第2章 测试技术理论基础

1、1,Engineering Testing Technology,Teacher: Zhang Minxia,Chapter 2 Basic knowledge of Engineering Testing Technology,2.1 测试系统组成及性能指标 2.2 传感器的基本特性 2.3 常用传感器的类型和工作原理 2.4 监测仪器的选择和标定 2.5 测试系统选择的原则,本章内容,2.1 测试系统组成及性能指标,2.1.1 The composition of test system-测试系统的组成,The composition of test system 测试系统的组成,1Loa

2、d system-荷载系统 荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使被测对象(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。 2Testing system-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。,3Signal processing system-信号处理系统 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的系统。 数字电路：智能滤波软件 模拟电路，专门的仪器或电路(如滤波器等) 4Display and recording sy

3、stem-显示和记录系统 显示和记录系统是测试系统的输出环节，它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)下来的系统。 各种表盘、电子示波器和显示屏，函数记录仪、光线示波器，打印机、绘图仪。,2.1 测试系统组成及性能指标,测试系统的主要性能指标有精确度、稳定性、测量范围(量程)、分辨率和传递特性等。 1. 测试系统的精度和误差 测试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。 绝对误差 相对误差 引用误差,2.1.2 Main performance index of the test system -测试系统的主要性能指标,2. 稳定性 时间上的稳定性

4、s1.3mV8h 环境条件变化 引起的不稳定性 温度系数r(示值变化/温度变化) 电源电压系数u(示值变化/电压变化率) 如u0.02mA10。,如室温、大气压、振动等外部状态以及电源电压、频率和腐蚀气体等因素,由仪器中随机性变动、周期性变动、漂移等引起,影响系数,稳定度,3. 测量范围(量程) 系统在正常工作时所能测量的最大量值范围，称为测量范围（量程）。动态测量时还需同时考虑仪器的工作频率范围。 4. 分辨率 指系统可能检测到的被测量的最小变化值，也叫灵敏阀。 5. 传递特性 传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能. 静态测量 动态测量,静态传递特性,动态传递特性,2.2 传感器概

5、述,1 定义 将被测的某一物理量（或者是信号）按一定规律转换为另外一种（或同种）与之有确定对应关系的、便于应用的物理量（信号）输出的装置。人类器官的延伸。 目前普遍的认识： 非电物理量与电量的转换 形式：敏感元件、智能系统 一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于测量、传输和处理的信号的装置。 (1)被测量可能是物理量，也可能是化学量、生物量等 (2)输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电信号。 (3)输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,2 传感器组成,压力传感器 膜盒+电感线圈+转换电路+罩 敏感元件+二次转

6、换元件+辅助部分,2.2 传感器概述,3 传感器分类,（1）按工作原理分 物理型、化学型、生物型; （2）按构成原理分 结构型、物性型; （3）按能量转换情况分 能量控制型、能量转换型; （4）按输出量分 模拟式传感器、数字式传感器; （5）按物理原理分 电参量式传感器（电阻式、电容式、电感式及派生）; 压电式传感器、磁电式传感器、气电式传感器、射线式传感器; 光电式传感器（光栅式、激光式、光电码盘式、光纤式、红外式）; 热电式传感器（热电偶、热电阻、热敏电阻）波式、半导体传感器 其他原理（振筒式、震旋式、力平衡式）.,2.2 传感器概述,4 常用传感器的基本类型,2.2 传感器概述,4 常用

7、传感器的基本类型,2.2 传感器概述,4 常用传感器的基本类型,2.2 传感器概述,4 常用传感器的基本类型,2.2 传感器概述,5 传感器的命名原则,主题词加四级修饰语构成： 主要技术指标特征描述变换原理被测量 100mm应变式位移传感器 2MPa钢弦式压力传感器 15t电阻式荷重传感器 （1） 统计表格、图书索引、检索中正序。 “传感器，位移，应变式，100mm” （2） 技术文件、产品样本、论文、书刊，反序。 “10mm差动变压器式位移传感器” （3）实际应用中，可省略。,2.2 传感器概述,应力计和应变计是地下工程测试中常用的两类传感器，其主要区别是调试敏感元件与被测物体的相对刚度的差

8、异。具体说明如下：图2-1所示时系统，系由两根相同的弹簧将一块无重量的平板与地面相连接所组成，弹簧常数均为k，长度为L0，设有力P作用在板上，将弹簧压缩至L1 ，如图2-1(b)所示，则,2.2 传感器概述,6 应力计和应变计原理,如果想用一个测量元件来测量未知力P和压缩变形u1在两很弹簧之间放入弹簧常数为K的元件弹簧，则其变形和压力为：,2.2 传感器概述,6 应力计和应变计原理,在式(2-4)中，Kk ，则P2P，说明弹簧元件加进前后，系统的受力与弹性元件的受力几乎一致，弹簧元件的受力能反映系统的受力，因而可看作一个测力计，把它测出来的值乘以一个标定常数可以指示应力值,所以它是一个应力计。

9、 在式(2-4)和式(2-5)中，若K=2k,即弹簧元件与原系统的刚度相近，加入弹簧元件后系统的受力和变形都有很大的变化，则既不能做应力计，也不能做应变计。,2.2 传感器概述,2.3 常用传感器分类与应用,2.3.1电阻式传感器 （1）定义 把被测量（位移、力等参数）转化为电阻变化的一种传感器。 （2）按工作原理分类 电阻应变式（最常用，最重要，其核心为：电阻应变片）、电位计式、热电阻式和半导体热能电阻式。 电阻应变式传感器是根据电阻应变效应先将被测量转换成应 变，再将应变量转换成电阻，所以它也是电阻式传感器的一种， 其使用特别广泛。,(3)电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的工作原理：是基

10、于电阻应变效应，其结构通常由应变片、弹性元件和其他附件组成。在被测拉压力的作用下，弹性元件产生变形，贴在弹性元件上的应变片产生一定的应变，由应变仪读出读数，再根据事先标定的应变-力对应关系，即可得到被测力的数值。 弹性元件是电阻应变式传感器必不可少的组成环节，其性能好坏是保证传感器质量的关键。弹性元件的结构形式是根据所测物理量的类型、大小、性质和安放传感器的空间等因素来确定的。主要可分为： 测力传感器、位移传感器、压强传感器、压力盒等。,2.3 常用传感器分类与应用,(4) 电位计传感器,电位计式传感器是测试技术中常用的一种机电参数转换元件，其功能是把输入的机械位移转换成与位移有确定函数关系的

11、电阻，并引起输出电压或电流的变化。当它配上各种弹性元件和传动机构，还可用来测量液压、温度、速度和加速度等参数。 优点：结构简单、使用方便、稳定性和直线性较好。而且其主要器件变阻器，可根据需要做成不同的形状，而得到的位移量与输出电量成线性或非线性的关系。 缺点：分辨率受到电阻丝直径和线圈螺距的限制，这种传感器只能适用于较大位移量的测量。,2.3 常用传感器分类与应用,(5) 热电阻式传感器和半导体热能电阻传感器,（a）热电阻传感器 利用某些金属导体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，达到将温度变化转换成电量变化的目的。因而，热电阻传感器一般是温度

12、计。,（b）半导体热能电阻传感器 半导体热能电阻是由半导体材料做成的新型电阻，具有正的电阻系数，而且还可具有负的电阻温度系数，也即当温度升高时，它的电阻值反而会减小，且电阻温度系数的绝对值比金属的大4.9倍，灵敏废和电阻率高，体积小，可测点温度和固体表面温度，而且结构简单，性能稳定，寿命长。 缺点：复现性和互换性差，电阻值与被测温度呈非线性关系。它一般用来测量温度在100300之间、反映温度变化很灵敏度的场所，如自动防火报警系统等。,2.3 常用传感器分类与应用,2.3.2钢弦式传感器,1 工作原理 传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦。 钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。,2.3

13、常用传感器分类与应用,2 构造和性能,单膜式,2.3.2钢弦式传感器,2 构造和性能,双膜式,2.3.2钢弦式传感器,2-4 钢弦式传感器,2 构造和性能,钢弦式钢筋应力计,2 构造和性能,钢弦式应变计,2.3.2钢弦式传感器,2 构造和性能,常用钢弦式应变计的结构图,2.3.2钢弦式传感器,3 频率计,基本原理 发出脉冲信号输入压力盒的电磁线路，激励钢弦产生振动，钢弦的振动在电磁线路内产生交变电动势，输入频率仪放大器后，示波，得到频率。,2.3.2钢弦式传感器,4 钢弦式传感器的特点,优点： （1）抗干扰强，特别是长导线、复杂条件下传输信号，常时稳定性好。对岩土工程尤为重要。 （2）结构简单

14、，价格低。 （3） 长期稳定性好，高防水性能，密封良好 （4）温度影响小，振弦式传感器的附带测温功能 缺点： （1）对夹具要求特别高，常时不易保证。 （2）对钢弦要求高。,2.3.2钢弦式传感器,5 常用的钢弦式传感器,（1）土压力计 用来测量土方和堤坝的总压力。,2.3.2钢弦式传感器,5 常用的钢弦式传感器,（2）混凝土应力计 用于钢筋混凝土建筑体（如大坝）内，测量混凝土各个不同方向上的应力。 （3）荷载盒（测力计） 荷载盒由经过热处理的高强度合金钢元筒组成，合金钢园筒内安装有36个高精度振弦传感器测量施加到园筒上的载荷。由于采用多个传感器，可以消除不均匀及偏心负荷的影响通（并可测出偏心荷

15、载的大小）。,2.3.2钢弦式传感器,5 常用的钢弦式传感器,（4）锚索测力计、钢筋计 斜拉桥、大坝、岩土工程边坡、大型地基基础、隧道等处对锚索或锚杆拉力进行检测，及对其应力变化情进行长期监测； 振弦式钢筋计可长期埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内，测量结构内部的钢筋应力。,2.3.2钢弦式传感器,5 常用的钢弦式传感器,（5）振弦式位移传感器,2.3.2钢弦式传感器,2.3.2钢弦式传感器,6 实例,2.3.3 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,2.3.3 电感式传感器,电感式接

16、近传感器（金属）,2.3.3 电感式传感器,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,2.3.3 电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,2.3.3 电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,2.3.3 电感式传感器,2.3.3 电感式传感器,产品：,2.3.3 电感式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,2.3.3 电感式传感器,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,2.3.3 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,2.3.3 电感式传感器,2.3.3 电感式传感器,差动变压器测量电路,2.3.3 电感式传感器,差动变压器位移传感器,2.3.3 电感式传感器,案例

17、：板的厚度测量,2.3.3 电感式传感器,案例：张力测量,2.3.3 电感式传感器,2.3.4 电阻应变片传感器,一、电阻应变测试原理 用电阻应变片作为传感元件，将应变片粘贴或安置在构件表面上，随着构件的变形，应变片敏感栅也相应变形，将被测对象表面指定点的应变转换成电阻变化。电阻应变仪将电阻变化转换成电压（或电流）信号，经放大器放大后由指示仪表显示或记录仪记录，也可输入到计算机等装置进行数据处理，将最后结果打印或显示出来。,二、静态测量与动态测量 按载荷性质，电阻应变测量可分为静态测量与动态测量。 1. 静态测量 对恒定的载荷或短时稳定的载荷的测量 2. 动态测量 对载荷在2-5000Hz范围

18、内变化的测量,2.3.4 电阻应变片,三、电阻应变测量的优缺点 1. 优点 （1）测量范围广、灵敏度和精确度高； （2）频率响应快，机械滞后很小； （3）对被测物体性状影响小； （4）适用范围广； （5）能实现远距离测量和自动记录。 2. 缺点 （1）常规应变片在大应变状态下非线性明显； （2）应变片输出信号小，在强电磁场内易受干扰； （3）测量的是平均应变； （4）使用仪器复杂，易出故障，且排除技术难掌握。,2.3.4 电阻应变片,1. 构造,四、应变片的构造和工作原理,2.3.4 电阻应变片,2.3.4 电阻应变片,2. 工作原理 取对数并求导，,2.3.4 电阻应变片,2.3.4 电阻应

19、变片,k0金属材料对应变的敏感系数 k0值与合金成分、加工工艺以及热处理等因素有关； 当金属材料变形进入塑性区时k0改变； 康铜（弹性和塑性区）k0 =2,2.3.4 电阻应变片,1. 金属丝式应变片 短接式（a)：横向电阻和横向效应很小，精度高，但疲劳寿命短。 丝绕式(b)：制造易，成本低，但横向效应较大。,五、常见应变片,2.3.4 电阻应变片,2. 箔式应变片（照相腐蚀成形法制作） 几何形状和尺寸非常精密，横向效应系数较低。,五、常见应变片,2.3.4 电阻应变片,3. 半导体应变片 灵敏系数很大； 横向效应几乎为0； 机械滞后和体积小; 频响高、频带宽。 用于微小应变和高频和超高频动态

20、测量。,五、常见应变片,2.3.4 电阻应变片,4. 应变花,五、常见应变片,2.3.4 电阻应变片,5. 应力电阻片,五、常见应变片,2.3.4 电阻应变片,五、应变片的选用 1. 工作环境 温度、湿度； 2. 被测物的材质 弹模高的均质体、粗晶粒岩石各混凝土等非均质体 3. 被测试件的受力状态和应变性质 应变梯度、观测期、动/静态观测、应变性质； 4. 测量精度 一般测量、高精度测量。,2.3.4 电阻应变片,应变测量电路,应变片粘贴,2.3.5 其他传感器,1 电容式传感器 概念： 将被测量（尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的传感器 工作原理,（1）极距变化型,1 电容式传感器,（2

21、）面积变化型,（3）介电常数变化型,2.3.5 其他传感器,1 电容式传感器,应用举例 （1）电容式测厚仪,（2）电容式转速传感器,2.3.5 其他传感器,1 磁电式传感器 （1）磁感应电传感器 基本原理：电磁感应，产生感应电动势 恒定磁通式,变磁通式,2.3.5 其他传感器,1 磁电式传感器 （2）霍尔传感器 基本原理：霍尔元件基于霍尔效应，产生感应电动势,2.3.5 其他传感器,1 磁电式传感器 （2）霍尔传感器 应用举例 位移传感器,霍尔乘法器,2.3.5 其他传感器,1 磁电式传感器 （3）磁阻效应传感器 基本原理：磁阻效应,2.3.5 其他传感器,3 气敏传感器 基本原理 半导体气敏

22、元件同气体 接触后，造成半导体性 质发生变化， 测量特定气体的成分或者浓度 将成分和浓度转变为电信号，进行监测和报警。,2.3.5 其他传感器,4 湿度传感器 基本原理 利用湿敏元件进行湿度测量和控制。 湿敏元件 利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化。,2.3.5 其他传感器,5 水分传感器 基本原理 将水分含量转换成电信号进行测定和表示 高分子物质的电阻与含水率有关,2.3.5 其他传感器,6 光纤传感器 基本原理 外界因素（温度、压力、电场、磁场等）变化时，传光特性（相位和光强）会发生变化。,2.3.5 其他传感器,2.4 监测仪器的选择和标定,1 传感器的选择 输入输出线

23、性好，灵敏度高 滞后、偏移误差小 动态特性好 功耗小 对测试对象影响小 抗干扰能力强 重复性好，有互换性 抗腐蚀性好，能长期使用 易维修和校准,2 压力盒的选择和埋设要求,静力匹配 弹性模量 泊松比 密度,2.4 监测仪器的选择和标定,2.4 监测仪器的选择和标定,2 压力盒的选择和埋设要求 要求：尽量使压力盒与介质相匹配，消除或减小匹配误差。 1. 匹配误差 2. 静力完全匹配与动力完全匹配 静力完全匹配：E、； 动力完全匹配：E、和动刚度,3 传感器的标定 定义：通过试验建立传感器输入量和输出量之间的关系，求出传感器输出特性曲线（标定曲线） 标定方法 标准输出设备非电量标准值 标准测试系统未知的非电量 要求 (1)传感器的标定应该在其使用条件相似的状态下进行； (2)被测对象