5第五章：典型物理量的测试及其系统组成-2014-9-26(1).pdf

上次课内容 土木工程无损检测 请回答 常用的无损检测方法有哪些 超声回弹法的基本原理 与回弹法的异同 超声波测试在土木工程学科有哪些应用 原理 测试方法 探地雷达法的基本原理 20 37 1 中国矿业大学力学与建筑工程学院 4 1 回弹法回弹法 4 2 超声回弹法超声回弹法 4 3 超声超声波波法法 4 4 探地雷达法探地雷达法 4 5 钢结构和钢筋的无损检测钢结构和钢筋的无损检测 测缺 测强 中国矿业大学力学与建筑工程学院 上次课内容 土木工程无损检测 请回答 常用的无损检测方法有哪些 超声回弹法的基本原理 与回弹法的异同 超声波测试在土木工程学科有哪些应用 原理 测试方法 探地雷达法的基本原理 20 37 3 中国矿业大学力学与建筑工程学院 混凝土强度与声速值v 回弹仪回弹值R之间存在正相 关关系 混凝土强度越高 声速值 回弹值越大 回弹 值反应混凝土表层2 3cm深度的质量情况 声速值反应 混凝土内部密实度和弹性性质 超声回弹综合法 混凝土构件 中国矿业大学力学与建筑工程学院 超声回弹综合法对结构或构件不构成物理破坏 具有成本低 操作简便 工作量小等特点 通过这种整合消弭或减轻内外部因素的影响 提 高检测精度 22省市的大量实测数据表明 超声回弹法的标准误差 及相关系数优于回弹法 中国矿业大学力学与建筑工程学院 上次课内容 土木工程无损检测 请回答 常用的无损检测方法有哪些 超声回弹法的基本原理 与回弹法的异同 超声波测试在土木工程学科有哪些应用 原理 测试方法 探地雷达法的基本原理 20 37 6 中国矿业大学力学与建筑工程学院 一 混凝土厚度的检测一 混凝土厚度的检测 二 空洞和不密实区的检测二 空洞和不密实区的检测 三 混凝土裂隙的检测三 混凝土裂隙的检测 四 表层厚度的检测四 表层厚度的检测 依据 依据 超声法检测混凝土缺陷技术规程超声法检测混凝土缺陷技术规程CECS 02 2000 中国矿业大学力学与建筑工程学院 超声波基本原理 岩体声波探测技术是以人工的方法 向介质 混凝土或岩土体 发射声波 通过观察声波在介 质中透射 反射 折射的情况 分析声波特性 以测定 岩体的物理力学性质 桩基完整性检测 中国矿业大学力学与建筑工程学院 根据换能器的布置方法 超声波测试 根据换能器的布置方法 超声波测试 透射法透射法 反射法反射法 折射法折射法 中国矿业大学力学与建筑工程学院 上次课内容 土木工程无损检测 请回答 常用的无损检测方法有哪些 超声回弹法的基本原理 与回弹法的异同 超声波测试在土木工程学科有哪些应用 原理 探地雷达法的基本原理 20 37 10 中国矿业大学力学与建筑工程学院 地质雷达是一种主动的电磁测系统 它通过记录电磁反射波信号 强弱及到达时间来判定电性异常体的几何形态和岩性特征 介质 中的反射波形成雷达剖面 通过异常体反射波的走时 振幅 和 相位特征来识别目标体 判明其位置 岩性及几何形态 中国矿业大学力学与建筑工程学院 第第5 5章章 典型物理量的测试及其系统组成典型物理量的测试及其系统组成 5 5 1 1 力力 压力等参数的量测压力等参数的量测 自学自学 5 5 2 2 位移参数的量测位移参数的量测 自学自学 5 5 3 3 温度测试温度测试 5 5 4 4 振动振动 自学自学 5 5 5 5 流量流量 自学自学 5 5 6 6 传感器的选择和标定传感器的选择和标定 5 5 7 7 测试系统的组成及其主要性能指标测试系统的组成及其主要性能指标 中国矿业大学力学与建筑工程学院 5 3 1 温度和温标温度和温标 5 3 2 测温方法分类测温方法分类 重点 几种常用温标的定义 难点 各种温标之间的换算 重点 分类原则 各种测温方法的优缺点 5 5 3 3 温度测试温度测试 5 3 3 热电偶测温技术热电偶测温技术 重点 热电偶测温原理 冷端温度补偿 中国矿业大学力学与建筑工程学院 1 温度的基本概念温度的基本概念 温度是表征物体冷热程度的物理量 它是国际单位制规 定的七个基本单位量之一 2 温度的测量温度的测量 温度概念的建立以及温度的测量都是以热平衡为基础热平衡为基础的 当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热 换热结 束后两物体处于热平衡状态 则它们具有相同的温度 这就是 温度最基本的性质 5 3 1 温度和温标温度和温标 中国矿业大学力学与建筑工程学院 温标温标 是温度数值化的标尺 它给出了温度数值 化的一套规则和方法 并明确了温度的测量单位 和温度起点 建立方法 建立温标就是规定温度的起点即基本 单位 一般是借助于随温度变化而变化的物理量 体积 压力 电阻和热电势等 来定义温度数 值 建立温标的 3 温标温标 中国矿业大学力学与建筑工程学院 建立现代化的温标必须具备以下三个条件 固定温度点固定温度点 利用物质的相平衡点可以作为温标的固定温 度点 测温仪器测温仪器 确定测温质和测温量 温标方程 内插公式 温标方程 内插公式 用来确定各固定点之间任意温度值的数学关 系式 中国矿业大学力学与建筑工程学院 四种常用温标 四种常用温标 1 华氏温标 华氏温标 1714年 德国人华伦海特以水银为工质 以水银的体积随温 度变化为依据 制成了玻璃水银温度计 并规定氯化铵和冰 的混合物为0 华氏温标规定在标准大气压下 水的冰点为水的冰点为32 水的沸点水的沸点 为为212 在这两个固定点之间划分180等份 每一份称为华 氏一度 用 表示 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 摄氏温标 摄氏温标 1740年 瑞典人摄尔赛斯规定在标准大气压下 水的冰点为水的冰点为 0 水的沸点为水的沸点为100 并将两固定点之间等分100份 每一份 称为摄氏一度 一般用 表示摄氏度数 华氏温标与摄氏温标有如下关系 华氏温标与摄氏温标有如下关系 式中 tF tC分别表示华氏温度值和摄氏温度值 CF tt 5 9 32 中国矿业大学力学与建筑工程学院 3 热力学温标 热力学温标 K 1848年 物理学家开尔文首先提出将温度数值与理想热机的效 率相联系 即根据热力学第二定律来定义温度的数值 这样就 可以与任何特定物质的性质无关了 卡诺热机是一种理想热机 以理想气体为工质 它的热力循环 是孤立系统 与外界无能量交换 如图所示 1 Q 2 Q 1 T 2 T 卡诺热机 中国矿业大学力学与建筑工程学院 利用卡诺定理及其推论可以建立一个与测温质无关的温标 热热 力学温标力学温标 热力学温标所确定的温度数值称为热力学温度热力学温度 绝对温度 用符号T表示 单位为开尔文 用K表示 中国矿业大学力学与建筑工程学院 4 90国际温标 国际温标 ITS 90 ITS 90同时使用国际开尔文温度 符号T90 和国际实用摄氏 温度 符号t90 T90与与t90的关系为 的关系为 t90 T90 273 15 式中 T90的单位是开尔文 K t90的单位是摄氏度 中国矿业大学力学与建筑工程学院 国际实用温标是由各国计量部门按规定分别保持和 传递 各类温度计在使用前均要进行检定 一般采用比较 法进行检定 比较法是将标准温度计和被校温度计 同时放入检定装置 如各种恒温槽和管式电炉 以标准温度计测定的温度为已知 将被校温度计的 测量值与其比较 从而确定被校温度计的精度 4 温标的传递温标的传递 中国矿业大学力学与建筑工程学院 热力学温度 16 273 3 Q Q T 定义固定点 基准气体温度计 工作基准温度计 一等标准温度计 二等标准温度计 工作温度计 国家计量科学研 究院 省 市 部委计 量局 地方 部门计量 站和用户 温标的传递温标的传递 中国矿业大学力学与建筑工程学院 1 接触式测温 2 非接触式测温 膨胀式温度计 压力式温度计 热电偶温度计 热电阻 温度计等 光学高温计 光电高温计 辐射高温计和比色高温计等 5 3 2 测温方法分类测温方法分类 中国矿业大学力学与建筑工程学院 接触式测温接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触 依 靠传热和对流进行热交换 当传热量为零时 二者 温度相等 为实现精确测量需要良好的热接触 它往往会破坏 被测对象的热平衡 存在置入误差置入误差 而且 对温度 敏感元件的结构和性能要求较高 当测热容量小和 运动物体的温度时误差大 直观 可靠 测量仪表也比较简单直观 可靠 测量仪表也比较简单特点 中国矿业大学力学与建筑工程学院 非接触式测温 温度敏感元件不与被测对象接触 而是通过热辐射进行热交换 或者是温度敏感元 件接收被测对象的部分热辐射能 由热辐射能的大 小推出被测对象的温度 这种方法响应快 对被测对象干扰小 可测量高温 运动的被测对象和环境比较恶劣的场合 特点 不与被测物体接触 不破坏原有的温度场 不与被测物体接触 不破坏原有的温度场 精度一般不高 精度一般不高 中国矿业大学力学与建筑工程学院 中国矿业大学力学与建筑工程学院 1 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 2 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿 5 3 3 热电偶测温技术热电偶测温技术 中国矿业大学力学与建筑工程学院 1 1 概述概述 热电偶是温度测量中应用最普遍的器件 它的特 点是测温范围宽 性能稳定 有足够的测量精度 能够满足工业过程温度测量的需要 结构简单 动 态响应好 输出为电信号 可以远传 便于集中检 测和自动控制 热电偶的测温原理基于热电效应 1 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 中国矿业大学力学与建筑工程学院 1 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 热电效应热电效应 把两种不同材料的金属导体 或半导体 A和B连 接成闭合回路 若两个接点温度T与T0不相等 则回路中就会 产生热电势 这一现象称为热电效应 参比端 参比端 冷端或自冷端或自 由端 由端 热电势热电势 热电极热电极A A 热电极热电极B B 测量端测量端 热端或工热端或工 作端 作端 中国矿业大学力学与建筑工程学院 热电偶工作原理热电偶工作原理 研究表明 热电偶闭合回路中产生的热电势由两种 电势组成 温差电势和接触电势 1 接触电势接触电势 珀尔帖电势珀尔帖电势 接触电势是指两种不同的导体相接触时 因各自的 电子密度不同而产生电子扩散 当达到动平衡后所 形成的电势 接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触 点的温度 中国矿业大学力学与建筑工程学院 接触电势 珀尔帖电势 的大小可由下式表示 接触电势 珀尔帖电势 的大小可由下式表示 玻尔茨曼常数 电子电量 ln A B NkT AB eN eT KJk 1038 1 23 Ce 19 106 1 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 温差电势 汤姆逊电势 温差电势 汤姆逊电势 温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电 势 不同的导体具有不同的电子密度 所以它们的温 差电势也不一样 温差电势的大小可由下式表示 式中 是汤姆逊系数 它表示温差为1 时所产生的 电动势值 它与导体的材料性质有关 0 0 T A T e T TdT 中国矿业大学力学与建筑工程学院 3 热电偶回路的总电动势 热电偶回路的总电动势 AB00 ET Tf Tf T 中国矿业大学力学与建筑工程学院 总结出关于热电偶的一些结论 结论 热电偶产生热电势的条件条件是 两种不同导体的材料构成回 路 两端接点处的温度不同 热电势大小大小只与热电极材料及两端温度有关 与热偶丝 电极 的粗细和长短无关 热电偶的接触电势远大于温差电势 热电极材料确定后 热电势的大小只与温度有关 但难以 得到严格的数学函数关系 只能用实验方法得到分度表分度表 在 T0 0时 由热电势与温度的对应关系所制成的表格 中国矿业大学力学与建筑工程学院 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 热电偶冷端温度的处理热电偶冷端温度的处理 热电偶的分度表及根据分度表刻制的直读式仪表 都以热电偶参考端温度等于0 为条件的 所以 使用时必须遵守该条件 如果参考端温度不是0 尽管被测温度不变 热电势将随参考端温度的 变化而改变 一般工程测量中参考端处于室温或 波动的温区 此时要测得真实温度就必须进行修 正或采取补偿等措施 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 1 冰点槽法冰点槽法 参比端温度测量计算法需要保持参比端温度恒 定 在实验室情况及精密测量中 是把参比端置 于能保持恒温的冰点槽中 参比端温度为0 测 得热电势后 直接查分度表得知被测温度 工业 应用时 一般把参比端放在电加热的恒温器中 使其维持在某一恒定的温度 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 2 补偿导线法补偿导线法 由于热电偶的冷端常处于测对象 热源 附近 其温度经常变动很大 很难采用上述方法处理 此时 要采用补偿导线法 补偿导线 是在一定温度范围内 0 100 其 热电性能与其所连接的热电偶的热电性能相同的一种 廉价的导线 补偿导线的作用 是用廉价的补偿导线作为贵金属 热电偶的延长线 以节约贵金属 将热电偶的冷端迁 移至离被测对象 热源 较远且环境温度较恒定的地 方 便于冷端温度的修正和减小测量误差 用较粗的 补偿导线作为热电偶的延长线 可以减小热电偶回路 的电阻 以利于动圈式显示仪表的正常工作 中国矿业大学力学与建筑工程学院 5 5 6 6 传感器的选择和标定传感器的选择和标定 1 1 传感器的选择与埋设要求传感器的选择与埋设要求 2 2 传感器的标定传感器的标定 中国矿业大学力学与建筑工程学院 K k K k K k 应力计 应力计 k k U P K 应力计和应变计原理应力计和应变计原理 讲义讲义p p142142页页 U1 U2 PP2 K 传感器的变形模量传感器的变形模量 k 被测物变形模量 被测物变形模量 传感器与介质的刚度匹配传感器与介质的刚度匹配 中国矿业大学力学与建筑工程学院 1 1 传感器的选择传感器的选择 输入输出线性好 灵敏度高输入输出线性好 灵敏度高 滞后 偏移误差小滞后 偏移误差小 动态特性好动态特性好 功耗小功耗小 对测试对象影响小对测试对象影响小 抗干扰能力强抗干扰能力强 重复性好 有互换性重复性好 有互换性 抗腐蚀性好 能长期使用抗腐蚀性好 能长期使用 易维修和校准易维修和校准 中国矿业大学力学与建筑工程学院 压力盒的选择和埋设要求压力盒的选择和埋设要求 静力匹配静力匹配 讲义 讲义p143 自学 自学 弹性模量弹性模量 泊松比泊松比 密度密度 2 2 传感器的埋设传感器的埋设 中国矿业大学力学与建筑工程学院 传感器的标定传感器的标定 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 出特性曲线 标定曲线 标定方法标定方法 标准输出设备标准输出设备 非电量标准值非电量标准值 标准测试系统标准测试系统 未知的非电量未知的非电量 要求要求 1 1 传感器的标定应该在其使用条件相似的状态下进行 传感器的标定应该在其使用条件相似的状态下进行 2 2 被测对象的被测对象的f f 3030HzHz时时 可只作静标定可只作静标定 3 3 重复标定的次数和提高测试精度重复标定的次数和提高测试精度 减小偶然误差减小偶然误差 4 4 对于自由场应力测量的压力盒对于自由场应力测量的压力盒 要作双向或三向流体标定 对要作双向或三向流体标定 对 于用作刚性结构表面压力测量的压力盒于用作刚性结构表面压力测量的压力盒 只需作单向流体标定 对只需作单向流体标定 对 于测动态压力的压力盒于测动态压力的压力盒 则最后须作动态标定则最后须作动态标定 在介质中标定时在介质中标定时 力争做到使标定与使用时在介质密度力争做到使标定与使用时在介质密度 含水量和介质变形特性等方含水量和介质变形特性等方 面的一致面的一致 3 3 传感器的标定传感器的标定 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 45 3 1 轴向压力 荷重传感器 20 37 荷重传感器标定 压力机 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 46 3 2 液体压力 液压传感器 20 37 液压传感器标定 压力表 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 47 3 3 土压力 土压力计 20 37 土压力计标定 液压标定与砂标 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 48 3 4 位移 位移计 20 37 位移计标定 位移标底架 中国矿业大学力学与建筑工程学院 2 49 3 5 温度 热电偶 20 37 热电偶标定 冰水混合物 中国矿业大学力学与建筑工程学院 一 测试系统组成 荷载系统 荷载系统 液压 重力 气压 杠杆 弹簧液压 重力 气压 杠杆 弹簧 传感器传感器又称为一次仪表 其余部分称为二次 三次仪表 又称为一次仪表 其余部分称为二次 三次仪表 测量电路测量电路 使用较多的是电桥电路和放大电路 此外 还有