第四章量测仪器与数据采集系统

1、第四章 量测仪器与数据采集系统安徽工业大学建工学院一、概述 在工程结构试验中，试件作为一个系统，所受 到的外部作用(如力、位移、温度等)是系统的 输人数据，试件的反应(如应变、应力、裂缝、 位移、速度、加速度等)是系统的输出数据; 数据采集：用多种仪器和装置测量结构试验中 的输入（作用）和输出（效应、响应）数据; 通过对输入与输出数据的量测、采集和分析处 理，了解试件系统的工作特性,从而对结构的性 能做出定量的评价。采用正确的量测方法，选用可靠的量测仪器设备一、概述 结构试验数据采集的发展过程： 人工测量、人工记录：直尺、秤等; 仪器测量、人工记录：YJ-5应变仪、位移计等; 仪器测量、仪器记

2、录：传感器+ X-Y记录仪等; 数据采集系统：先进的数据采集系统进行测量、 记录等;实际试验中，应根据试验目的和要求，及仪器设备的实际条件，按最经济合理的代价来获取最多的有用数据的原则来确定。一、概述 1. 量测仪器的组成传感器传感器放大器放大器记录仪器记录仪器感受部分，直接与被测对象相连，感受被测参数的变化并转换传递给放大部分感受部分传来的被测参数通过各种方式进行放大（机械式的齿轮、杠杆、电子放大线路或光学放大等）放大部分传来的量测结果通过指针、电子数码器、屏幕等显示出来或通过各种记录设备将试验数据或曲线记录下来显示器记录器机械式仪器：机械式仪器：一体一体（集成式）集成式）电测仪器：电测仪器

3、：分体分体（单件式）（单件式）一、概述 2. 量测仪器的工作原理 偏位测定法：根据量测仪器产生的偏转或位移定出 被测值，如百分表、双杠杆应变仪、动态电阻应变仪； 结构试验中量测仪器一般采用偏位测定法和零位测 定法两种量测方法； 零位测定法：用已知的标准量去抵消未知物理量引起 的偏转，使被测量和标准量对仪器指示装置的效应经 常保持相等，指示装置指零时的标准量即为被测物理 量，如称重天平、静态电阻应变仪。相对而言后者更加精确一、概述 3. 量测仪器的主要指标 量程：仪器可以测量的最大范围； 分辨率：测量被测物理量最小变化值的能力； 刻度值（最小分度值）：指示装置所能指示的最小 量测值； 灵敏度：仪

4、器对被测物理量变化的反应能力； 精确度（精度）：仪表指示值与被测真值的符合程度； 线性度：仪器校准曲线对理想拟合直线的接近程度； 线性范围：保持仪器的输入量和输出信号为线性关系 时，输入量的允许变化范围；一、概述 3. 量测仪器的主要指标 频响特性：仪器在不同频率下灵敏度的变化特性； 滞后：同一输入量正反两个行程输出值间的偏差称 为滞后，常以满量程中的最大滞后值与满量程输出 值之比表示； 稳定性：规定时间内保持示值与特性参数不变的 能力； 重复性：重复测试同一数值时保持示值一致的能力。 相移特性：振动参量经传感器转换成电信号或经放 大、记录后在时间上产生的延迟叫相移；仪器的输入量从起始值增至最

5、大值的测量过程称为正行程；输入量由最大值减至起始值的测量过程称为反行程。一、概述 4. 量测仪器的选用 符合量测所需的量程及精度要求，最大被测值控制在仪 器的2/3量程，最小刻度值不大于最大被测值的5； 动力试验量测仪器，其相关性能（线性范围、频响特性 以及相移特性等）都应满足试验要求； 选用仪器时应考虑试验的环境条件，（如温度、湿度变 化较大宜选用机械式仪器）；同时应从试验实际需要出 发，选择仪器的精度，测定结果的最大相对误差不大于 5即满足要求。 对于安装在结构上的仪器或传感器，要求自重轻、体积 小，不影响结构的工作； 同一试验中选用的仪器种类应尽可能少，以便统一数据 的精度，简化量测数据

6、的整理工作和避免差错；一、概述 5. 量测仪器的率定率定： 为了确定仪器的精确度或换算系数，确定其误差，需将仪表指示值和标准量进行比 较，率定后的仪器按国家规定的精确度划分等级。仪器的校准、标定仪器的校准、标定率定仪器标准量经国家计量机构确定、率定设备的精确度等级应比被率定的仪器高专业率定器同级精度的“标准仪器”相比较率定标准试件进行率定二、应变量测 结构的应力梯度较大时，应变计标距应尽可能小；标距的选择： 一般是用应变计测出试件在一定长度范围 L内 的长度变化 L，再计算出应变值= L/ L，测 出的应变值实际是标距范围 L内的平均应变；标距 混凝土结构标距应大于23倍最大骨料粒径； 砖石结

7、构标距应大于4皮砖； 木结构试验时，一般要求标距不小于20cm； 对于钢材等匀质材料，应变计标距可适当取小些。二、应变量测 1. 机测引伸仪手持式应变仪（图4.2.1） 主要由两片弹簧钢片连接两个刚性骨架组成，两个骨架可作无摩擦的相对运动。千分表测应变装置（图4.2.2）特点：装置构造简单，廉价； 测量精度较高；可重复利用； 脚座较长，不适合测量有弯曲变形的构件。二、应变量测 2. 电阻应变计 电阻应变计又称电阻应变片，是电阻应变量测系统的感受元件。 构造形式箔式电阻应变片 半导体应变片丝绕式电阻应变片 焊接电阻应变片短接式电阻应变片二、应变量测 2. 电阻应变计构造组成： 引出线 覆盖层 电

8、阻栅 基底材料丝绕式电阻应变片 工作原理（教材P44）利用某种金属丝导体的“应变电阻效应”。单位应变引起的相对电阻变化d Rd RR=k R=k 灵敏系数应变结构静力试验结构静力试验A.A.工作原理工作原理电阻应变效应以丝式应变片为例ALRdAdALdLRdRrdrAdA2LdLrdr金属丝的电阻应变原理 1.受力前的金属丝 2.受力后的金属丝二、应变量测 2. 电阻应变计 特点 灵敏度高，应变片尺寸小（应力集中区密集贴片），质量轻，粘贴牢固，适用于高、低温环境（-50100）。 主要性能指标（1）标距 ：电阻丝栅在纵轴方向的有效长度，钢 筋片21、32等，砼片804、1005等；（2）电阻值

9、R：120 ；（3）灵敏系数K：单位应变引起应变计的电阻变 化，取值范围在1.92.3之间，通常为2.0。二、应变量测 3. 电阻应变仪 组成 电阻应变仪是把电阻应变量测系统中放大与指示（记录、显示）部分组合在一起的量测仪器。振荡器 量测电路 放大器 相敏检波器 电源二、应变量测 3. 电阻应变仪 原理（P46） 通过惠斯登电桥，将微小电阻变化转变为电压或电流变化，电桥由4个电阻R1、R2、R3、R4组成，构成电桥的4个桥臂。二、应变量测 3. 电阻应变仪 测量电路 根据桥臂上工作应变片的数量，测量方式主要有：全桥电路、半桥电路和1/4桥电路。四个桥臂全部接入工作应变片，相邻臂上的工作片兼做温

10、度补偿片由两个工作应变片和两个固定电阻组成主要用于量测应力场的单个应变即一个电阻变化其他的均固定 多点测量线路 进行实际测量时，一个测点显然是不可取的，因而要求应变仪具有多个测量桥，这样就可以进行多测点的测量工作；结构静力试验结构静力试验a.定义l实现二次转换；并构成电阻应变仪。l惠斯登电桥：以直流惠斯登电桥为例，常用交流。ERRRRRRRRUBD)(43214231实际，常设计为等臂电桥：R1=R2=R3=R4=R，设R1为工作片，受力变，产生阻值增量 R，当 R R时，电压输出为：EkERRUBD414表明：等臂电桥的输出电压与应变在一定范围内为线性关系。F.静态电阻应变仪的工作原理惠斯顿

11、电桥 U43结构静力试验结构静力试验同理，四臂均为工作片时：)(4)(4)(432144332211432124134231kERRRRRRRREERRRRRRRRRRRRUBD惠斯顿电桥 U43结构静力试验结构静力试验l电桥加减特性： 1、对邻臂，同号电阻变化，相减，异号电阻变化，相加； 2、对对臂，正好相反，同号电阻变化，相加，异号电阻变化，相减。l电桥加减特性非常有用：1）提高电桥灵敏度；2）温度补偿；3）复杂受力试件上测试某外力因素引起的应变等。二、应变量测 3. 电阻应变仪每次只切换工作片，温度补偿片为公用片每次同时切换工作片和补偿片，通过转换开关自动切换测点而形成测量桥 多点测量线

12、路主要有工作肢转换法和中线转换法； 温度补偿 由于环境温度变化的影响，通过应变片的感受，可引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。（虚假应变）二、应变量测 3. 电阻应变仪根据邻臂输出相减原理，消除温度效应产生的应变（单点补偿、多点补偿）等臂条件下，工作片互为温度补偿片，消除温度效应的影响 温度补偿 消除温度效应的方法称为温度补偿，常采用温度补偿片法、工作片互补法和温度自补偿片法三种。桥路补偿法桥路补偿法STC片基本形式：两单元片、一单元片、通用型三、位移量测 1. 线位移传感器量程10、30、50mm机械式百分表电子百分表千分表位移计电阻式位移传感器线性差动电感式位移传感器水

13、准仪经纬仪量程为12mm、精度可达0.001或0.002mm量程为50、100、200、300mm三、位移量测 1. 线位移传感器电子百分表千分表机械式百分表三、位移量测 1. 线位移传感器经纬仪位移计三、位移量测 1. 线位移传感器马鞍山要津桥检测（安徽工业大学）三、位移量测 1. 线位移传感器1.测杆 2.外壳 3.弹簧 4.电阻应变片 5.电阻丝 6.线圈 7.电缆三、位移量测 2. 角位移传感器水准式倾角仪水准式倾角仪测试方法：水准管1安置在弹簧片4上，一端铰接于基座6 上，另一端被微调螺丝3顶住。当仪器用夹具5安装在测点上后，用微调螺丝使水准管的气泡居中，结构变形后气泡漂移，再扭动微

14、调螺栓使气泡重新居中，度盘前后两次读数的差即为测点的转角。仪器的最小读数可达12，量程为3。优点：尺寸小、精度高缺点：受湿度及振动影 响大，在阳光下 曝晒会引起水准 管爆裂。三、位移量测 2. 角位移传感器电子倾角仪电子倾角仪测试方法：（1）电极等距离设置且垂直于器皿底面，当传感器处于水平位置时，导电液体的液面保持水平，三根电极浸入液内的长度相等，故A、B极之间的电阻值等于B、C极之间的电阻值，即 R1R2； （2）使用时将倾角仪固定在试件测点上，试件发生微小转动时倾角仪随之转动。因导电液面始终保持水平，因而插入导电液体内的电极深度必然发生变化，使 R1减小R ，R2 增大R 。 （3）若将A

15、B、BC视作惠斯登电桥的两个臂，则建立电阻改变量R与转动角度间的关系就可以用电桥原理测量和换算倾角R K 。原理：通过电阻变化测定结构某部位的 转动角度主要构造：导电液体的容器、三根固定 电极三、位移量测 3. 光纤位移传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。 不受电磁干扰、防爆性能好、不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可弯曲； 可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。 光纤传感器类型 主要优点：功能型非功能型只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态

16、是不连续的，光纤只起传光作用四、力值量测 1. 机械式力传感器 利用机械式仪器测量弹性元件的变形，再将变形转换为弹性元件所受的力，如环箍式拉力计、环箍式拉压测力计。 基本原理：四、力值量测 2. 电阻应变式力传感器 利用安装在力传感器上的电阻应变片测量传感器弹性变形体的应变，再将弹性体的应变值转换电信号输出，并用电子仪器显示的测力计； 基本原理：根据荷载根据荷载性质不同性质不同拉伸型拉伸型压缩型压缩型拉拉压型压型四、力值量测 3. 振动弦式力传感器 安装一根张紧的钢弦，当传感器受力产生微小的变形时，钢弦张紧程度发生变化，使得其自振频率随之变化，测量钢弦的自振频率，就可以通过传感器的变形得到传感

17、器所受到的力。 基本原理：五、裂缝量测 开裂时刻与位置、裂缝宽度与长度； 1.量测内容：2.量测方法： 肉眼观察（目测）：试件表面刷白（白石灰 水），裂缝一般与主拉应力垂直； 贴应变片：通过钢筋应变和砼应变综合判定（突变）； 曲线：通过P、P曲线拐点判定； 涂导电漆膜：砼试件受拉区表面涂上一种专用导电 漆膜，干燥后两端接入电路，当裂缝宽度达 0.001 0.005mm时，导电漆膜会出现火花直至烧断； 五、裂缝量测3.量测仪器：读数显微镜 超声波检测：基于发声原理，采用声传感器捕捉 材料开裂时发射声能所形成的声波，经信号转换 后，识别裂缝出现的部位。宽度为标准宽度，将其与裂缝进行对比，利用放大镜

18、估计裂缝宽度裂缝标尺五、裂缝量测裂缝显微镜裂缝显微镜超声波探伤仪超声波探伤仪五、裂缝量测DJCKDJCK2 2裂缝测宽仪裂缝测宽仪（安徽工业大学）（安徽工业大学）六、温度量测根据测试元件与被测材料是否接触划分接触式测温接触式测温非接触式测温非接触式测温基于热平衡原理，测温元件与被测材料接触，两者处在同一热平衡状态，具有相同的温度，如水银温度计和热电偶温度计利用热辐射原理，测温元件不与被测材料接触，如红外温度计。七、振动参数的量测 1. 振动量测设备组成感受部分感受部分放大部分放大部分显示记录显示记录常称为拾振器，它和静力试验中的传感器有所不同，是将机械振动信号转换成电信号的敏感元件将信号放大，

19、还可将信号进行积分、微分和滤波等处理，可分别量测出振动参量中的位移、速度及加速度记录振动参量随时间历程变化情况(时程分析)显示器记录器 拾振器的基本原理（见教材拾振器的基本原理（见教材P59）七、振动参数的量测 2. 测振仪器基于电磁感应原理制成，特点是灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有一定宽度 磁电式速度传感器（教材P62-63） 主要技术指标有：固有频率、灵敏度、频率响应和阻尼系数等；七、振动参数的量测 2. 测振仪器一种利用晶体的压电效应把振动加速度转换成电荷量的机电换能装置； 压电式加速度传感器 主要技术指标有：灵敏度、安装谐振频率、频率响应、横向灵敏度比和幅值范围（动态范

20、围）等；一些晶体当受到压力并产生机械形变时，在它们相应的两个表面上出现异号电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态 优点：动态范围大，频率范围宽，稳定性好，机械强度高，温度范围宽,重量轻，体积小；缺点：灵敏度较低。七、振动参数的量测 2. 测振仪器 放大器 不管是磁电式传感器还是压电式传感器，传感器本身的输出信号一般比较微弱，需要对输出信号加以放大； 测振放大器是振动测试系统中的中间环节，它的输入特性须与拾振器的输出特性相匹配，而它的输出特性又必须满足记录及显示设备的要求，选用时还要注意其频率范围； 常用的测振放大器有电压放大器和电荷放大器两种。结构简单、价格低廉、可靠性能好，但是输入阻抗较低

21、。低频响应好，传输距离远，但成本较高七、振动参数的量测 2. 测振仪器 记录仪器 数据采集时，为了把数据保存、记录下来，以备分析处理，必须使用记录器，记录器是把这些数据按一定的方式、记录在某种介质上，需要时可以把这些数据读出或输送给其他分析处理仪器。（普通记录纸、光敏纸、磁带、磁盘等）低频从传感器传送到记录器的数据一般都是模拟量，模拟式记录就是把这个模拟量直接记录在介质上； 记录方式记录方式模拟式模拟式 数字式数字式（记录数据连续）（记录数据间断）数字式记录是把这个模拟量转换成数字量后再记录在介质上。七、振动参数的量测 2. 测振仪器 常用记录仪器 一种常用的模拟式记录器，它用记录笔把试验数据以XY平面坐标系中的曲线形式记录在纸上，得到的是两个试验变量的关系曲线，或某个试验变量与时间的关系曲线； 可记录一个X轴（荷载）、二三个Y轴（位移、应变等）； 多用于静