测试技术(岩土工程勘察).ppt

岩土工程勘察与测试,第1章 绪论,1.1 岩土工程勘察与测试的任务 1.2 岩土工程勘察与测试的内容 1.3 岩土工程勘察与测试的发展趋势,第1章 绪论,1.1 岩土工程勘察与测试的任务,1.1.1 岩土工程勘察与测试的基本原理和常用方法 1.1.2 正确的选择和使用仪器设备 1.1.3 测取准确可靠的数据 1.1.4 为工程提供可靠的设计参数,第1章 绪论,1.2 岩土工程勘察与测试的内容,主要有以下五项： 1、搜集研究区域已有资料; 2、工程地质调查与测绘； 3、工程地质勘探； 4、岩土测试； 5、资料整理和编写工程地质勘察报告。,第1章 绪论,1.3 岩土工程勘察与测试的发展趋势,1)由单纯的“工程地质勘察”向“岩土工程”发展日趋完善。 (2)向一切以人类生存的地球表面环境中的大地岩土和与其密不可分、相互影响的地表水、地下水和大气等环境物质为系统工作目标的工程领域开拓。 (3)专业分工形成了分枝趋势: a.工程咨询和工程顾问,主要负责工程计划、项目负责、工程试验分析计算和工程监测工作; b.野外钻探,可进行探查孔、钻井、灌浆钻孔、锚杆钻孔、海洋钻探以及水平钻孔、定向钻孔等等;c.岩土工程施工,可进行各类桩基及地基改良工法的施工。 (4)城市岩土工程发展迅速,为研究和评价旧城市重建和新城市的开发提供规划和建设。,第1章 绪论,1.3 岩土工程勘察与测试的发展趋势,1 由单纯的“工程地质勘察”向“岩土工程”发展日趋完善； 2 向一切以人类生存的地球表面环境中的大地岩土和与其密不可分、相互影响的地表水、地下水和大气等环境物质为系统工作目标的工程领域开拓； 专业分工形成了分枝趋势: a.工程咨询和工程顾问,主要负责工程计划、项目负责、工程试验分析计算和工程监测工作; b.野外钻探,可进行探查孔、钻井、灌浆钻孔、锚杆钻孔、海洋钻探以及水平钻孔、定向钻孔等等; c.岩土工程施工,可进行各类桩基及地基改良工法的施工。 4 城市岩土工程发展迅速,为研究和评价旧城市重建和新城市的开发提供规划和建设。,第1章 绪论,1.3 岩土工程勘察与测试的发展趋势,近年来,经典的岩土力学面临着严重的挑战。这种挑战主要来自以下方面: 1 大规模城市建设面临的地基、基础与深开挖支护问题;城市改造工程问题; 2 填海工程及海洋工程带来的软土工程问题;各类特殊土带来的工程问题; 3 大规模的交通工程建设即跨江、跨海、桥梁、隧道工程带来的问题;水利工程问题; 4 能源工业问题,包括污染、废料尾矿坝及有害废料处理问题; 5 超重型结构所带来的地基处理和桩基础设计、施工与评价问题; 6 原子能电站等重大工程的抗震分析与地基抗震问题; 7 各类地质灾害的评价与防治问题,等等。,第1章 绪论,1.3 岩土工程勘察与测试的发展趋势,第2章 测试技术,2.1 信号的分类和描述 2.2 测试的误差分析与处理 2.3 测试系统的特性 2.4 常用传感器的工作原理 2.5 数据采集与分析系统 2.6 力和位移的测量,第2章 测试技术,2.1 信号的分类和描述,2.1.1 信号及其分类,按照信号随着时间变化的规律,第2章 测试技术,2.1 信号的分类和描述,2.1.1 信号及其分类,确定性信号,非确定性信号,非周期信号,周期 信号,随机 信号,第2章 测试技术,2.1 信号的分类和描述,2.1.2 周期信号的描述,时域,幅值,周期,频域,幅值,频域,第2章 测试技术,2.2 测试系统的特性,2.2.1 测试系统的组成,注意： 静态测试，应知道测试系统的静态特性 动态测试，不仅应知道测试系统的静态特性，还应知道测试系统的动态特性,第2章 测试技术,2.2 测试系统的特性,2.2.2 测试系统的静态特性,测试系统的静态特性：测试时，输入输出信号不随时间而变化，称为静态测试。静态测试时，测试系统表现出的响应特性称为静态响应特性。,第2章 测试技术,2.2 测试系统的特性,2.2.2 测试系统的动态特性,测试系统的动态特性是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。 一般地，在所考虑的测量范围内，测试系统都可以认为是线性系统，因此就可以用定常线性系统微分方程来描述测试系统以及和输入x(t)、输出y(t)之间的关系，通过拉普拉斯变换建立其相应的“传递函数”，该传递函数就能描述测试装置的固有动态特性，通过傅里叶变换建立其相应的“频率响应函数”，以此来描述测试系统的特性。,第2章 测试技术,2.3 测试的误差分析与处理,2.3.1 误差的基本概念 一、真值与误差 （1）真值 真值是某个物理量在某一时刻和某一位置客观存在的真实值。 （2）误差的表示 1）绝对误差：测量值x与真值x0之差，用表示。用测量次数无限多次求得的平均值 作为真值，则有：,实际测量中，测量次数总是有限的。为了区别，有时把测量值与有限次测量的平均值之差称为离差，用d表示，即：,第2章 测试技术,2.3 测试的误差分析与处理,第2章 测试技术,2.3 测试的误差分析与处理,二、 误差的分类 （1）系统误差 在一定测试条件下，凡是误差的数值大小和符号恒定不变或按照一定规律变化的误差，如： 仪器不准确、测量时环境变化、操作习惯等。 （2）随机误差 凡是未被发现和无法控制的因数所引起的误差，其特点是数值大小和符号均带有随机性和不确定性，可以增加测量次数来减少。 （3）过失误差 是一种显然与实是不符的误差，主要是由于操作者粗心大意或操作错误等原因引起的。,第2章 测试技术,2.3 测试的误差分析与处理,三、 精度 误差是对测量精度的一种评价和描述。通常用准确度、精密度和精确度分别描述系统误差、随机误差以及两者的综合。 1）准确度 测量值与真值的接近程度，反映系统误差的大小。 2）精密度 在相同条件下，多次重复测量时测量值的重复程度，反映随机误差的大小。 3）测量准确度和精密度的综合反映。在消除了系统误差的情况下，精确度和精密度是一致的，统称为精度。,第2章 测试技术,2.3 测试的误差分析与处理,2.3.2 随机误差,随机误差分布规律多数符合正态（高斯）分布,随机误差（又称偶然误差）：是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。,第2章 测试技术,2.3 测试的误差分析与处理,2.3.3 系统误差,定义：系统误差又叫做规律误差。它是在一定的测量条件下，对同一个被测尺寸进行多次重复测量时，误差值的大小和符号（正值或负值）保持不变；或者在条件变化时，按一定规律变化的误差。当系统误差相当大时，对随机误差进行的处理与所得结果都将失去意义。,原理：相同待测量大量重复测量的平均结果和待测量真值的差。一般而言，由于测量步骤的不尽完善会引起测量结果的误差，其中有的来自系统误差，有的来自随机误差。随机误差被假设来自无法预测的影响量或影响的随机的时间和空间变异。系统误差和随机误差一样无法删除，但是通常可以降低，如果系统来自影响量对测量结果的可辨识效应。,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.1 传感器的定义和分类,一、 传感器的定义 传感器是一种以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。 上述的定义包含如下几个方面的含义： 1）传感器是测量装置； 2）输入量是某种被测量，可能是物理量（如长度、热量、力、时 间、频率等），也可能是化学量、生物量等； 3）输出量是某种便于传输、转换、处理、显示等物理量，主要是 电量； 4）输出与输入有一定的对应关系，且应有一定的精确度。,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,二、 传感器的分类,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.2 电阻式传感器,一、 电阻应变传感器 1、工作原理 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着机械变形（伸长或缩短）而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 设金属丝的长度为L，横截面积为A，电阻率为，电阻为R，则有,如果金属丝受拉力而变形，其长度变化为dL，截面积变化为dA，电阻率变化为d,对上式两边取自然对数，然后取微分，有：,(2.1),(2.2),第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,对于圆形截面，A=r2，于是有：,dL/L=为金属轴向相对伸长，即轴向应变；dr/r为电阻丝横向相对伸长，即横向应变。两者之比即为金属丝材料的泊松比，即：,负号表示变形方向相反。由式（2.2）、（2.3）、（2.4）可得：,(2.3),(2.4),令,(2.5),K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。（d/)/比（1+2）要小得多，在比例极限范围内，K0可看成常数，金属丝的K0=1.73.6。即式（4.5）也可写成： dR/R=K0,第2章 测试技术,2、 基本结构,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,3、电阻应变传感器的分类,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,4、电阻应变传感器的特点及应用,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,二 压阻式传感器,1、基本工作原理 压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化。,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2、压阻传感器的类型与特点,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.3 电感传感器,电感传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量（如位移、压力、振动等）转换为电感量变化的一种结构型传感器。可分为自感传感器、互感传感器和压磁式传感器。 一、 自感式传感器 自感式传感器可分为可变磁阻式和涡流式两类。 1、可变磁阻式传感器,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2、涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡流效应。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。,高频反射式,低频透射式,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,二、 互感式传感器 互感式传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常用两个次级线圈组成差动式，因此又称为差动变压器式传感器。,差动变压器式传感器工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,三、 压磁式传感器,压磁式（又称磁弹式）传感器是一种力-电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。铁磁材料在晶格形成过程中，形成了磁畴，各个磁畴的磁化强度矢量是随机的。铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的性质发生变化的现象称为压磁效应。,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.4 电容传感器,电容传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。 一、 工作原理及分类 当电容两极的面积、间距或中间介质发生变化时，电容的大小就会发生变化。通过配套的测量电路，可以将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种。,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,二、电容式传感器的特点及应用,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.5 压电式传感器,压电传感器是一种可逆转换器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。它的工作原理基于某些物质的压电效应。 压电效应：当沿着一定方向对某些物质加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷。去掉外力后，他又重新回到不带电状态。这种现象称为压电效应。如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械压力。撤去外电场，这些变形或应力也随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.6 磁电传感器,磁电传感器的基本原理是通过磁电作用，把被测物理量的变化转换为感应电动势的变化。磁电传感器主要有磁电感应传感器和霍尔传感器。,霍尔效应,第2章 测试技术,2.4 常用传感器的工作原理,2.4.7