第2章测试技术理论基础

1EngineeringTestingTechnologyTeacher:ZhangMinxiaChapter2BasicknowledgeofEngineeringTestingTechnology2.1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2.1.1Thecompositionoftestsystem-测试系统的组成Thecompositionoftestsystem测试系统的组成指示仪器记录仪器数据处理仪器、打印机滤波软件或滤波器等信号处理系统被测对象传感器信号变换、测量电路测量系统荷载系统显示与记录系统1．Loadsystem-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。2．Testingsystem-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。3．Signalprocessingsystem-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)4．Displayandrecordingsystem-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。排除噪声干扰和偶然波动人工测试系统全自动测试系统测试过程的全部或大部分操作、调试及计算等工作是由测试人员直接参与并取得结果的测试系统。所有仪器及设备都与计算机联机工作，具有程控输入和编码输出的功能，测试过程不用人工参与。§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)()(真值仪器指示值0Axx)()()(真值真值仪器指示值00AAxx)()()(仪器的测量上限真值仪器指示值myXAx02.1.2Mainperformanceindexofthetestsystem-测试系统的主要性能指标2.稳定性时间上的稳定性δs＝1.3mV／8h环境条件变化引起的不稳定性温度系数βr(示值变化/温度变化)电源电压系数βu(示值变化/电压变化率)如βu＝0.02mA／10％。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传感器组成荷载系统被测信号敏感元件二次变换输出信号辅助装置中间信号壳体膜盒磁芯线圈转换电路压力传感器膜盒+电感线圈+转换电路+罩敏感元件+二次转换元件+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△u1＝△u2，说明弹簧元件加进前后，系统的变形几乎不变．弹簧元件的变形能反映系统的变形，因而可看作一个泅长计，把它测出来的值乘以一个标定常数，可以指示应变值，所以它是一个应变计。在式（2-5)中，若Kk，则P2＝P，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。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－100℃—300℃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。Lf21KPff202§2.3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，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3～6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:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型1自感型--可变磁阻式可变导磁面积型差动型2002ANL原理:电磁感应2.3.3电感式传感器电感式接近传感器（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：),,,(ZZ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CoiledTubeEddySensorReferenceCircle2.3.3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WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.EwEout2.3.3电感式传感器单螺管线圈型螺管线圈差动双螺管