测试技术的基础知识

1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 1 1测试系统的组成 测试技术包括测量技术和试验技术两个方面 测试技术是通过测试系统来实现的 按照信号传递方式来分 常用的测试系统可分为模拟式和数字式两种测试系统 由下图可知 一个完善的力学测试系统由荷载系统 传感器 信号变换与测量电路 显示记录系统四大部分组成 图1 1测试系统的组成 1 1 1荷载系统1 1 2测量系统1 1 3信号处理系统1 1 4显示和记录系统 1 2测试系统的传递特性1 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 1 2 2测试系统的静态传递特性 1 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 图1 2系统 输入与输出 1 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 上式称为系统的静态传递特性方程 斜率K是常数 表示静态方程的图形称为测试系统的标定曲线 下图所示是几种标定曲线及其相应的曲线方程 图1 3标定曲线的种类 上式称为系统的静态传递特性方程 斜率k是常数 也称标定因子 如图所示是几种标定曲线及其相应的曲线方程 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 1 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 图1 4传感器组成框图 1 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 1 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 由材料力学可知 在弹性范围内 可得 大量实验证明 在电阻丝拉伸极限内 电阻的相对变化与应变成正比 即K0为常数 各种材料的灵敏度系数由实验测定 一般用于制造电阻丝应变片的金属丝其灵敏系数多在1 7 3 6之间 1 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 图1 5应变片的构造1 基片2 电阻丝3 覆盖层4 引出线 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 1 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半导体材料在沿某一轴向受外力作用时 其电阻率发生很大变化的现象 不同类型的半导体 施加荷载的方向不同 压阻效应也不一样 目前使用最多的是单晶硅半导体 其应变灵敏系数可表示为 2 体型半导体电阻应变片 半导体应变片的主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 通常不需要放大器就可以直接输入显示器或记录仪 它的横向效应和机械滞后极小 但是 半导体应变片的温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差很多 很难用它制作高精度的传感器 只能作为其他类型传感器的辅助元件 近年来 由于半导体材料和制作技术的提高 半导体应变片的温度稳定性和线性度都得到了改善 3 扩散型压阻式压力传感器 为了克服半导体应变片粘贴造成的缺点 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 制成扩散型压阻式传感器 其原理与半导体应变片传感器相同 不同之处是前者直接在硅弹性元件上扩散出敏感栅 后者是用粘结剂粘贴在弹性元件上 扩散型压阻式压力传感器的主要优点是体积小 结构比较简单 动态响应好 灵敏度高 能测出十几帕的微压 长期稳定性好 滞后和蠕变小 频率相应高 便于生产 成本低 因此 它是一种目前比较理想的 发展较为迅速的压力传感器 现在出现的智能压阻式压力传感器 将传感器与计算机集成在同一硅片上 兼有信号检测 处理 记忆等功能 从而大大提高了传感器的稳定性和测量精确度 4 压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器如图所示 它的悬臂梁直接用单晶硅制成 4个扩散电阻扩散在其根部的两面 当梁的自由端的质量块受到加速度作用时 悬臂梁受到弯矩作用发生变形产生应力 使电阻值变化 由4个电阻组成的电桥产生与加速度成比例的电压输出 图1 10压阻式加速度传感器结构简图 2 3 2电感式传感器 电感式传感器是根据电磁感应原理制成的 它是将被测非电量转换为线圈的自感系数L或互感系数M变化的装置 由于电感式传感器是将被测量的变化转换成电感量的变化 所以根据电感的类型不同 电感传感器可分为自感式 单磁路电感式 和互感式 差动变压器式 两类 1 3 2 1单磁路电感传感器 单磁路电感传感器由铁芯 线圈和衔铁组成 当衔铁运动时 衔铁与带线圈的铁芯之间的气隙发生变化 引起磁路中磁阻的变化 因此 改变了线圈中的电感 线圈中的电感量L可按下式计算 上式表明 电感量与线圈的匝数平方成正比 与空气隙有效导磁截面积成正比 与空气隙的磁路长度成反比 因此 改变气隙长度和改变气隙截面积都能使电感量变化 从而形成三种类型的单磁路电感传感器 它可做成位移的电感式传感器和压力的电感式传感器 也可做成加速度的电感式传感器 1 3 2 2差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器是互感式电感器中最常用的一种 其原理如图所示 a 原理图 b 等效电路图图1 12差动变压器式电感传感器原理图和等效电路图 1 3 3电容式传感器 压电式传感器和压磁式传感器 1 3 3 1电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件 将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置 实际上就是一个具有可变参数的电容器 广泛用于位移 角度 振动 速度 压力 介质特性等方面的测量 最常用的是平行板型电容器或圆筒形电容器 平行板型电容器是有一块定极板与一块动极板及极板间介质所组成 其电容量为 上式表明 如果保持其中两个参数不变 只改变其中一个参数 则电容量C就是该参数的单值函数 就可把该参数的变化转换为电容量的变化 由此原理 电容式传感器分为极距变化型 面积变化型和介质变化型三类 它们的灵敏度分别为 极距变化型面积变化型式中 b为电容器的极板宽度 电容式传感器的输出是电容量 尚需有后续测量电路进一步转换为电压 电流或频率信号 利用电容的变化来取得测试电路的电流或电压变化的常用电路有 调频电路 电桥型电路和运算放大电路 其中 以调频电路用得较多 其优点是抗干扰能力强 灵敏度高 但电缆的分布对电容输出影响较大 使用中调整比较麻烦 1 3 3 2压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 利用压电效应制成了电势型传感器 是典型的有源传感器 当材料受力作用而变形时 其表面会有电荷产生 从而实现非电量测量 压电式传感器具有体积小 重量轻 结构简单 工作可靠 动态特性好 静态特性差的特点 因此在各种动态力 机械冲击与振动测量 以及声学 医学 力学 宇航等方面都得到了广泛的应用 1 压电效应及压电材料 压电式传感器的工作原理以晶体的压电效应为理论依据 某些电介质 当沿着一定方向受到压力或拉力作用而变形时 其内部就会产生极化现象 其表面上就会产生电荷 若将外力去掉时 它们又重新回到不带电的状态 这种现象就称为正压电效应 机械能转为电能 相反 当在电介质极化方向施加电场 这些电介质也会产生变形 这种现象称为逆压电效应 电致伸缩效应 具有压电效应的材料称为压电材料 它能实现机 电能量的相互转换 在自然界中大多数晶体具有压电效应 但压电效应十分微弱 随着对材料的深入研究 发现石英晶体 钛酸钡 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料 2 压电传感器的应用 压电传感器从它可测的基本参数来讲是属于力传感器 因此 应用最多的是测力 但是 也可测量能通过敏感元件或其他方法变为力的参数 如位移 加速度等 尤其是对冲击 振动加速度的测量 1 压电式加速度传感器如图所示 测量时 将传感器基座与试件刚性固定在一起 当传感器受到振动时 质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电元件上 由于压电效应 因此就产生了交变电荷 电压 传感器的输出电荷与试件的加速度成正比 输出电量由传感器输出端引出 输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度 如在放大器中加进适当的积分电路 就可以测出试件的振动加速度或位移 图1 15压电式加速度传感器结构图 2 压电式测力传感器 如图所示是压电式单向测力传感器的结构图 主要用于机床动态切削力的测量 上盖为传力元件 当外力作用时 它将产生弹性变形 将力传递到石英晶片上 石英晶片采用xy切型 利用其纵向压电效应 通过x方向受力的压电系数实现力 电转换 2 3 3 3压磁式传感器 压磁式传感器是测力传感器的一种 它利用铁磁材料的压磁效应 即当铁磁材料受到外界机械力的作用后 其内部产生机械应力 从而引起铁磁材料的磁导率改变 这种现象称为压磁效应 如果在铁磁材料上有线圈 由于导磁率的变化 将引起铁磁材料中的磁通量的变化 磁通量的变化则会导致线圈上自感电势或感应电势的变化 从而将力转换成电信号 铁磁材料的压磁应变灵敏度表示为 压磁应力灵敏度定义为 单位机械力所引起的磁导率相对变化 即 我们利用以上介绍的关系可以做成压磁传感器 经常用来测量压力 拉力 弯矩 扭转力 这种传感器输出的电参数为电阻抗或是二次绕组的感生电势 即有如下变换链 压磁式传感器可整体密封 因此具有良好的防潮 防油和防尘等性能 适合于在恶劣环境条件下工作 此外 还具有温度影响小 抗干扰能力强 输出功率大 结构简单 价格较低 维护方便 过载能力强等优点 其缺点是线性和稳定性较差 1 3 4光纤传感器 光纤传感器是基于光导纤维的新型传感器 起源于光纤通讯技术 它的应用是传感器领域的重大突破 在光通讯利用中发现当温度 应力等环境变化时 引起光纤传输的光波强度 相位 频率 偏振态等变化 测量光波量的变化 就可知道导致这些变化的温度 应力等物理量的大小 根据这些原理便可研制出光导纤维传感器 到目前为止 光纤技术主要用于光纤通讯 直接信息交换 把待测的量和光纤内的导光联系起来 形成光纤传感器 它与传统传感器相比具有许多优点 目前已研制了多种不同的光纤传感器用于磁 声 压力 温度 加速度 位移 液面 扭矩 应变等物理量的测量 解决了以前认为难以解决 甚至不能解决的技术难题 1 3 4 1光导纤维的结构和导光原理 1 光纤的结构光导纤维 简称光纤 是一种用于传输光信息的多层介质结构的对称圆柱体 结构如图所示 纤芯的主要成分为二氧化硅 其中含有极微量的掺杂剂 一般为二氧化锗 用以提高纤芯的折射率 形成全内反射条件的弱导光纤将光限制在纤芯中 涂覆层一般为环氧树脂 硅橡胶等高分子材料 用于增强光纤的柔韧性 机械强度和耐老化特性 而有些类型的光纤传感器由于使用的场合不同需要对普通光纤做些加工处理 使其对特定的信号更加敏感 光纤的最外层加上一层不同颜色的塑料套管 一方面起到保护作用 另一方面以颜色区分各种光纤 可以将许多条光纤组成光缆 光缆中的光纤数少则几根 多则几千根 光缆主要用于通讯 2 光纤的导光原理根据光的折射定律 光折射和反射之间的关系为 当光线的入射角 增大到某一角度 时 透射入光 疏物质的光线的折射角 折射光沿界面传播 称此时的入射角 为临界角 大于临界角入射的光线在介质交界面全部被反射回来 即发生光的全反射现象 临界角由下式确定 由上式可知 临界角 仅与介质的折射率之比 有关 利用光的全反射原理 只要使射入光纤端面的光线与光轴的夹角小于一定值 使得光纤中的光线发生全反射时 则光线射不出光纤的纤芯 如图2 19所示 光线在纤芯和包层的界面上不断地发生全反射 经过若干次的全反射 光就能从光纤的一端以光速传播到另一端 这就是光纤导光的基本原理 图1 19光在光纤中的全反射 1 3 4 2光纤传感器基本原理及类型 1 光纤传感器基本原理光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器 使待测参数与进入调制区的光相互作用后 引起光纤传输的光波强度 相位 频率 偏振态等发生变化 称为被调制的信号光 再经过光纤送入光探测器 经过解调器解调后 获得被测参数 2 光纤传感器的类型光纤传感器可以分为功能型 非功能型和拾光型三大类 如图所示 1 功能型 如上图所示 光纤在其中不仅是导光媒质 而且也是敏感元件 光在光纤内受被测量调制 此类传感器的优点是结构紧凑 灵敏度高 但是 它需用特殊光纤和先进的检测技术 因此成本高 2 非功能型 光纤在其中仅起导光作用 光照在光纤型敏感元件上受被测量调制 光纤与普通传感器中的导线作用相当 因而不能称为严格意义上的光纤传感器 它成本低 比较容易实现 但灵敏度也较低 应用于对灵敏度要求不太高的场合 3 拾光型 用光纤作探头 接收由被测对象辐射的光或被其反射 散射的光 1 3 4 3光纤传感器的特点 1 质量轻 体积小2 灵敏度高3 耐腐蚀4 抗电磁干扰5 绝缘性能高6 传输频带较宽7 使用期限内维护费用低 1 3 4 4光纤传感器的应用 作为20世纪70年代中期出现的一种新型传感器 光纤传感器是对以电信号为基础的传统传感器的变革 通过前面对光纤传感器工作原理及特点的介绍可知 光纤可以被应用到很多领域 目前的工程应用中 光纤可以构成位移 应变 压力 速度 加速度 转矩 角速度 角加速度 温度 电流 电压 流量 流速 以及磁 光 声 射线等近百种物理量检测的传感器 所以光纤传感器可以被称为万能传感器 当然 光纤传感器在开发过程中还有不少的实际困难 如噪声源 检测方法 封装 光纤的被覆等问题 因此 光纤传感器的实用化研究还在进行中 下面介绍一种较为实用的光纤位移传感器 如图所示为光纤位移测量的原理图 光纤作为信号传输介质 起导光作用 光源发出的光束作为信号传输介质 起导光作用 光源发出的光束经过光纤1射到被测物体上并发生散射 有部分光线进入光纤2并被光电探测器件接收 转变为电信号 由于入射光的散射作用随着距离x的大小而变化 所以进入光纤2的光强也会发生变化 光电探测器转换的电压信号也将发生变化 时间证明 在一定范围内 光电探测器件的输出电压U与位移量x之间呈线性关系 在非接触式微位移测量 表面粗糙度测量等场合采用这种光纤传感器是很实用的 图2 21光纤位移传感器 1 3 5 钢弦式传感器 1 3 5 1基本原理岩土工程测试中常用钢弦式应变计 压力盒作为量测传感器 其基本原理是由钢弦内应力的变化转换为钢弦振动频率的变化 钢弦应力与振动频率的关系为 1 3 5 2钢弦式压力盒 压力盒是常见的测试土 岩石压力的传感器 钢弦式压力盒做成后 为定值 钢弦频率只由张拉应力确定 张拉应力取决于外力P 钢弦频率与薄膜所受压力P满足关系 钢弦式传感器主要有钢筋应力计 压力盒 表面应变计 孔隙水压力计等 其主要优点是构造简单 受温度影响小 易于防潮 在岩土工程中 地下工程监测中得到广泛使用 钢弦式传感器的钢弦振动频率由频率仪测定 根据钢弦式传感器在岩土工程中使用后的测定的频率就可以得到压力 应变等物理量 1 3 6传感器的选择和标定 2 3 6 1传感器的选择应遵循的一般原则是 1 根据测试对象 实际条件 测试方式确定传感器的类型2 传感器的灵敏度和精确度应满足测试的要求3 传感器的频率响应特性应满足测试的要求 4