(cè)儀器選擇

4、選擇儀表時(shí)必須考慮測(cè)讀方便省時(shí)，必要時(shí)須采用自動(dòng)記錄裝置。

5、為了簡(jiǎn)化工作，避免差錯(cuò)，量測(cè)儀器的型號(hào)規(guī)格應(yīng)盡可能選用一樣的，種類愈少愈好。有時(shí)為了控制觀測(cè)結(jié)果的正確性，常在校核測(cè)點(diǎn)上使用另一種類型的儀器，以致比較。

6、動(dòng)測(cè)試驗(yàn)使用的儀表，尤其應(yīng)注意儀表的線性范圍頻響特性和相位特性要滿足試驗(yàn)量測(cè)的要求。第16頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變?yōu)閱挝婚L(zhǎng)度范圍內(nèi)的伸長(zhǎng)或縮短。3.2.1應(yīng)變的機(jī)械測(cè)量法應(yīng)變測(cè)試手段除了電阻應(yīng)變方法外，主要還有手持式應(yīng)變儀法和位移計(jì)法。手持式應(yīng)變儀法和位移計(jì)法的工作原理基本相同，均是通過(guò)百分表或位移計(jì)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的伸縮長(zhǎng)度Δl，設(shè)兩點(diǎn)之間的初始距離為l，則兩點(diǎn)之間的平均應(yīng)變可按下式計(jì)算：第17頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變?yōu)閱挝婚L(zhǎng)度范圍內(nèi)的伸長(zhǎng)或縮短。3.2.1應(yīng)變的機(jī)械測(cè)量法手持式應(yīng)變儀和位移計(jì)法的靈敏度，取決于儀器中位移計(jì)的靈敏度。另外，兩點(diǎn)之間的距離越大，測(cè)量精度愈高。但兩點(diǎn)之間的范圍內(nèi)，應(yīng)變應(yīng)均勻。手持式應(yīng)變儀和位移計(jì)法適用于長(zhǎng)期試驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)大變形階段測(cè)試有滿意的精度。第18頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量3.2.2應(yīng)變電測(cè)法在測(cè)量過(guò)程中，常將某些物理量發(fā)生的變化，先變換為電參量的變化，然后用量電器進(jìn)行量測(cè)。電阻應(yīng)變法測(cè)量應(yīng)變需要的儀器包括應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變儀。其中應(yīng)變計(jì)屬于傳感器，應(yīng)變儀屬于放大、測(cè)量、顯示器。1、應(yīng)變計(jì)的工作原理應(yīng)變計(jì)粘貼在試件測(cè)點(diǎn)表面，當(dāng)應(yīng)變計(jì)的電阻絲隨試件發(fā)生應(yīng)變時(shí)，由于電阻絲長(zhǎng)度和截面積的變化，導(dǎo)致電阻絲的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，其定量關(guān)系如下：式中K稱為應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)，K是應(yīng)變計(jì)的初始電阻。第19頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量3.2.2應(yīng)變電測(cè)法2、應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造及主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造如圖。應(yīng)變計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：第20頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量3.2.2應(yīng)變電測(cè)法2、應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造及主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造如圖。應(yīng)變計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：（1）電阻值。一般R=120Ω，應(yīng)與應(yīng)變儀匹配。（2）有效長(zhǎng)度L。所測(cè)應(yīng)變?yōu)長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均應(yīng)變；選擇應(yīng)變片時(shí)應(yīng)考慮測(cè)點(diǎn)范圍的應(yīng)變梯度及材料，對(duì)混凝土，L宜為粗骨料粒徑的3倍。（3）靈敏系數(shù)K。表示單位應(yīng)變引起的電阻變化，與應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造和材料有關(guān)。3、應(yīng)變計(jì)的粘貼第21頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量3.2.2應(yīng)變電測(cè)法4、應(yīng)變測(cè)量電橋應(yīng)變計(jì)的電阻值隨應(yīng)變所發(fā)生的阻值變化量極小，甚至不能精確測(cè)量出來(lái)。為此，在應(yīng)變儀中設(shè)置電橋電路，將應(yīng)變計(jì)接入電橋電路，則橋臂上應(yīng)變電阻的變化將導(dǎo)致橋路輸出電壓或電流的變化，電壓及電流信號(hào)是可以放大的，因而較電阻變化容易測(cè)量出來(lái)。

電橋的連接方式有多種：

1/4橋連接：即電橋電路的4個(gè)橋臂中僅一個(gè)橋臂是測(cè)量應(yīng)變計(jì)，其它橋臂連接的是等值電阻。這種連接方式可測(cè)量出應(yīng)變，但測(cè)量值中包含試件的溫差脹縮應(yīng)變。第22頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量3.2.2應(yīng)變電測(cè)法

電橋的連接方式有多種：AU0U1BCD

2/4橋連接：即電橋電路的4個(gè)橋臂中，一個(gè)橋臂是測(cè)量應(yīng)變計(jì)，一個(gè)橋臂是溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，另外二個(gè)橋臂連接的是等值電阻這種連接方式不僅可測(cè)量出應(yīng)變，且測(cè)量值中已消除試件的溫差脹縮應(yīng)變。

4/4橋連接：用于應(yīng)變式傳感器的連接。第23頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測(cè)量3.2.2應(yīng)變電測(cè)法5、溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)粘貼的時(shí)刻與進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)刻一般總存在溫度差，即存在溫差應(yīng)變。如果要求測(cè)量數(shù)據(jù)中消除溫差應(yīng)變，則稱為溫度補(bǔ)償。

溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃O(shè)置溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，并按照一定的橋路進(jìn)行連接。溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)與測(cè)試應(yīng)變計(jì)都是相同的應(yīng)變計(jì)，并且應(yīng)該在相同的溫度環(huán)境下粘貼在相同材質(zhì)的物體上，測(cè)試應(yīng)變計(jì)粘貼在受力的試件上，溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)粘貼在不受力的物體上。第24頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.3位移測(cè)量結(jié)構(gòu)位移包括線位移和角位移。線位移如受彎構(gòu)件的撓度或豎向構(gòu)件的側(cè)移。角位移如節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)角等。

線位移的測(cè)量?jī)x器有機(jī)械式百分表、機(jī)械式千分表、機(jī)電兩用式百（千）分表（如右圖）、電測(cè)位移傳感器等。角位移的測(cè)量?jī)x器有水準(zhǔn)管式傾角儀、電子傾角儀。

角位移也可通過(guò)測(cè)量繞某點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的線位移及轉(zhuǎn)動(dòng)半徑計(jì)算得到。第25頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.4應(yīng)變場(chǎng)的應(yīng)變及裂縫測(cè)定第26頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.5力與溫度的測(cè)量測(cè)量力值的主要目的是控制加載量和進(jìn)行加載分級(jí)；對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)測(cè)量支座反力。

力值測(cè)量?jī)x器有機(jī)械式和電測(cè)式兩種。對(duì)于液壓加載器，還可根據(jù)油壓表測(cè)量。機(jī)械式測(cè)力儀是根據(jù)彈性元件的受力變形量與力值的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量變形確定受力大小，如壓力環(huán)等。

電測(cè)式測(cè)力儀有應(yīng)變式測(cè)力傳感器、壓電式測(cè)力傳感器等種類。應(yīng)變式測(cè)力傳感器是根據(jù)彈性元件的受力應(yīng)變量與力值的關(guān)系，通過(guò)電阻應(yīng)變儀測(cè)量受力大小。第27頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分：傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)及軟件。

傳感器將感受到的各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀將接收到的電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的數(shù)字量，通過(guò)屏幕顯示、或打印輸出、或輸入計(jì)算機(jī)存盤。數(shù)據(jù)采集儀上有控制鍵，可直接控制采集儀。第28頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以更靈活地控制采集儀，包括實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、繪制數(shù)據(jù)關(guān)系曲線等。第29頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.7

振動(dòng)測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)很多，如動(dòng)位移、速度、加速度、頻率、阻尼、振型等等。按照測(cè)量參數(shù)分類，有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等多種。按照傳感器原理分類，測(cè)振傳感器有慣性式、磁電式、壓電式等等。3.7.1慣性式測(cè)振傳感器的工作原理與靜態(tài)測(cè)試相比，測(cè)振時(shí)難以在振動(dòng)體附近找到靜止的基準(zhǔn)點(diǎn)。解決的方法之一，是在傳感器內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

傳感器構(gòu)成：外殼、質(zhì)量塊m、彈簧K、阻尼。

理論分析表明，傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器外殼的振動(dòng)規(guī)律，與外殼或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有函數(shù)關(guān)系，傳感器外殼固定在振動(dòng)體上，通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)于外殼的振動(dòng)，確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)第30頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.7

振動(dòng)測(cè)量?jī)x器3.7.2測(cè)振傳感器的頻率特性慣