桥梁施工控制技术01学习教案

1、会计学1桥梁桥梁(qioling)施工控制技术施工控制技术01第一页，共82页。 静止的水面称为水准面，水准面是受地球重力影响而形成静止的水面称为水准面，水准面是受地球重力影响而形成(xngchng)的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。 与水准面相切的平面称为水平面。水平面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成与水准面相切的平面称为水平面。水平面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成(xngc

2、hng)的闭合曲面，称为大地水准面。的闭合曲面，称为大地水准面。 大地水准面是测量工作的基准面。大地水准面是测量工作的基准面。 并选择陕西泾阳县永乐镇某点为大地原点，进行了大地定位。由此而建立起来全国统一坐标系，这就是现在并选择陕西泾阳县永乐镇某点为大地原点，进行了大地定位。由此而建立起来全国统一坐标系，这就是现在(xinzi)使用的使用的“1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系”。 由于地球椭球的扁率很小，因此当测区范围不大时，可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为由于地球椭球的扁率很小，因此当测区范围不大时，可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为6371km 当测区的范围较小时，可以把测区球

3、面当作两面处理，直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，用平面直角坐标来表示当测区的范围较小时，可以把测区球面当作两面处理，直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，用平面直角坐标来表示(biosh)。平面直角坐标原点一般选在测区西南方，以该测区子午线方向。平面直角坐标原点一般选在测区西南方，以该测区子午线方向(真子午线或磁子午线真子午线或磁子午线)为为x轴，北方向为正。轴，北方向为正。y轴与轴与x轴垂直，东方向为正。轴垂直，东方向为正。第1页/共82页第二页，共82页。陕西泾阳县永乐镇陕西泾阳县永乐镇第2页/共82页第三页，共82页。地面点的高程是指地面点到某一高程基准面的垂直距离。地面点的高程是指地

4、面点到某一高程基准面的垂直距离。测量上常用的高程基准面有参考椭球体面和大地水准面。测量上常用的高程基准面有参考椭球体面和大地水准面。大地高：以参考椭球体面为高程基准面。大地高是地面点沿法线到椭球体大地高：以参考椭球体面为高程基准面。大地高是地面点沿法线到椭球体面的距离，用面的距离，用H大表示。大表示。海拔高：以大地水准面为高程基准面。即地面点沿垂线到大地水准面的距海拔高：以大地水准面为高程基准面。即地面点沿垂线到大地水准面的距离，也称为绝对高程，用离，也称为绝对高程，用H海表示。海表示。“1956年黄海高程系年黄海高程系”，青岛市观家山水准原点高程为，青岛市观家山水准原点高程为72.289m。

5、“1985年国家高程基准年国家高程基准”，青岛市观家山水准原点高程为，青岛市观家山水准原点高程为72.260m。1987年后启用此基准。年后启用此基准。在局部地区特殊条件下，不需要和国家高程系统联系，可采用一个在局部地区特殊条件下，不需要和国家高程系统联系，可采用一个(y )假设水准面为高程起算面。所得到的地面高程称为假设高程或相对高程。假设水准面为高程起算面。所得到的地面高程称为假设高程或相对高程。地面两点的高程差称为高差，用地面两点的高程差称为高差，用h表示，表示，第3页/共82页第四页，共82页。(1-7)222ipipipipzzyyxxR特征点的测定方法：特征点的测定方法：卫星定位卫

6、星定位几何测量定几何测量定位位 利用卫星信号接收机，同时利用卫星信号接收机，同时(tngsh)接收多颗定位卫星发射的信号进行定位，称为卫星定位。接收多颗定位卫星发射的信号进行定位，称为卫星定位。 若在待测点若在待测点P安置卫星接收机，在某时刻同时接收三颗卫星信号，测定卫星至接收的距离安置卫星接收机，在某时刻同时接收三颗卫星信号，测定卫星至接收的距离Rip。已知该时卫星空间。已知该时卫星空间(kngjin)三维坐标，即可用下式求出待测点三维坐标：三维坐标，即可用下式求出待测点三维坐标：第4页/共82页第五页，共82页。第5页/共82页第六页，共82页。手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机

7、第6页/共82页第七页，共82页。(1-8)sincosababababDyyDxx几何几何(j h)测量定位：测量定位：如地面上有三个点如地面上有三个点A、B、C，其中，其中A点坐标已知，待求点为点坐标已知，待求点为B、C，见图，见图1-12。测定。测定(cdng)a、b间平距间平距Dab,及及x纵坐标北方向与纵坐标北方向与ab边的夹角边的夹角ab(称为方位角称为方位角)，即可求定，即可求定b点平面坐标：点平面坐标：若已知若已知A、B坐标，只要坐标，只要测定测定角和距离角和距离(jl)Dbc,即可即可确定确定C点位置。点位置。常规测量中，常规测量中，量距量距、测角和测高差、测角和测高差是确定

8、地是确定地面点位的面点位的基本测量工作基本测量工作。第7页/共82页第八页，共82页。GPS系统的组成：空间星座部分、系统的组成：空间星座部分、地面支撑系统、用户设备部分地面支撑系统、用户设备部分 空间星座部分：空间星座部分：21颗工作卫星，颗工作卫星，3颗备用卫星。颗备用卫星。 24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个轨道面内。个轨道面内。卫星轨道倾角为卫星轨道倾角为55，各轨道平面相差，各轨道平面相差60。轨道平面高度轨道平面高度(god)为为20200km，卫星运行周期，卫星运行周期11小时小时58分。分。地面观测者见的卫星颗数最少为地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达颗，最多可达

9、11颗。颗。空间星座部分的作用：空间星座部分的作用：向广大用户连续发送定位信息；向广大用户连续发送定位信息；接收和存储由地面监控站发来的卫星导航接收和存储由地面监控站发来的卫星导航(dohng)电文等信息，并适时地发送给广大用户；电文等信息，并适时地发送给广大用户；接收并执行由地面监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等；接收并执行由地面监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等；通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。第8页/共82页第九页，共82页。GPS系统的特点系统的特点:全球全球(qunqi)、全天

10、候工作：能为用户提供连续、实时的三维位、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间。不受天气的影响。置、三维速度和精密时间。不受天气的影响。 定位精度高：单机定位精度优于定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。厘米级和毫米级。功能多、应用广：大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工功能多、应用广：大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等。动力学等。 第9页/共82页第十页，共82页。地面支撑系统

11、：地面支撑系统：主控站：根据跟踪观测数据计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气修正参数等，编制成导航电文并传送至各注入站；调整偏离轨道的卫星；启用备用卫星；管理协调主控站：根据跟踪观测数据计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气修正参数等，编制成导航电文并传送至各注入站；调整偏离轨道的卫星；启用备用卫星；管理协调(xitio)各地面监控系统的工作。各地面监控系统的工作。 注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器；向主控站发射信号报告自己的工作状态。注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器；向主控站发射信号报告自己的工作状态。 监测站：数据自动采集中心，用监测站：数据自动采

12、集中心，用GPS接收机对可见卫星进行连续观测，为主控站提供卫星的观测数据。接收机对可见卫星进行连续观测，为主控站提供卫星的观测数据。 用户设备用户设备(shbi)部分：部分：接收接收GPS卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。包括包括GPS接收机及天线、微处理器、终端设备接收机及天线、微处理器、终端设备(shbi)和电源等。和电源等。天线单元能够接收来自任何方向的天线单元能够接收来自任何方向的GPS信号，将极微弱的信号，将极微弱的GPS信号电流予以放大。信号电流予以放大。微处理机能选择合适

13、的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。第10页/共82页第十一页，共82页。其它卫星(wixng)定位导航系统 Galileo卫星定位导航系统：卫星定位导航系统：Galileo系统是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理。系统是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理。 能够和能够和GPS、GLONASS系统实现多系统内的相互合作，用户

14、可以用一个多系统接收机来实现定位导航。系统实现多系统内的相互合作，用户可以用一个多系统接收机来实现定位导航。 中国中国(zhn u)在在2004年年10月正式加入月正式加入“Galileo计划计划”。 Galileo系统由系统由30颗（颗（27颗工作卫星颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）卫星组成，均匀分布在颗在轨备用卫星）卫星组成，均匀分布在3个轨道上，整个系统拟在个轨道上，整个系统拟在2010年之前投入正式运行。年之前投入正式运行。 GLONASS系统：系统：前苏联从前苏联从80年代初开始建设的与美国年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，由卫星星座、地面监测控制站和用户设备组成。

15、现在由俄罗斯空间局管理系统相类似的卫星定位系统，由卫星星座、地面监测控制站和用户设备组成。现在由俄罗斯空间局管理(gunl)。GLONASS系统的卫星星座由系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期公里，运行周期11小时小时15分，轨道倾角分，轨道倾角64.8。GLONASS系统采用军民合用、不加密的开放政策。目前在轨工作卫星约为系统采用军民合用、不加密的开放政策。目前在轨工作卫星约为18颗。颗。 第11页/共82页第十二页，共82页。北斗卫星定位导

16、航系统：北斗卫星定位导航系统：中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统。中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统。 北斗一代北斗一代(y di)包括包括2颗地球同步卫星、颗地球同步卫星、2颗备用星、地面中心站和用户终端。颗备用星、地面中心站和用户终端。北斗系统三大功能：北斗系统三大功能：快速定位快速定位(dngwi)：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位(dngwi)服务，定位服务，定位(dngwi)精度精度20100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送短报文

17、通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送4060个汉字的短报文信息；个汉字的短报文信息；精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。时间同步精度。 第12页/共82页第十三页，共82页。GPS定位(dngwi)原理 利用无线电测距交会确定点位的方法，可以根据利用无线电测距交会确定点位的方法，可以根据3个以上地面已知个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之也可以利用点（控制站）交会出卫星的位置，反之也可以利用3颗以上卫星的颗以上卫星的已知空间已知空间(kngjin)位置交会出地面位置

18、点（用户接收机）的位置位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收接收机在某一时刻同时接收3颗以上颗以上GPS卫星信号卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心），测量出测站点（接收机天线中心）P至每颗卫星的距离并解算出至每颗卫星的距离并解算出该时刻该时刻GPS卫星的空间卫星的空间(kngjin)坐标，然后根据距离交会法解算坐标，然后根据距离交会法解算出测站出测站P的位置。的位置。 第13页/共82页第十四页，共82页。GPS定位方法(f

19、ngf)分类 GPS的后处理测量方法 第14页/共82页第十五页，共82页。第15页/共82页第十六页，共82页。静态相对定位静态相对定位(dngwi)模式模式流动站流动站动态动态(dngti)相对相对定位模式定位模式第16页/共82页第十七页，共82页。GPS实时动态(dngti)定位（RTK）方法 第17页/共82页第十八页，共82页。第18页/共82页第十九页，共82页。全站仪的构造全站仪的构造 光、机、电一体化，集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体。光、机、电一体化，集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体。 组成部分：组成部分： 电源电源 测角系统测角系统 测距系统测距系统

20、数据处理部分数据处理部分 通讯接口通讯接口(ji ku) 存储器存储器 显示屏及键盘等显示屏及键盘等第19页/共82页第二十页，共82页。手柄粗瞄镜光学(gungxu)对中器操作(cozu)健整平(zhn pn)脚螺旋物镜显示器基座水平制动、微动螺旋第20页/共82页第二十一页，共82页。电池(dinch)竖直制动(zh dn)、微动螺旋计算机连接(linji)插口调焦手轮目镜管水准器圆水准器第21页/共82页第二十二页，共82页。单棱镜单棱镜(lngjng)组组微型微型(wixng)棱镜棱镜三棱镜组三棱镜组第22页/共82页第二十三页，共82页。第23页/共82页第二十四页，共82页。第24

21、页/共82页第二十五页，共82页。第25页/共82页第二十六页，共82页。2=22=DDlm 为了保证桥梁施工的精度，施工时必须做好各部分的测量工作，施工测量的方法及精度要求随桥梁轴线长度而定。为了保证桥梁施工的精度，施工时必须做好各部分的测量工作，施工测量的方法及精度要求随桥梁轴线长度而定。 桥梁施工测量的内容主要包括：桥梁施工控制网的建立、桥梁墩台测设及用于施工过程中的变形桥梁施工测量的内容主要包括：桥梁施工控制网的建立、桥梁墩台测设及用于施工过程中的变形(bin xng)监测等。监测等。1）桥梁施工）桥梁施工(sh gng)控制网（平面）控制网（平面） 设置桥梁施工控制网的主要目的是：依

22、据规定的精度求得桥梁轴线的长度，并据此进行墩、台的定位（放样）。设置桥梁施工控制网的主要目的是：依据规定的精度求得桥梁轴线的长度，并据此进行墩、台的定位（放样）。 桥轴线在两岸的控制桩桥轴线在两岸的控制桩A、B间的距离，称桥的间的距离，称桥的轴线长度轴线长度。施工测量时，首先要将桥墩、台测设于轴线上。轴线长度是设计墩、台位置的依据。施工测量时，首先要将桥墩、台测设于轴线上。轴线长度是设计墩、台位置的依据。（桥位的控制桩（桥位的控制桩包含在桥的三角网中，边长一般为河宽的包含在桥的三角网中，边长一般为河宽的0.5-1.5倍倍)设墩台中心点位放样的极限误差为设墩台中心点位放样的极限误差为D D（通常

23、取（通常取D D =10 mm =10 mm），中误差为），中误差为D D / 2 / 2，则相邻二墩台中心的跨距中误差为，则相邻二墩台中心的跨距中误差为设全桥共有设全桥共有N N跨，则桥轴线长度的中误差为跨，则桥轴线长度的中误差为NNmmDlL2=第26页/共82页第二十七页，共82页。BACDABCD图 6桥 梁 施 工 平 面 控 制 网 示 意 图(a)双 三 角 形 控 制 网(b)大 地 四 边 形 控 制 网双三角形 大地(dd)四边形BCADFEDCAEFB(a)双 大 地 四 边 形 控 制 网(b)加 强 型 双 大 地 四 边 形 控 制 网图 6桥 梁 施 工 平 面

24、控 制 网 示 意 图双大地(dd)四边形 加强型大地(dd)四边形第27页/共82页第二十八页，共82页。2) 桥梁桥梁(qioling)高程控制测量高程控制测量 桥梁施工阶段，为了在河流两岸建立可靠而统一的高程系统，需将高程由河的一岸传递到另一岸。桥梁高程控制可采用跨河水准测量或光电测距三角高程的方法建立。（也可以应用差分桥梁施工阶段，为了在河流两岸建立可靠而统一的高程系统，需将高程由河的一岸传递到另一岸。桥梁高程控制可采用跨河水准测量或光电测距三角高程的方法建立。（也可以应用差分GPS测量的方法建立平面和高程控制点）测量的方法建立平面和高程控制点） 当水准路线路越江河，视线当水准路线路越

25、江河，视线(shxin)长度在长度在200m以内时，可用普通水准测量方法。当视线以内时，可用普通水准测量方法。当视线(shxin)长度超过长度超过200m时，应根据跨河宽度和仪器设备等情况，选用跨河水淮测量或光电测距三角高程方式进行观测。时，应根据跨河宽度和仪器设备等情况，选用跨河水淮测量或光电测距三角高程方式进行观测。 各水准点应沿桥轴线两侧以各水准点应沿桥轴线两侧以400 m左右的间距均匀布设，并构成连续水准环。左右的间距均匀布设，并构成连续水准环。 水准点应与相邻水准点应与相邻(xin ln)的线路水准点联测，以保证桥梁与相邻的线路水准点联测，以保证桥梁与相邻(xin ln)线路在高程位

26、置上的正确衔接。线路在高程位置上的正确衔接。 水准测量的等级、精度、限差应符合相应的规定。水准测量的等级、精度、限差应符合相应的规定。 为了便于施工监测，可根据实际需要在施工地点附近设立若干个施工水准点。为了便于施工监测，可根据实际需要在施工地点附近设立若干个施工水准点。 施工水准点的高程必须定期检测。施工水准点的高程必须定期检测。 在桥址两岸布设一系列基本水准点和施工水准点，用精密水准测量联测，组成桥梁高程控制网。在桥址两岸布设一系列基本水准点和施工水准点，用精密水准测量联测，组成桥梁高程控制网。第28页/共82页第二十九页，共82页。1.主梁线形监测主梁轴线监测 主梁高程监测2.桥墩(qi

27、odn)（塔）线形监测 轴线监测 变形监测3.斜拉索（主缆索）空间位置监测第29页/共82页第三十页，共82页。 应力监控是桥梁施工监控的基本内容之一，它直接关系到结构的安全，是结构安全的预警系统。通过应力理论值与实测值的对比，是参数估计、状态预测和调整的重要依据之一。 通过埋设应力、温度、索力、压力传感器可以达到3个目的：提供某些施工关键工况的必要信息，比如混凝土浇筑、预应力张拉、斜拉索张拉等工况的结构响应； 提供施工控制反馈分析的基本信息； 为运营(ynyng)阶段的结构长期观测服务。第30页/共82页第三十一页，共82页。一、一、 传感器的作用传感器的作用(zuyng)1. 传感器在测控

28、(c kn)系统中的位置传感器测控对象功率驱动逻辑控制执行机构数据采集信号调理计算机第31页/共82页第三十二页，共82页。2. 专家推理： 蒸汽机工业革命； 计算机信息革命； 传感器自动化革命；3. 专家预言： 谁掌握了传感器技术谁就能够(nnggu)支配新时代1115519110103473659816126 2778303431 3147111317049 4876936126165524162114需要量/万个10050信息处理电信电话交通设备控制科技测试家用电器机器人海洋飞机汽车防火健康诊断医疗环境污染热能利用光能利用食品土木建筑农林金融第32页/共82页第三十三页，共82页。二、传

29、感器分类二、传感器分类(fn (fn li)li)电参数(cnsh)型传感器电阻式传感器：电阻应变式传感器；电阻式温度传感器电容式传感器：变间隙式；变面积(min j)式；变介电常数式电感式传感器：自感式；互感式（变压器式）电涡流式传感器：输出电量的方式有四种：等效电感变化，等 效电阻变化，等效Q值变化，等效阻抗变化电量型传感器磁电式传感器压电式传感器热电式传感器光电式传感器超声波传感器第33页/共82页第三十四页，共82页。1.电阻电阻(dinz)应变式传感器应变式传感器第34页/共82页第三十五页，共82页。原理：由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件组成，在导 体产生机械形变 时，其电阻值发

30、生变化。 基于(jy)应变效应：导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象。 受到拉力F作用时，将伸长dL， 横截面积相应减小dA，电阻率改变d，从而引起电阻值相对变化。ll举例(j l)1：金属丝式传感器FFLLrrSLRLVSRVI第35页/共82页第三十六页，共82页。222/(/ )122llRlSSSSRlSRlSSrSr rr rl lRR 因为金属(jnsh)电阻率不变，电阻变化仅由体积变化产生，在塑性变形范围内泊松比0.5。第36页/共82页第三十七页，共82页。金属电阻应变片的种类 丝式、箔式电阻应变片 结构：由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组

31、成。敏感栅有丝式（电阻丝直径0.010.05mm）、箔式（金属箔栅厚度0.0030.01mm）两种形式。基片和覆盖层材料：胶膜、纸、玻璃纤维(b lixinwi)布等绝缘材料。12345丝绕式应变片1覆盖层 2基底 3引出线4粘结剂 5敏感栅第37页/共82页第三十八页，共82页。电阻(dinz)应变片的测量电路UR1R2R3R4I1,2I3,4BCD电压(diny)输出桥A: 4321时RRRR0U电阻(dinz)变化后：)(4 44332211RRRRRRRREU)(44321KE第38页/共82页第三十九页，共82页。 单应变片法的输出(shch)电压 温度(wnd)补偿法第39页/共8

32、2页第四十页，共82页。 双应变(yngbin)片法的输出电压 第40页/共82页第四十一页，共82页。 四应变片法的输出(shch)电压 第41页/共82页第四十二页，共82页。布片：布片：尽可能使片子尽可能使片子(pin zi)的方向与主应力方向一致。的方向与主应力方向一致。主应力方向(fngxing)未知时，必须由三个独力量才能确定一点的应力状态。三片45应变花04590三片60应变花060120第42页/共82页第四十三页，共82页。第43页/共82页第四十四页，共82页。第44页/共82页第四十五页，共82页。第45页/共82页第四十六页，共82页。用45应变(yngbin)花测得一

33、点的三个线应变(yngbin)后，求该点的主应变(yngbin)。0max 2)(2122max）（）（yuuxyx 2)(2122min）（）（yuuxyxyxyxu22tg045xyu第46页/共82页第四十七页，共82页。2 振弦式传感器振弦式传感器 弦乐器和乐鼓改变弦的粗细弦乐器和乐鼓改变弦的粗细(cx)(cx)和长度，或改变鼓和长度，或改变鼓皮的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。皮的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。一、工作原理一、工作原理(yunl)和测量电路和测量电路（一）工作原理（一）工作原理(yunl) 顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励

34、下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力F，可以得到，可以得到(d do)不同的振动频率不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数关系，即张力与谐振频率成单值函数关系mlFf21llElfv21=)(Ff对已定传感器：对已定传感器：Ff 第47页/共82页第四十八页，共82页。（二）弦的激发（二）弦的激发(jf)方式方式要测量要测量(cling)振弦振动频率，必须先激发振弦起振，给弦以足够的激励力。振弦振动频率，必须先激发振弦起振，给弦以足够的激励力。振弦的激振方式：振弦的激振方式：（1）

35、间歇激发）间歇激发（2）连续激发）连续激发第48页/共82页第四十九页，共82页。（1）间歇）间歇(jin xi)激发激发当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量(cling)感应电动势的频率即可测量感应电动势的频率即可测量(cling)振弦张力的大小。振

36、弦张力的大小。（2）连续）连续(linx)激发激发连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。以维持振弦的连续振荡。第49页/共82页第五十页，共82页。（三）部件性能（三）部件性能(xngnng)对传感器性能对传感器性能(xngnng)的影响的影响振弦振弦电磁铁电磁铁弦的夹紧弦的夹紧(ji jn)件件振弦式传感器的应用振弦式传感器的应

37、用(yngyng)如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。 第50页/共82页第五十一页，共82页。3 光纤传感器光纤传感器光纤传感优点：光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气

38、噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移(wiy)、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。第51页/共82页第五十二页，共82页。圆柱形内芯和包层组成圆柱形内芯和包层组成(z chn)，而且内芯的折射率略大于包层的折射率，而且内芯的折射率略大于包层的折射率第52页/共82页第五十三页，共82页。当光由光密物质当光由光密物质(wzh)出射至光疏物质出射至光疏物质(wzh)时，发生折射时，发生折射 （a）折射角大于入射角：）折射

39、角大于入射角：（b）临界状态）临界状态(ln ji zhun ti)： （c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii第53页/共82页第五十四页，共82页。把被测量(cling)的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理使光信号变为电信号，经信号处理(xn ho ch l)系统得到被测量。系统得到被测量。第54页/共82页第五十五页，共82页。l光就是一种光就是一种(y zhn)电磁波，光的电矢量电磁波，光的电矢量E )sin(tBE被测量

40、调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率的方向）、频率(pnl)和相位和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率光的强度调制、偏振调制、频率(pnl)调制或相位调制调制或相位调制第55页/共82页第五十六页，共82页。传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分分类类干干涉涉型型光纤传感器相位调光纤传感器相位调制制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度S M 、PMS M

41、 、PMS M 、PMS M 、PMS M 、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调光纤传感器强度调制制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变半导体透射率的变化化荧光辐射、黑体辐荧光辐射、黑体辐射射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反振动膜或液晶的反射射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位温度、振动、压力、加速度、位移移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调光纤传感器偏振调制制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯

42、效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调光纤传感器频率调制制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振偏振(pin zhn)保持光纤保持光纤 第56页/共82页第五十七页，共82页。（1）电绝缘。）电绝缘。（2）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高灵

43、敏度。）高灵敏度。（5）容易）容易(rngy)实现对被测信号的远距离监控。实现对被测信号的远距离监控。 光纤压力传感器光纤压力传感器强度调制型：强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。主要是利用晶体的光弹性效应。第57页/共82页第五十八页，共82页。 （1）采用(ciyng)弹性元件的光纤压力传感器1 Y形光纤形光纤2 壳体壳

44、体 3 膜片膜片膜片反射式光纤压力膜片反射式光纤压力(yl)传感器示意图传感器示意图膜片的中心膜片的中心(zhngxn)挠度挠度 34216)1 (3EtRy与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。 第58页/共82页第五十九页，共82页。l光弹性效应：

45、晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现(chngxin)双折射现象。双折射现象。1）光源）光源 2、8 ）起偏器）起偏器 3、9 ） 1/4波长波长(bchng)板板 4、10） 光弹性元件光弹性元件 5、11） 检偏器检偏器 6） 光纤光纤 7 ）自聚焦透镜）自聚焦透镜第59页/共82页第六十页，共82页。4 温度传感器温度传感器摄氏温标摄氏温标(sh sh wn bio) 是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示(bio

46、sh)。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：t=T-273.15 T=t+273.15 K华氏温标华氏温标(hu sh wn bio) 它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用 ，它和摄氏温度的关系如下：m=1.8n+32 n= 5/9 (m-32) 第60页/共82页第六十一页，共82页。4.1 温度传感器应满足(mnz)的条件特性与温度之间的关系要适中，并容易(rngy)检 测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞

47、后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。第61页/共82页第六十二页，共82页。4.2 温度传感器的种类(zhngli)及特点接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计 (3)热电偶温度计 (4)其他(qt)原理的温度计。 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出

48、红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点(yudin)是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。(1) 辐射式温度计 (2) 光纤式温度计：第62页/共82页第六十三页，共82页。（）接触式温度传感器1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.92

49、72.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合(chng h)使用。经济性好、价格便宜。（二）非接触式温度传感器l辐射高温计辐射高温计 用来测量用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计光谱高温计 前苏联研制的前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度保证有足够准确的精度(jn d)进行自动测量。进行自动测量。3超声波

50、温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快特点是响应快(约为约为10ms左右左右)，方向性强。目前国外有可测到，方向性强。目前国外有可测到5000 的产品。的产品。4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。适用于远程和特殊环境下的温度测量。第63页/共82页第六十四页，共82页。温度传感器温度传感器热电偶热电偶热电阻热电阻热敏电阻热敏电阻第64页/共82页第六十五页，共82页。4.3 热电偶温度传感器热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外

51、，还能用来测量流体的温度、测量固体以及(yj)固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 一、热电偶的工作(gngzu)原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流(dinli)产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB热端冷端第65页/共82页第六十六页，共82页。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关(

52、yugun)；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质(xngzh)的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能热电偶的两导体材料不同时才能(cinng)有热电势产生。有热电势产生。导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使。如果使E EABAB( (T T0 0)=)=常数，则回路热电势常数，则回路热电势E EABAB( (T T，T T0 0

53、) )就只与温度就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。第66页/共82页第六十七页，共82页。4.5 热敏电阻热敏电阻(r mn din z)温度传感器温度传感器热敏电阻(r mn din z)是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻(r mn din z)。热敏电阻(r mn din z)发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻(r mn din z)已逐渐取代

54、传统的温度传感器。各种各种( zhn)热敏电阻传感器结构热敏电阻传感器结构(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i)6 543 2112D0.20.5A型 B型( j )温度检测用的各种热敏电阻器探头1热敏电阻；2铂丝；3银焊；4钍镁丝；5绝缘柱；6玻璃第67页/共82页第六十八页，共82页。4.6 铂电阻温度传感器 利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量(cling)和控制200650范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量(cling)电路中的温度补偿。有时用它来测量(cling)介质的温差和平均温度。它具有比其他元件

55、良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850。123451云母(ynm)片骨架； 2铂丝； 3银丝引出线；4保护用云母(ynm)； 5绑扎用银带第68页/共82页第六十九页，共82页。在0850范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系(gun x)为 在2000范围内为： 式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值； A、B、C常数值，其中： A=3.9684710-3-1或3.9485110-3-1 B=5.84710-7-2或5.85110-7-2 C=4.2210-12-4或4.0410-12-4铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温

56、标规定，作为(zuwi)基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。Rt=R01+At+Bt2+C(t-100) t3 Rt=R0（1+At+Bt2）第69页/共82页第七十页，共82页。5 索力仪索力仪5.1目前(mqin)斜拉索索力测试方法1压力表测定法 拉索用液压千斤顶张拉时，由于千斤顶张拉油缸中的液压和张力(zhngl)有直接的关系，只要测得油缸的液压就可以求出索力。但张拉用的千斤顶油压表要用精密压力表事先标定，求得压力表的液压和千斤顶张拉力之间的关系，用此法测定的精度可达1%2%。也可以用液压传感器测定千

57、斤顶的液压，液压传感器感受液压输出相应的电讯号，送入接受仪表后即可显示压强或经换算后直接显示出张拉力，电讯号可由导线传入，因此能进行遥控，使用方便。由液压换算索力简单方便，是施工过程中控制索力比较实用的一种办法。用来测定斜拉索张拉过程中的索力，但挂索后，要用此法来测索力就十分困难，工程量大，所测索力与荷重传感器一样代表一点(张拉端)的索力。 由于液压换算索力的方法简单易行，可直接借助施工中已有的千斤顶，故是施工控制中索力量测最实用的方法之一。第70页/共82页第七十一页，共82页。2压力(yl)传感器测定法 在索力张拉时，千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索锚具，如果在连接杆上套一个穿心式的压力传

58、感器，张拉时位于千斤顶张拉活塞和连接杆螺母之间的传感器，在受压后就输出电讯号，于是就可在配套的二次仪表上读出千斤顶的张拉力。 为了减小传感器的高度，常采用孔幅式或轮幅式传感器，其精度一般可达0.5%1%。如需长期测定索力，也可以将穿心式传感器放在锚具和索孔垫板之间，进行在线监测。由于此传感器价格较高，自身重量也大，因此，这种方法(fngf)量测的精度虽好，但只能在特定场合下使用。第71页/共82页第七十二页，共82页。3振动(zhndng)频率法 这种方法是利用斜拉索的索力与振动频率之间存在对应关系的特点，对于某一根(y n)给定的拉索，通过测量拉索的振动频率，进而计算出该拉索的索力，由于此法

59、具有简单、快速的特点，在应用中通过测量斜拉索的固有频率就可计算出斜拉索的索力大小，而得到工程技术人员的青睐。第72页/共82页第七十三页，共82页。4磁通量测定法 利用放在索中的小型电磁传感器测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系推算索力。磁通量法所用的材料是电磁传感器，这种传感器由2层线圈组成(z chn)，除磁化拉索外，它不会影响拉索的任何力学特性和物理特性。对任一种铁磁材料在实验室进行几组应力、温度实验，建立磁通量变化与结构应力温度的关系后即可用来测定用该种材料制造的拉索索力。 材料中的应力变化时，磁滞曲线也发生变化。测量磁导率系数就可以(ky)推算出拉索的应力。采用脉冲信号激励时,在激励线圈中就激发一个瞬间磁场，根据法拉第电磁感应原理,磁力线在试件轴向传导。拉索磁导率系数影响磁场强弱，由于相互感应,在感应线圈中产生感应电压。进行温度补偿，最后得到拉索应力。第73页/共82页第七十四页，共82页。索力测量方法的对比(dub)第74页/共82页第七十五页，共82页。5.2频率法测试(csh)索力原理 频率测定法利用索的脉动进行索力测量，将高灵敏度的传感器绑在斜拉索上，经过信号放大(fngd)，即可测出索的自振频率，再换算成索力。测试的流程为:加速度传感器一滤波放大(fngd)器一信号分析仪一计算机和软件。用频率测定法测索力的原理如下: