岩土工程测试技术课件 第二章.ppt

2.测试技术的基础知识 本章简要介绍了测试系统的组成及其静态传递特性、计算机辅助测试系统的基本原理和特点、测量误差及试验数据处理方法等内容。在此基础上，重点介绍了常用传感器的原理和适用范围。 2.1.1荷载系统 2.1.2测量系统 2.1.3信号处理系统 2.1.4显示和记录系统 2.2测试系统的传递特性2.2.1概述 传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。对不随时间变化的量的测量叫静态测量，对随时间变化的量的测量叫动态测量。与此相对应，又分为静态传递特性和动态传递特性。测试系统的精度很大程度上与其静态特性有关，所以下面介绍测试系统的静态传递特性。 2.2.2.1测试系统与线性系统 一个理想的测试系统，应该具有确定的输入—输出关系，其中以输出与输入成线性关系时为最佳，即理想的测试系统应当是一个线性时不变系统。因此，我们在研究线性测试系统中的任一环节都可简化为一个方框图，若已知其中任何两个量，即可求第三个量，这便是工程测试中常常需要处理的实际问题。如图所示。 2.2.2.2静态方程和标定曲线 当测试系统处于静态测量时，输入量x和输出量y不随时间而变化，因而输入和输出的关系如下式： 标定曲线是反映测试系统输入x和输出y之间关系的曲线，一般情况下，实际的输入、输出关系曲线并不完全符合理论所要求的理想线性关系。所以，定期标定测试系统的标定曲线是保证测试结果精确可靠的必要措施。对于重要的测试，需在进行测试前、后都要对测试系统进行标定，当前、后的标定结果的误差在容许的范围内时，才能确定测试结果有效。 2.3传感器原理 在岩土工程中，所需测量的物理量大多数为非电量，如位移、压力、应力、应变等。采用电测方法时，必须将它们转换为便于应用的物理量（主要是电量，如电压、电流、电容、电阻等），这种将被测物理量直接转换为相应的容易检测、传输或处理的元件称为传感器，又称为敏感元件、检测器、转换器等。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，如图所示。 传感器种类很多，分类方法也很多，岩土工程检测技术中常用的传感器，按被测参数分类，可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器等，按工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电压式、磁电式等，如下图所示。 2.3.1电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转变成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器的种类很多，大致可以分为电阻应变式、压阻式和热电阻式传感器。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、位移、加速度和温度等非电量参数。 2.3.1.1应变式传感器 电阻应变式传感器具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、灵敏度高、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。它是利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性元件组合起来的传感器。通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 1、应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。由物理学可知： 2、应变片的构造和种类 金属电阻应变片分为丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片3种。其中使用最早的是电阻丝式应变片，构造如图所示。 电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性元件上才能工作，黏结剂和粘结技术对测量结果有直接的影响，因此，粘结剂的选择、粘贴技术、应变片的保护等必须认真做好。 3、电阻应变片的特性 实际应用中，选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电流和应变极限等。 1）电阻应变片的灵敏系数 2）横向效应 3）温度误差及补偿 （2）温度补偿方法 ◆电桥补偿法（也称补偿片法） ◆应变片的自补偿法 粘贴在被测部位上的应变片是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 2.3.1.2压阻式传感器 金属电阻应变片性能稳定、精度较高，至今还在不断改进和发展，并在一些高精度应变式传感器中得到了广泛的应用。这类应变片的主要缺点是应变灵敏系数较小。而20世纪50年代出现的半导体应变片可以改善这一不足，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50倍，用半导体应变片的传感器称为压阻式传感器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 1、半导体的压阻效应 半导体的压阻效应是指单晶