工程监测技术基础知识.docx

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工程监测技术基础知识

第1章工程监测技术基础知识

1．1监测系统的组成和特性

当代科技水平不断发展，为监测技术水平的提高创造了物质条件；反过来，拥有高水平的监测理论和监测系统又会促进利技成果的不断发现和创新。

当前，随着由大规模集成电路构成的微处理器的出现，监测技术越来越朝着高精度、小型化和智能化方向发展，新型传感器的研制也是当代监测技术的重要发展内容。

现代监测技术的作用主要体现在四个方面：

（1）各种参数的测定；

（2）自动化过程中参数的反馈、调节和自控（3）现场实时检测和监控；（4）试验过程中的参数测量和分析。

只有对监测系统有一个完整的了解，才能按照实际需要设计或配置出一个有效的监测系统，以达到实际监测的目的。

按照信号传递方式来分，常用的监测系统可分为模拟式监测系统和数宇式监测系统。

一、监测系统的组成

一个监测系统可以由一个或若干个功能单元组成。

如图所示是一个完整的力学监测系统，它由四大部分组成：

荷载系统、传感器、信号变换与测量电路、显示记录系统以及数据处理和打印机等外围设备。

若要以最佳方案完成监测任务，就应该对整套监测系统的各个功能单元作全面和综合的考虑。

当然，根据监测目的和要求不同，可以只有其中的一两个部分。

1．荷载系统

荷载系统足使被测对象处于一定的受力状态下，使与被测对象（试件）有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。

常见的实验室荷载系统是千斤顶、油路及加荷加等；现场原位监测的荷载系统有时甚至是施工荷载本身。

2．测量系统

测量系统由传感器和测量电路组成，它把被测量（如力、位移）通过传感器变成电信号，经过后接仪器的变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。

传感器是整个监测系统中采集信息的关键环节，它的作用通常是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量，所以，有时称传感器为监测系统的一次仪表，其余部分为二次仪表或三次仪表。

3．信号处理系统

信号处理系统是将测量系统的输出信号进一步进行处理以排除干扰，或输出不同的物理量，如对位移量的一次微分得到速度，二次微分得到加速度等。

4．显示和记录系统

显示和记录系统是监测系统的输出环节，它是将对被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录（存贮）下来，数据显示可以用各种表盘或显示屏来实现，而数据记录则可以采用函数记录仪、光线示波器、磁盘等设备来实现。

现代监测设备通常设有专门的数据通讯接口，可以和计算机直接通讯，方便地将监测数据进行后处理，以及时得到系统的健康信息。

二、监测系统的主要性能指标

监测系统的主要性能指标有精确度、稳定性、测量范围（量程）、分辨率和传递特性等。

监测系统的主要性能指标是经济合理地选择监测系统时所必须明确提出的指标。

1．监测系统的精度和误差

监测系统的精度是指监测系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度。

精度与误差是同一概念的两种不同表示方法。

通常，监测系统的精度越高，其误差越低，反之，精度越低，则误差越大。

实际中，常用监测系统相对误差和引用误差的大小来表示其精度的高低。

绝对误差：

相对误差：

引用误差：

式中x——仪器指示值；

——真值；

——仪器测量上限。

绝对误差越小，则说明测量结果越接近被测量的真值。

实际上，真值是难于确切测量的，因此，常用更高精度的仪器测得的值X。

代替真值（叫约定真值）。

在使用引用误差表示监测仪器的精度时，应尽量避免仪器在靠近测量下限的1/3量程内工作，以免产生较大的相对误差。

相对误差可用来比较同一仪器不同测量结果的准确程度，但不能用来衡量不同仪表的质量好坏，或不能用来衡量同一仪表当不同量程时的质量。

因为对同一仪表在整个量程内，其相对误差足一个变值，随着被测量量程的减少，相对误差是增大的，则精度随之降低。

当被测量值接近到量程起始零点时，相对误差趋于无限大。

实际中，常以引用误差来划分仪表的精度等级，可以较全面地衡量测量精度。

2．稳定性

仪器示值的稳定性有两种指标。

一是时间上稳定性，以稳定度表示，二是仪器外部环境和工作条件变化所引起的示值不稳定性，以各种影响系数表示。

（1）稳定性它是由于仪器中随机性变动、周期性变动、漂移等引起的示值变化。

一般用精密度的数值和时间长短同时表示。

例如每8h内引起电压的波动为1.3mV，则写成稳定度为1.3mV/8h。

（2）环境影响是指仪器工作场所的环境条件，诸如气温、大气压、振动等外部状态以及电源电压、频率和腐蚀气体等因素对仪器精度的影响，统称环境影响，用影响系数表示。

例如，周围介质温度变化所引起的示值变化，可以用温度系数氏

（示值变化/温度变化）来表示。

电源电压变化所引起的示值变化，可以用电源电压系数

（示值变化/电压变化率）来表示，如

=0.02mA/10％，表示电压每变化10％引起示值变化0.02mA。

3．测量范围（量程）

系统在正常工作时所能测量的最大量值范围。

4．分辨率

分辨率是指系统能够检测到的被测量的最小变化值，也叫灵敏阈。

若某—位移监测系统的分辨率是0.5

，则当被测的位移小于0.5

时，该位移监测系统将没有反应。

工程上通常要求测定仪器在零点和90％满量程点所对应的分辨率。

显然，分辨率的数值愈小愈好，但分辨率越小通常也意味着其造价更高。

5．传递特性

传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。

了解测量系统的传递特性对于提高测量的精确性和正确选用系统或校准系统特性是十分重要的。

对不随时间变化（或变化很慢而可以忽略）的量的测量称为静态测量；对于随时间而变化的量的测量叫作动态测量。

与此相应，监测系统的传递特性也分为静态传递特性和动态传递特性。

描述监测系统静态测量时输入——输出函数关系的方程、图形、参数称为监测系统的静态传递特性。

描述监测系统动态测量时的输入——输出函数关系的方程、图形、参数称为监测系统的动态传递特性。

作为静态测量的系统，可以不考虑动态传递特性；而作为动态测量的系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性；因为监测系统的精度很大程度上与其静态传递特性有关。

（a）灵敏度（b）线性度（c）回程误差

二、监测系统的主要静态特性参数

根据标定曲线可以分析监测系统的静态特性。

描述监测系统静态特性的参数主要有灵敏度、线性度（直线度）、回程误差（滞迟性）。

1．灵敏度

对监测系统输入一个变化量

，就会相应地输出一个变化量

，则监测系统的灵敏度为：

对于线性系统，其灵敏度为常数。

无论是线性系统还非线性系统，灵敏度都是系统特性曲线的斜率。

若监测系统的输出和输入的量纲相同，则常用“放大倍数”代替“灵敏度”，此时，灵敏度S无量纲。

但输出与输入是可以具有不同量纲的。

2．线性度（直线度）

标定曲线与理想直线的接近程度称为监测系统的线性度，如图所示。

它是指系统的输出与输入之间是否保持理想系统那样的线性关系的一种量度。

由于系统的理想直线无法获得，在实际中，通常用一条反映标定数据的一般趋势而误差绝对值为最小的直线作为参考理想直线代替理想直线。

若在系统的标称输出范围（全量程）A内，标定直线与参考理想直线的最大偏差为B，则线性度

可用下式表示：

参考理想直线的确定方法目前尚无统一的标准，通常的做法是：

取过原点，与标定曲线间的偏差的均方值为最小的直线，即最小二乘拟合直线为参考理想直线，以该直线的斜率的倒数作为名义标定因子。

3．回程误差

回程误差系指在相同监测条件下和全量程范围A内，当输入由小增大和由大减小的行程中，对于同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值

与量程A的比值的百分率，即：

1．2监测系统选择的原则与标定

一、监测系统选择的原则

选择监测系统的根本依据是监测的目的和要求，但是，若要达到技术上合理和经济上节约，则必须考虑一系列因素的影响。

下面针对系统的各个特性参数，就如何正确选用监测系统予以概述。

1，灵敏度

监测系统的灵敏度高意味着它能检测到被测物理量更微小的变化，即被测量稍有变化则测量系统就有较大的输出，并能显示出来。

但灵敏度愈高，往往测量范围愈窄，稳定性也愈差，对噪声也愈敏感。

在土木工程监测中，被测物理量往往变换范围比较大，所需要的是相对精度在一定的允许值，而对其绝对精度的要求通常不是很高，因此，在选择仪器时，最好选择灵敏度有若干挡可调的仪器，以满足在不同的监测阶段对仪器不同灵敏度的监测要求。

2．准确度

准确度表示监测系统所获得的测量结果与真值的一致程度，并反映了测量中各类误差的综合。

准确度越高，则测量结果中所包含的系统误差和随机误差就越小。

监测仪器的准确度越高，价格就越昂贵。

因此，应从被测对象的实际情况和监测要求出发，选用准确度合适的仪器，以获得最佳的技术经济效益。

在土木工程监测中，监测仪器的综合误差为全量程的1-2.5%时，这样准确度基本能满足施工监测的要求。

误差理论分析表明，由若干台不同准确度组成的监测系统，其监测结果的最终准确度取决于准确度最低的那一台仪器。

所以，从经济性来看，应当选择同等准确度的仪器来组成所需的测量系统。

如果条件有限，不可能做到等准确度，则前面的环节的准确度应高于后面环节，而不能组成与此相反的配置。

3．线性范围

任何监测系统都有一定的线性范围。

在线性范围内，输出与输入成比例关系，线性范围越宽，表明监测系统的有效量程越大。

监测系统在线性范围内工作是保证测量准确度的基本条件。

然而，监测系统是不容易保证处于绝对线性的，在有些情况下，只要能满足测量的准确度，也可以在近似线性的区间内工作。

必要时，可以进行非线性补偿或修正，非线性度是监测系统综合误差的重要组成部分，因此，非线性度总是要求比综合误差小。

4．稳定性

稳定性表示在规定条件下，监测系统的输出特性随时间的推移而保持不变的能力，影响稳定性的因素是时间、环境和监测仪器的器件状况。

在输入量不变的情况下，监测系统在一定时间后，其输出量发生变化，这种现象称为漂移。

当输入量为零时，监测系统也会有一定的输出，这种现象称为零漂；漂移和零漂多半是由于系统本身对温度变化的敏感以及元件不稳定（时变）等因素所引起的，它对监测系统的准确度将产生影响。

土木工程监测的对象是在野外露天和地下环境中的岩土介质和结构，其温度、湿度变化大，持续时间长，因此对仪器和元件稳定性的要求比较高，所以，应充分考虑到在监测的整个期间，被测物理量的漂移以及随温度、湿度等引起的变化与综合误差在同一数量级。

5．各特性参数之间的配合

由若干环节组成的—个监测系统中，应注意各特性参数之间的恰当配合，使监测系统处于良好的工作状态。

譬如，一个多环节组成的系统，其总灵敏度取决于各环节的灵敏度以及各环节之间的联接形式（串联、并联），该系统的灵敏度与量程范围是密切相关的，当总灵敏度确定之后，过大或过小的量程范围，都会给正常的监测工作带来影响。

对于连续刻度的显示仪表，通常要求输出量落在接近满量程的1/3区间内，否则，即使仪器本身非常精确，测量结果的相对误差也会增大，从而影响监测的准确度。

若量程小于输出量，很可能使仪器损坏。

由此来看，在组成监测系统时，要注意总灵敏度与量程范围匹配。

总之，在组成监测系统时，应充分考虑各特性参数之间的关系。

除上述必须考虑的因素外，还应尽量兼顾体积小、重量轻、结构简单、易于维修、价格便宜、便于携带、通用化和标准化等等一系列因素。

二、传感器选择的原则

选择传感器首先是确定传感器的量程，为此要了解被测物理量在监测期间的最大值和变化范围，这项工作有三条途径来实现，第一是查阅工程设计图纸、设计计算书和有关说明；第二是根据已有的理论估算，第三是由相似工程类比。

传感器的量程一般应确定为被测物理量预计最大值的2倍左右。

然后需要了解和掌握监测过程中对传感器的性能要求，一般来说，对传感器的基本要求是：

（1）输出与输入之间成比例关系，直线性好；

（2）滞后、漂移误差小；

（3）不因其接入而使监测对象受到影响；

（4）抗干扰能力强，即受被测量之外的量的影响小；

（5）重复性好，有互换性；

（6）耐久性好，能长期使用；

（7）容易维修和校准。

在选样传感器时，使其各项指标都达到最佳是最好的，但这样就不经济。

实际上也不可能满足上述全部性能要求。

在固体介质（如岩体）中测量时，由于传感器与介质的变形特性不同，且介质变形特性往往呈非线性，因此，不可避免地破坏了介质的原始应力场，引起了应力的重新分布。

这样，作用在传感器上的应力与未放入传感器时该点的应力是不相同的，这种情况称为不匹配。

因此引起的测量误差称为匹配误差。

在选择和使用固体介质中的传感器时，其关键问题就是要使之与介质相匹配。

为寻求传感器合理的埋没和使用方法，以减小匹配误差和埋设条件的影响，需要解决如下两个问题；

（1）传感器需要满足什么条件才能与介质基本匹配?

（1）在传感器与介质不匹配的情况下，传感器上受到的应力与原应力场中该点的实际应力的关系如何?

以及在不匹配情况下，传感器需满足什么条件才适合测量岩土中的力学参数，使测量误差为最小?

由弹性力学的基本原理可知，均匀弹性体变形时，其应力状态可由弹性力学基本方程和边界条件决定。

当传感器放入线性的均匀弹性岩土体中，并且假定其边界条件与岩体结合得很好，传感器放入前后的应力场才相同。

当边界条件相同时，对于各向同性弹性材料，决定弹性力学基本方程组的解的因素只有弹性常数，因此，静力完全匹配条件是传感器与介质的弹性模量

和泊松比

相等（如静力问题要考虑体积力时，则还须密度

相等）。

而动力完全匹配条件是传感器与介质的弹性模量

、泊松比

、密度

相等。

在波动力学中，只有当传感器的动力刚度

与介质的动力刚度

相等时（c为波速，对各向同性均匀弹性材料，只与弹性模量

、泊松比

有关；

为密度），才不会产生波的反射，也就是达到动力匹配。

显然，要实现完全匹配是很困难的，因此，选择传感器器时，只能是在不完全匹配的条件下使传感器的特性按一定规律变化，并力求使由此产生的误差为已知，从而可做必要的修正。

压力盒是最典型的埋入式传感器。

根据国内外的研究，对压力盒的各结构参数选择有如下建议：

（1）压力盒的外形尺寸，应满足厚度与直径之比H/D≤0.1～0.2，压力盒直径D要大于土体最大颗粒直径的50倍，还应考虑压力盒直径D与结构特性尺寸的关系及与介质中应力变化梯度的关系。

（：

）传感器与介质变形特性之间关系——刚度匹配问题。

理论和实践研究表明：

传感器的等效变形模量

与介质变形模量

之比应满足

=5-10。

压力盒与被测岩体泊松比之间不匹配引起的测量误差较小，可以忽略不计。

（3）带油腔的压力盒，传感器的感受面积

与全面积

之比应小于0.7。

当传感器直径小于lOcm时，应使

为好。

当传感器的变形模量

远大于介质变形模量

时，上述面积比的条件在选择土压力传感器时就并非主要控制因素了。

（4）动力匹配问题。

由动态完全匹配条件得知，这条件过于苛刻，故在实际选择时，一般使传感器在介质中的最低自振频率为被测应力波最高谐波频率的3～5倍，并且使传感器的直径必须远远小于应力波的波长，另外，应使传感器的质量与它所取代的介质的质量充分接近而达到质量匹配。

在埋设测斜管、分层沉降管、多点位移计锚固头、土压力盒和孔隙水压力计的过程中，充填材料和充填要求也应遵循静力匹配原则，即充填材料的弹性模量、密度等都要与原来的介质基本一致，所以同样是埋设测斜管，在砂土中可以用四周填砂的方法；在软粘土中，最好分层将土取出，测斜管就位后，分层将土回填到原来的土层中；而在岩体中埋设测斜管，则要采取注浆的方法，注浆体的弹性模量与密度要与岩体的相匹配，埋设其它元件时，充填的要求与此类似。

三、仪器和传感器的标定

传感器的标定（又称率定），就是通过试验建立传感器器输入量与输出量之间的关系，即求取传感器的输出特性曲线（又称标定曲线）。

由于传感器在制造上的误差，即使仪器相同，其标定曲线也不尽相同，因此，传感器在出厂前都分别做了标定，在购买的传感器到货时，必须检验各传感器的编号及与其对应的标定资料。

传感器在运输、使用等过程中，内部元件可能会因外部环境影响和内部因素变化而使输入——输出特性变化，因此，必须在使用前或定期进行标定。

标定的基本方法是利用标准设备产生已知的标准值（如已知的标准力、位移等）作为输入量，输入到待标定的传感器中，得到传感器的输出量，然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较从而得到标定曲线。

另外，也可以用一个标准监测系统，去测未知的被测物理量，再用待标定的传感器器测量同一个被测物理量，然后把两个结果作比较，得出传感器的标定曲线。

标定造成的误差是一种固定的系统误差，对监测结果影响大，故标定时应尽量设法降低标定结果的系统误差和偶然误差，提高标定精度。

为此，应当做到：

（1）传感器的标定应该在与其使用条件相似的状态下进行；

（2）为了减小标定中的偶然误差，应增加重复标定的次数和提高监测精度。

对于重复使用的传感器，建议在使用前、后均作标定，两者的误差在允许的范围内才确认监测结果有效，以避免传感器在使用过程中损坏引起的误差。

传感器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同，对于荷载、应力、应变传感器等的静力标定方法是利用压力试验机进行标定。

更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定。

位移传感器的标定则是采用标准量块进行。

为社会提供公正数据的监测系统，其传感器必须定期到省、市级法定计量认证机构（省、市质量技术监督局）去标定。