巖土工程測試技術(shù)

巖土工程測試技術(shù)第一局部：根底知識第一章概述一、測試技術(shù)的根本概念及測試系統(tǒng)1.定義：測試技術(shù)是實驗科學(xué)的一局部，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號的分析處理方法的學(xué)科。2、測試技術(shù)應(yīng)用廣泛：生物、海洋、氣象、巖體、通信以及機(jī)械、電子等工程都都離不開測試與信息處理。3、測試系統(tǒng)中的信號：信號，就其具體的物理性質(zhì)而言，有位移信號、速度信號、加速度信號、力信號、光信號和電信號等。目前以電信號最為方便，在測試中通常先將被測對象輸出的物理量〔非電信號〕轉(zhuǎn)換為電量〔電信號〕。4、測試系統(tǒng)的組成：測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三局部組成。如下列圖所示。二、測試系統(tǒng)的根本特性：測試系統(tǒng)的特性是指測試系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間的對應(yīng)關(guān)系。測試系統(tǒng)的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性〔測試系統(tǒng)的三大局部有各自的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，當(dāng)這三大局部組成一個系統(tǒng)后，該系統(tǒng)又顯示出了綜合的靜態(tài)特性和動態(tài)特性〕〔一〕、靜態(tài)特性靜態(tài)〔穩(wěn)定狀態(tài)〕是指輸入量不隨時間而變化或隨時間變化非常緩慢的狀態(tài)。靜態(tài)特性是指輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸入量與輸出量之間的關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。1、線性度測試系統(tǒng)的輸出——輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與測試系統(tǒng)滿量程輸出值之比，稱為該測試系統(tǒng)的“非線性誤差〞或稱“線性度〞,也稱“非線性度〞。通常用相對誤差表示線性度大?。菏街校簽榉蔷€性誤差〔線性度〕,為校準(zhǔn)曲線與理想擬合直線間的最大偏差,為傳感器滿量程輸出平均值。2、靈敏度測試系統(tǒng)在靜態(tài)狀態(tài)條件下輸出量的變化值與相應(yīng)的輸入量〔被測量〕的變化值之比稱為測試系統(tǒng)的靈敏度,用公式表示為：K——靈敏度，線性測試系統(tǒng)的靈敏度是個常數(shù)；dy——輸出量的變化量；dx——輸入量的變化量。系統(tǒng)靈敏度的變化稱為“靈敏度漂移〞，常以輸入不變情況下每小時內(nèi)輸出的變化量來衡量。顯然，性能良好的測量裝置，其靈敏度漂移較小。3、遲滯輸入逐漸增加到某一值,與輸入逐漸減小到同一輸入值時的輸出值不相等,叫遲滯現(xiàn)象。如存在遲滯差,那么輸入和輸出的關(guān)系就不是一一對應(yīng)了,因此必須盡量減少這個差值。4、重復(fù)性重復(fù)性是指測試系統(tǒng)在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)屢次變化時，所得特性曲線不一致的程度。屢次重復(fù)測試的曲線重復(fù)性好，誤差也小。5、穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示測試系統(tǒng)在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)不變的能力。6、靈敏度界限〔閾值〕輸入改變Δx時,輸出變化Δy,Δx變小,Δy也變小。但是一般來說,Δx小到某種程度,輸出就不再變化了,這時的Δx叫做靈敏度界限。靈敏度界限也叫靈敏閾,門檻靈敏度,或閾值?！捕?、測試系統(tǒng)的動態(tài)特性測試系統(tǒng)的動態(tài)待性，是指在測量動態(tài)信號時測試系統(tǒng)的輸出量反映輸入量的大小和隨時間變化的能力。動態(tài)特性差的測試系統(tǒng)在測量過程中，將會產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。測試系統(tǒng)動態(tài)特性取決于：〔1〕測試系統(tǒng)本身；〔2〕被測量〔輸入量〕的形式。被測量的形式主要有：〔1〕規(guī)律性的：①周期性的：正弦周期輸入、復(fù)雜周期輸入；②非周期性的：階躍輸入、線性輸入、其他瞬變輸入〔2〕隨機(jī)性的：①平穩(wěn)的：多態(tài)歷經(jīng)過程、非多態(tài)歷經(jīng)過程；②非平穩(wěn)的隨機(jī)過程?！皹?biāo)準(zhǔn)〞輸入只有三種：正弦周期輸入、階躍輸入和線性輸入。而經(jīng)常使用的是前兩種。三、測試系統(tǒng)的配置要求：阻抗匹配工作頻率非線性量程靈敏度閾值精度四、測試技術(shù)在巖體工程中的作用：〔一〕、檢測〔獲取數(shù)據(jù)〕，主要有三個方面：1、為巖體工程的科學(xué)研究提供可靠的數(shù)據(jù)隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭，礦物資源地下開采的深度越來越大。另外，地下工程建設(shè)如長、大山嶺隧道、核廢物料堆放、地下廠房等的建設(shè)越來越多。因此必須加強(qiáng)深部巖體力學(xué)研究與應(yīng)用。通過測試技術(shù)為研究工作獲得可靠的數(shù)據(jù)，并對研究成果進(jìn)行驗證。2、為工程設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)在巖體測試數(shù)據(jù)的根底上，進(jìn)行合理的假設(shè)和簡化，建立數(shù)學(xué)模型，再做解析運(yùn)算，并結(jié)合經(jīng)驗類比法，來求得問題的正確解，從而取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。3、為平安生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)平安信息在某些特定部位放置巖石壓力傳感裝置，監(jiān)測巖石的變化情況，預(yù)報可能發(fā)生平安問題的地點(diǎn)，從而減少礦山事故的發(fā)生，提高礦山平安生產(chǎn)的能力?！捕?、控制〔自動控制〕五、巖體測試技術(shù)的主要任務(wù)〔研究內(nèi)容〕巖體測試技術(shù)的主要內(nèi)容，可歸納如下：〔1〕確定巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征；〔2〕確定巖體的變形；〔3〕確定巖體原始應(yīng)力場及巖體破壞后地應(yīng)力的變化〔4〕研究巖體支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)；〔5〕研究巖體的振動參數(shù)。六、巖體測試技術(shù)的常用方法和開展趨勢〔一〕、常用的方法〔1〕機(jī)械法〔2〕電測法先將被測物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后再通過電學(xué)方法測量〔如電壓、電阻、電容、電廠感等〕。應(yīng)用范圍非常廣泛?！?〕光測法用光學(xué)和彈性力學(xué)相結(jié)合來分析應(yīng)力的方法。不能遙測、精度低、傳感器安裝不便，推廣受限制。〔4〕聲測法20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)、外采用聲波檢測方法進(jìn)行巖體檢測，理論依據(jù)是：不同巖組的聲波具有不同的特征，包括聲波速度、延時、振幅及頻譜等參數(shù)。以“會澤鉛鋅礦一號礦體巖體聲波測試研究〞為例。〔二〕、開展趨勢從專業(yè)角度看，測試技術(shù)應(yīng)包括以下三個方面:①傳感器技術(shù)②信號處理技術(shù)③儀器儀表技術(shù)從學(xué)科關(guān)系看，測試技術(shù)是綜合運(yùn)用多學(xué)科原理和技術(shù)，同時也直接為各專業(yè)學(xué)科效勞的一門技術(shù)學(xué)科。測試技術(shù)的開展在如下三個方面最為突出1、傳感器技術(shù)迅速開展〔1〕利用新材料開發(fā)新型傳感器應(yīng)用各種配方的半導(dǎo)體氧化物制造各種氣體傳感器；應(yīng)用光導(dǎo)纖維制造光纖傳感器應(yīng)用液晶材料制造液晶傳感器應(yīng)用生物功能材料制造生物傳感器，等等?！?〕利用新材料研究開發(fā)小型化集成化的傳感器。2、測試儀器微機(jī)化、智能化以微處理器為核心的數(shù)字式測試儀器已成為當(dāng)前測試儀器的主流。3、測量信號處理方面數(shù)據(jù)的處理速度越來越快，近年來出現(xiàn)了一種用于快速處理信號的器件即信號處理芯片〔DSP〕。把這一技術(shù)運(yùn)用到測試技術(shù)上可使測試儀器實現(xiàn)在線實時能力。目前信號分析技術(shù)的開展目標(biāo)是：〔1〕在線實時能力的進(jìn)一步提高；〔2〕分辨力和運(yùn)算精度的提高；〔3〕擴(kuò)大和開展新的專用功能；〔4〕專用機(jī)結(jié)構(gòu)小型化，性能標(biāo)準(zhǔn)化，價格低廉。現(xiàn)代礦山和地下工程建設(shè)的各個方面，包括巖體的開挖設(shè)計、施工、生產(chǎn)過程、平安管理等都是以先進(jìn)的測試技術(shù)為重要支撐。測試技術(shù)的先進(jìn)性已是一個地區(qū)、一個國家科技興旺程度的重要標(biāo)志之一，測試技術(shù)的作用和地位在今后將更加重要和突出第二章傳感器第一節(jié)傳感器的概念與組成一、傳感器的概念傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。一些國家和學(xué)科領(lǐng)域，將傳感器(Transducer或Sensor)稱為換能器、變換器、變送器或探測器。傳感器的輸出信號通常是電量〔電信號〕。傳感器〔本課程〕：把被測的非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量的裝置。二、傳感器的組成一般來說，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件〔如轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等〕組成。如下圖：敏感元件——是指傳感器中能直接感受〔或響應(yīng)〕被測量〔輸入量〕的局部。轉(zhuǎn)換元件——是指傳感器中能將敏感元件感受〔或響應(yīng)〕出的被測量轉(zhuǎn)換成電信號的局部。轉(zhuǎn)換電路——又叫信號調(diào)節(jié)電路；是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。輔助電路——通常包括電源，即交、直流供電系統(tǒng)。注意：并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。第二節(jié)傳感器的分類與性能要求一、傳感器的分類〔一〕、按輸入量分：壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、速度傳感器等；〔二〕、按輸出量分：參數(shù)型傳感器、發(fā)電型傳感器。1、參數(shù)型傳感器工作原理：將被測物理量轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)，主要是電阻、電容和電感。2、發(fā)電型傳感器工用原理：將被測物理量轉(zhuǎn)化為電源參數(shù)的傳感器，主要是電動勢。具體分為：(1)、磁電式傳感器(2)、壓電式傳感器(3)、熱電式傳感器(4)、光電式傳感器二、傳感器的特性傳感器也具有第一章中所講的各種根本特性。傳感器的特性也可以分為：1、輸入特性〔1〕、輸入量的形式〔2〕、輸入量的有效范圍〔3〕、對被測量的影響2、轉(zhuǎn)換特性〔1〕轉(zhuǎn)換函數(shù)〔2〕傳感器的誤差〔3〕、傳感器的抗干擾能力3、輸出特性〔1〕、輸入量的形式〔2〕、輸出量的形式〔3〕、輸出阻抗三、對傳感器的要求1、轉(zhuǎn)換線性要好。傳感器的理想輸入—輸出特性是線性的，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計計算；(2)為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便，只要知道線性輸出一輸入特性上的兩點(diǎn)就可以確定其余各點(diǎn)；(3)可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制做、安裝、調(diào)試容易，提高測量精度；(4)防止了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。2、靈敏度高。3、穩(wěn)定可靠。4、精度要高。5、動態(tài)性能好。6、其它。第三節(jié)傳感器的結(jié)構(gòu)原理本節(jié)主要學(xué)習(xí)壓電式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器。一、壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的一種傳感器。1、壓電效應(yīng)某些晶體，在一定方向受到外力作用時，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個外表產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的,即晶體在外電場的作用下也會發(fā)生形變，這種效應(yīng)稱為逆向壓電效應(yīng)。晶體的壓電效應(yīng)可用圖來加以說明?！瞐〕具有壓電效應(yīng)的晶體(b)不具有壓電效應(yīng)的晶體圖2-4晶體的壓電效應(yīng)〔a〕不受力，正負(fù)電荷中心重合，不帶電；力后，正負(fù)電荷中心不重合，帶電。(b)不受力與受力后；正負(fù)電荷中心重合，不帶電。2、壓電效應(yīng)具有方向性〔以石英晶體為例〕石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。圖2-5是天然石英晶體的外形圖。石英晶體有三個晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。圖石英晶體的外形、坐標(biāo)軸及切片縱向〔x軸〕壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為q＝dFq—垂直于X軸平面上的電荷；d—壓電系數(shù)；F—沿晶軸X方向施加的壓力。具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料，主要有：〔1〕壓電晶體：天然和人造石英晶體?！?〕壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。3、工作原理壓電傳感器就是利用晶體的壓電效應(yīng)制造的。以壓電加速度傳感器的工作原理為例。圖2-6為壓電加速度傳感器的原理圖。它由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成。當(dāng)待測物運(yùn)動時，支座與待測物以同一加速度運(yùn)動，質(zhì)量塊就施加一個可變的力給壓電元件〔這個可變的力是怎樣產(chǎn)生的？〕，在晶體的兩個外表上產(chǎn)生交變電荷(電壓)；由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小，就能得知物體的加速度。圖壓電加速度傳感器的工作原理4、壓電晶片的的聯(lián)結(jié)方式:串聯(lián)，并聯(lián).二、電感式傳感器電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式〔包括可變磁阻式與渦流式〕和互感式〔差動變壓器式〕傳感器兩大類。1、變間隙型電感式傳感器〔1〕、傳感器結(jié)構(gòu)示意圖傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。〔2〕、線圈電感值的表達(dá)式：I—通過線圈的電流；n—線圈的匝數(shù)；Rm—磁路總磁阻；S0—?dú)庀兜慕孛娣e；S1—鐵芯的截面積；S2—銜鐵的截面積；L1—磁通通過鐵芯的長度；L2—磁通通過銜鐵的長度；〔3〕傳感器的工作原理根據(jù)式當(dāng)空隙的截面積、導(dǎo)磁率一定時，電感量僅與空隙厚度有關(guān)，只要使銜鐵發(fā)生位移，就可以改變空隙厚度，從而使電感量發(fā)生變化。2、變面積型電感傳感器由可知，氣隙長度不變，鐵心與銜鐵覆蓋面積隨被測量的變化面改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖。變面積型電感傳感器3、差動式傳感器〔1〕、結(jié)構(gòu)示意，如下圖：由一個線框和一個鐵芯組成。在線框上繞有一組初級線圈作為輸入線圈，在同一線框上另外繞兩組次級線圈作為輸出線圈，并在線框中央圓孔中放入鐵芯。〔2〕、工作原理A、當(dāng)銜鐵處于中間位置時，輸出的電動勢為零。B、當(dāng)銜鐵向上移動時，E1>E2C、當(dāng)銜鐵向下移動時，E1<E2因此通過差動式傳感器輸出的電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。三、電容式傳感器電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器的根本原理：電容式傳感器的根本工作原理可以用圖所示的平板電容器來說明。平板電容器的電容量C為:可知：如果保持其中兩個參數(shù)不變，而使另外一個參數(shù)改變，那么電容量就將發(fā)生變化。如果變化的參數(shù)與被測量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那被測量的變化就可以直接由電容量的變化反映出來。1、變間隙式電容傳感器圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖變間隙式電容傳感器1—固定極板，2—活動極板當(dāng)活動極板移動x后，其電容量為當(dāng)x＜＜d時那么2、變面積式電容傳感器2、變面積式電容傳感器〔1〕、示意圖〔2〕、工作原理當(dāng)動極板移動△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為電容因位移而產(chǎn)生的變化量為3、變介電常數(shù)式電容傳感器當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。此類傳感器的結(jié)構(gòu)形式有很多多種，下列圖為介質(zhì)面積變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。思考題1：變間隙式電容傳感器兩極板間的初始距離d增加時，將引起傳感器靈敏度〔〕。A．靈敏度增加B．靈敏度減小C．沒有變化D．不能確定思考題2：試分析變間隙式電容和變面積式電容傳感器的靈敏度〔系數(shù)〕?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問題?思考題解答：提高傳感器靈敏度的措施及應(yīng)注意的問題：(1)減小極距，并在極板間放置電介質(zhì)常數(shù)較高的云母片。(2)采用差動型電容式傳感器。差動型電容式傳感器的靈敏度〔系數(shù)〕：面積變化型電容式傳感器四、磁電式傳感器1、工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，n匝線圈在磁場中運(yùn)動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小決定于穿過線圈的磁通量Φ的變化率，即由上式可知：從磁電式傳感器的直接應(yīng)用來說，它只是用來測定速度的傳感器，但經(jīng)變換后，也可用來測量位移或加速度。2、磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理從磁電式傳感器的根本原理看，它有兩個根本元件：〔1〕磁路系統(tǒng)：它產(chǎn)生恒定的磁場；〔2〕線圈：它運(yùn)動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。作為運(yùn)動局部，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。3、幾種磁電傳感器簡介〔1〕動圈式磁電傳感器①線速度型線圈作直線運(yùn)動，它所產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定，即N、B和θ均為常數(shù)，感應(yīng)電動勢與線圈運(yùn)動速度v成正比。②角速度型線圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：當(dāng)N、B、A和K〔傳感器結(jié)構(gòu)已定〕均為常數(shù)時，感應(yīng)電動勢與角速度成正比。〔2〕CD一1型磁電式傳感器1—彈簧片；2—永久磁鐵；3—阻尼器；4—引線；5—芯桿；6—外殼；7—線圈；8—彈簧片圖2-16CD一1型磁電式傳感器第四節(jié)傳感器標(biāo)定一、定義在明確傳感器的輸出與輸入關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度，稱為標(biāo)定。將傳感器在使用中或儲存后進(jìn)行的性能復(fù)測，稱為校準(zhǔn)。二、標(biāo)定方法傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)：如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。1、靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(20土5℃)、相對溫度不大于85％，大氣壓力為101土7kPa的情況。2、標(biāo)定儀器設(shè)備的精度等級確實定所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個等級。3、標(biāo)定的根本方法①利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生的非電量(如標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移等)作為輸入量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中。②將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比擬，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。說明：有時輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用一個標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測而得，這時的標(biāo)定實質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比擬。4、傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)組成①被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如活塞式壓力計、測力機(jī)、恒溫源等。②被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計等。③待標(biāo)定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是的。5、標(biāo)定過程步驟(1)將傳感器全量程分成假設(shè)干等間距點(diǎn)；(2)根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(3)將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少下來，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(4)按(2)，(3)所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)屢次測試，將得到的輸出—輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；(5)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。6、應(yīng)變式測力傳感器的標(biāo)定標(biāo)定時，把力傳感器安放在標(biāo)準(zhǔn)測力設(shè)備上加載，加載系統(tǒng)示意圖如圖2—17所示。圖2—17杠桿式測力機(jī)①將量程分成假設(shè)干等間距點(diǎn)：10、20…90、100N②由小到大加載，并記錄數(shù)據(jù)。③由大到小卸載，并記錄數(shù)據(jù)。④重復(fù)②③步；繪制輸入—輸出特性曲線。⑤數(shù)據(jù)處理，確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)。把被標(biāo)定傳感器接入標(biāo)準(zhǔn)測量裝置后，先超負(fù)荷加裁20次以上。超載量為傳感器額定負(fù)荷的120%~150%。然后按正行程加載和反行程卸載額定負(fù)荷10%的速率進(jìn)行，這樣屢次試驗后經(jīng)微機(jī)處理，即可求得該傳感器的全部靜特性：線性度、遲滯、重復(fù)性和靈敏度等。第三章記錄裝置記錄方式：機(jī)械光線示波器電子示波器磁帶示波器記憶示波器瞬態(tài)記錄儀第一節(jié)瞬態(tài)記錄儀(瞬態(tài)波形存貯器、數(shù)據(jù)采集器)七十年代核心:數(shù)模轉(zhuǎn)換器存貯器特點(diǎn):信號捕捉率高數(shù)字化存貯反復(fù)讀取微機(jī)相連:數(shù)據(jù)處理記錄分析系統(tǒng)，即計算機(jī)自動輔助測試系統(tǒng)一、瞬態(tài)記錄儀工作原理主要由?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字存貯器組成。原理框圖被測信號——放大器〔放大或衰減〕——模—數(shù)轉(zhuǎn)換器〔A/D〕〔數(shù)據(jù)信號〕——數(shù)字存貯器——數(shù)—模變換器〔D/A〕〔模擬信號〕——計算機(jī)〔分析、處理〕——打印機(jī)輸出電子示波器顯示控制器安排存貯、“寫〞“讀〞轉(zhuǎn)換、可以反復(fù)“取數(shù)〞多通道瞬態(tài)記錄儀二、瞬態(tài)記錄儀的特點(diǎn)1)測量精度高采用12位的A/D變換器，分辨率分別為輸入滿度的1/4096，誤差小時基：石英晶振分頻作時鐘信號，精度高2)高速寫入速度采樣率達(dá)100MHz。慢速回放給微機(jī)3)存貯量大16KB/CH。4)記錄方便數(shù)字存貯技術(shù)，將模擬信號變成數(shù)碼存入RAM重現(xiàn)波形，省去照像記錄的麻煩工藝5〕有多種觸發(fā)方式：觸發(fā)：使儀器開始記錄工作的操作。觸發(fā)功能代表著對信號的捕捉能力。觸發(fā)方式：手動外觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)：觸發(fā)電平：上升沿內(nèi)觸發(fā)、下降沿內(nèi)觸發(fā)瞬態(tài)記錄儀具有可靠的同步觸發(fā)功能——內(nèi)觸發(fā)的預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)〔延時觸發(fā)〕：指儀器采集的信號，記錄的起始點(diǎn)位置較觸發(fā)電平前或后〔時間軸上，以觸發(fā)信號到達(dá)為0時刻〕。預(yù)置觸發(fā)分為正延時觸發(fā)、負(fù)延時觸發(fā)正延時觸發(fā)：無須觀察信號波形的前沿局部，直至觸發(fā)后一段時間才會有波形出現(xiàn)，正延時觸發(fā)會喪失局部波形瞬態(tài)記錄儀正延時觸發(fā)記錄的波形爆破測試一般不用該觸發(fā)方式。瞬態(tài)記錄儀前置觸發(fā)〔負(fù)延時〕記錄的波形過去為了記錄信號的全過程，通常采用外觸發(fā)方式。很難同步，難于捕捉信號瞬態(tài)記錄儀采用負(fù)延時內(nèi)觸發(fā)能夠記錄觸發(fā)前的信息，能將信號的全過程記錄下來，這就很好地解決了同步觸發(fā)的問題。預(yù)置觸發(fā)原理信號未來之前——“寫〞等待狀態(tài)，在不斷記錄，不斷刷新。信號來臨并到達(dá)設(shè)置的觸發(fā)電平時，即將信號存入“預(yù)置〞的內(nèi)存區(qū)域，一直到終點(diǎn)才停止“寫入〞而轉(zhuǎn)為“讀出〞。這就是“前置觸發(fā)功能。RAM是一個2KB首尾相連的環(huán)形存貯器，在觸發(fā)時，控制器指定“預(yù)置〞地址，并寫滿2047為止。這樣到觸發(fā)電平時，預(yù)置地址已記錄了觸發(fā)前的信號，而觸發(fā)電平以后那么只有2048—預(yù)置數(shù)個地址記錄觸發(fā)后的信號。4)可連續(xù)顯示和記錄信號信號采集、A/D、存儲、讀出、D/A等所需時間極短，可邊采集、邊顯示。利用存儲器先進(jìn)先出的原那么，可使存儲器中的內(nèi)容不斷刷新，從而可對連續(xù)不斷的信號進(jìn)行連續(xù)記錄和顯示。5)可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理〔數(shù)字化〕3.瞬態(tài)記錄儀的主要技術(shù)特性1)通道數(shù)通道數(shù)：兩類：每通道都配一套放大、采樣、A/D數(shù)字存儲器各路共用一套D/A及存儲器，在信號輸入端加一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，用切換方式記錄多路信號2)主要輸入特性電壓范圍：為十毫伏至數(shù)十伏帶寬：主要由采樣率和輸入放大器帶寬決定輸入阻抗：通常為1M左右3)采樣率爆破測試信號大多是連續(xù)的時間函數(shù)x(t)以一定的時間間隔采集有限個瞬時值采樣間隔與信號頻譜成份有關(guān)信號頻率越高，采樣點(diǎn)越多對于直流，一個瞬時值就能表示信號全部內(nèi)容采樣:從被測信息中獲得樣品——離散的瞬時值的過程.采樣頻率：每秒采集的點(diǎn)數(shù)每采一次或一字所需的時間采樣速率的選擇采樣定理:采樣頻率應(yīng)為被測信號最高諧波頻率的兩倍。實際上:1/3~1/5如采樣頻率為20MHz，其放大器的帶寬那么為6MHz。采樣速率、存儲器容量、記錄時間的關(guān)系。4)相對誤差相對誤差常以字長表示，如8位、10位、12位、16位等。5)存儲器容量存儲器容量常以可存儲的字?jǐn)?shù)或采樣點(diǎn)數(shù)來表示一般1k表示可存儲1024個采樣點(diǎn)容量的選擇取決于被測信號的頻率和延續(xù)時間目前瞬態(tài)記錄儀可廣泛應(yīng)用于從準(zhǔn)靜態(tài)到高速瞬變動態(tài)過程的測試與分析場合。六、記錄儀的選擇根據(jù)被測對象與要求：測點(diǎn)數(shù)、精確度信號的特點(diǎn)：頻率、持續(xù)時間、幅度放大器：輸出阻抗及輸出功率環(huán)境條件：儀器電源、體積、重量、抗震性能，溫度穩(wěn)定性七、測試技術(shù)的主要內(nèi)容爆破動態(tài)應(yīng)變測試爆破震動測試沖擊波測試爆破噪聲測試爆破聲波測試爆破過程高速攝影第四章電阻應(yīng)變式測試技術(shù)第一節(jié)概述一、電阻應(yīng)變式測試技術(shù)的根本原理根本原理:將待測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件(應(yīng)變片)電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。常用來測量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等。二、電阻應(yīng)變式〔片〕測試系統(tǒng)一般由電阻應(yīng)變片、電阻應(yīng)變儀和記錄儀器等組成。如圖4-1所示。電阻電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變儀待測應(yīng)變量顯示記錄裝置電阻應(yīng)變片：把待測的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。起作把非電量變?yōu)殡娏康淖饔谩ｋ娮钁?yīng)變儀：把電阻值的變化轉(zhuǎn)為電壓的變化，并將其放大和顯示出來。最后，利用應(yīng)變值和電壓值之間的標(biāo)定關(guān)系，將電壓信號換算成待測的應(yīng)變值第二節(jié)電阻應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變片的一般構(gòu)造1——電阻絲(敏感柵)—轉(zhuǎn)換元件2——基底與面膠—中間介質(zhì)和絕緣作用3——覆蓋層—保護(hù)敏感柵4——引出線—連接測量導(dǎo)線之用b—柵寬L—應(yīng)變計的標(biāo)距,或柵長L×b—應(yīng)變計的使用面積二、電阻應(yīng)變片的工作原理1、金屬應(yīng)變片的工作原理〔1〕應(yīng)變效應(yīng)電阻絲〔導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料〕在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。〔2〕電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系長為L、截面積為S〔半徑為r〕、電阻率為ρ，電阻為R的金屬或半導(dǎo)體電阻絲。(5)、(6)式就是“應(yīng)變效應(yīng)〞的表達(dá)式?！娮杞z的靈敏系數(shù)，其物理意義是：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。受兩個因素影響：①由于電阻絲的幾何尺寸的改變所引起,用(1+2μ)項表示；②電阻絲受力后,材料的電阻率ρ發(fā)生變化而引起,用項表示。對金屬電阻應(yīng)變片，有金屬應(yīng)變片被拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。一般在2左右。3、半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理主要是利用了半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。(1)壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。(2)工作原理—半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)；—半導(dǎo)體材料的彈性模量三、電阻應(yīng)變片的分類根據(jù)應(yīng)變片的制做材料，主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類。1、金屬電阻應(yīng)變片(1)絲式應(yīng)變片〔如圖4-4所示〕金屬絲式應(yīng)變片(2)箔式應(yīng)變片〔圖4-5所示〕圖4-5金屬箔式應(yīng)變片它是利用光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片。與絲式應(yīng)變片相比有如下優(yōu)點(diǎn):①可通過較大的電流；②可撓性好,傳遞變形可靠；③彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；④蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長；⑤可制成多種形狀復(fù)雜、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵。幾種箔式應(yīng)變片主要缺點(diǎn)是電阻值的分散性大，需要作阻值調(diào)整。(3)金屬薄膜應(yīng)變片它是采用特殊的工藝方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜〔厚度在0.1μm以下〕，再加上保護(hù)層而制成的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣，可在-197～317℃溫度下工作。主要問題是：尚難控制其電阻與溫度和時間的變化關(guān)系。2、半導(dǎo)體應(yīng)變片它是利用半導(dǎo)體電阻材料制成的應(yīng)變片。其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。其工作原理是利用了半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。圖4-7半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高〔100~175〕；機(jī)械滯后小；橫向效應(yīng)小；體積小,耗電省。半導(dǎo)體應(yīng)變片的缺點(diǎn)：靈敏度隨溫度變化較大；靈敏度的離散性大；大應(yīng)變下的非線性大。四、電阻應(yīng)變片的特性1、應(yīng)變片的橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧局部組成，如圖4-8所示。拉伸被測試件時,粘貼在試件上的應(yīng)變片就會發(fā)生變形。敏感柵的變形〔1〕直線段和圓弧段的應(yīng)變及電阻變化①直線段：軸向拉應(yīng)變εx，電阻值增加。②θ=л/2處：產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變-εy，電阻減小。③和處：應(yīng)變由+εx變化到-εy。電阻從增大變?yōu)闇p小。這樣,圓弧段的電阻變化,顯然將小于同樣長度沿x方向的直線段的電阻變化。那么，對于長度相等的直線段與圓弧段，有〔2〕橫向效應(yīng)因此,將同樣長的金屬絲做成敏感柵后,對同樣應(yīng)變,應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較小,導(dǎo)致靈敏度有所降低。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。2、應(yīng)變片的非線性實際上,應(yīng)變片的dR/R~ε特性曲線并不完全是一條直線，即應(yīng)變片具有非線性。3、機(jī)械滯后對貼有應(yīng)變片的試件進(jìn)行加載和卸載時,其dR/R-ε特性曲線不重合。如圖4-8所示。圖中的δ稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后值。加載加載卸載卸載圖4-8應(yīng)變片的機(jī)械滯后4、零漂和蠕變粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受載荷的條件下，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零漂。在所受的應(yīng)力和溫度均不變的情況下，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。這兩項指標(biāo)都是用來衡量應(yīng)變片特性對時間的穩(wěn)定性。蠕變中包含零漂。5、應(yīng)變極限粘貼在試件上的應(yīng)變片所能測量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。在一定的溫度下,對試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷,當(dāng)應(yīng)變片的指示應(yīng)變值對真實應(yīng)變值的相對誤差大于10%時,就認(rèn)為應(yīng)變片已到達(dá)破壞狀態(tài),此時的真實應(yīng)變值就作為該批應(yīng)變片的應(yīng)變極限。6、應(yīng)變片電阻值R應(yīng)變片在未安裝也不受外力的情況下,室溫時測得的電阻值。國內(nèi)應(yīng)變片系列習(xí)慣上選用120、175、350、500、1000、1500Ω。用得最多的是120Ω。7、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)它是用實驗來測定的，而不是計算出來的。為什么？原因是：金屬絲做成應(yīng)變片后，由于基底傳遞應(yīng)變失真、粘結(jié)劑的蠕變以及敏感柵的橫向效應(yīng)的影響，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與單根金屬絲將有所不同。取實驗測定的平均值作為某批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏系數(shù),或稱“標(biāo)定靈敏系數(shù)〞。第四節(jié)傳感器標(biāo)定一、定義在明確傳感器的輸出與輸入關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度，稱為標(biāo)定。將傳感器在使用中或儲存后進(jìn)行的性能復(fù)測，稱為校準(zhǔn)。二、標(biāo)定方法傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)：如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。1、靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(20土5℃)、相對溫度不大于85％，大氣壓力為101土7kPa的情況。2、標(biāo)定儀器設(shè)備的精度等級確實定所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個等級。3、標(biāo)定的根本方法①利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生的非電量(如標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移等)作為輸入量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中。②將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比擬，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。說明：有時輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用一個標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測而得，這時的標(biāo)定實質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比擬。4、傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)組成①被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如活塞式壓力計、測力機(jī)、恒溫源等。②被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計等。③待標(biāo)定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是的。5、標(biāo)定過程步驟(1)將傳感器