工程测试技术复习 1.docx

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工程测试技术复习1

工程测试技术

绪论

工程测试技术

测试技术的基本概念：

测量技术和试验技术的总称（利用现代测试手段对各种物理信号的测量、检查、试验、分析）；是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法；是进行科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着延伸人的感官的作用。

土木工程测试

对于土木工程领域各种参数（物理量）的测试；以服务于土木工程研究、设计、施工为主要目的。

土木工程测试的必要性

是土木工程结构试验、结构检测、监测的基础；由土木工程问题的复杂性（荷载、内力、变形规律等）决定。

测试技术分类－按用

机械式

电测式

电量电测

非电量电测

千分表

游标卡尺

天平

流量计

秒表

光学显微镜

？

电量Q

电压U

电流I

电容C

电感L或M、电阻R

？

压力

变形

振动

湿度

温度

流量

？

※测试技术分类（信号传输形式）：

模拟测试系统

数字测试系统

※传感器国标（GB7665－87）：

能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

※测试和检验技术的核心，又称为变换器、变送器、测试元件等，在声学测试中称为换能器或探头。

电磁、光电、热电、压电和逆压电、光学（光弹、云纹、全息摄影）、声学、味敏、机械式（含液压、同位素（放射性测量）

注意区分几个概念：

测量、测试

试验、实验

检验、检测、监测

第一章测试的技术基础

§1-1测试系统的组成及其主要性能指标

一、测试系统的组成

传感器：

感测物理量并转换为电量,又称为“一次仪表”；

中间转换装置：

接受传感器输出的电信号，通过硬件电路或软件进行信号转换、处理；

显示记录装置：

显示测量结果，提供给观察者或自动控制装置。

荷载系统：

液压、重力、气压、杠杆、弹簧

测量系统：

包括：

传感器、信号变换与测量电路；

信号变换与测量电路：

使用较多的是电桥电路和放

大电路，此外，还有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。

最简单情况，测量电路就是传感器和测量仪器之的导线。

信号处理系统：

对输出信号的处理

显示记录系统：

显示测量结果，提供给观察者或自动控制装置。

多被计算机取代。

二、测试系统的主要性能指标

1精度和误差

精度：

测试系统给出的被测量的指示值（测量值）与真值（常用约定真值代替）的接近程度

绝对误差:

相对误差:

引用误差:

式中：

分别代表仪器的指示值、真值、测量上限。

2稳定性

稳定度：

时间上的稳定性

影响因素：

周期性波动、随机性波动，漂移

表示方法：

数值波动幅度/相应的时间长度

例：

δs＝1.3mV/8h；δs＝0.3ε/d

环境影响：

表示方法：

影响系数

温度系数βr＝0.3Ω/℃；，电源电压系数βu＝0.02mA/10%

3测量范围（量程）

系统正常工作时的最大测量范围；动态测量中，需考虑工作频率范围

4分辨率（灵敏阈）

系统能够测量出的最小变化量；通常要求测定仪器在零点和90%满量程时的分辨率。

5传递特性

概念：

是指测试系统的输入～输出关系。

静态测量：

输入量不随时间变化（或变化很慢可忽略）

静态传递特性：

静态测量的输入～输出关系

静态测量系统可仅考虑静态传递特性；

动态测量：

输入量随时间变化

动态传递特性：

动态测量的输入～输出关系

动态测量系统必须同时考虑系统的静、动态传递特性。

§1-2线性系统及其主要性质

一、线性系统

输入、输出之间具有确定的、线性关系；

线性定常系统的方程（常系数线性微分方程）

2线性系统的主要特性

假定：

XY，X1Y1，X2Y2

叠加性：

X1+X2Y1+Y2

齐次性（比例性）：

cXcY

微分特性：

XY

积分特性：

XY

频率保持特性：

x（t）＝Asin（ωt+φ）

y（t）＝Bsin（ωt+ξ）

利用该特性可以消除干扰（其它频率的信号）。

例题1:

对某线性装置输入简谐信号x（t）＝Asin（ωt+φ），若输出为y（t）＝Bsin（θt+ξ），请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述它们之间的关系。

解:

B=kA（幅值变化）

θ=ω（频率不变）

ξ=φ-C（相位变化）

例题2：

滑动变阻器可以实现位移测试，能否测量速度和加速度？

磁电式传感器能够测移动速度，能否测量位移和加速度？

答：

均可以利用微分特性和积分特性实现测量。

§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数

一、静态方程和标定曲线

静态方程：

标定曲线：

二、测试系统的主要静态特性参数

（1）灵敏度

线性系统：

注意量纲：

例如S=100mV/mm；输入、输出量纲相同时称为“放大倍数”

数字仪表：

分辨力

注意：

测试系统由若干环节串连而成，则系统灵敏度等于各环节灵敏度的乘积。

（2）非线性度

定义：

标定曲线（试验确定的实际工作曲线）与理想直线（常用参考理想直线代替）的接近程度。

B——全量程内输出量最大偏差

A——标称输出范围（即量程）

定义：

相同测试条件下，输入量由0增大至满量程，以及由满量程减小到0的过程中，同一输入量所得到的两个输出值的最大偏差与满量程A的百分比。

原因：

由滞后和不工作区（死区）引起。

（4）环境影响与对应措施

环境影响因素：

温度、湿度、气压、电源电压、接地条件、绝缘电阻

系统表现：

漂移：

输入量不变,输出量随时间变化

零点漂移：

零输入条件下的漂移

灵敏度漂移：

由于灵敏度的变化引起的校正曲线斜率的变化

减少环境影响的措施：

隔离、补偿、增益反馈、计算机修正补偿

例题3：

某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度S=90.0μv／MPa，将它与增益为0.005V／μv的电压放大器相连，输出到灵敏度为的20mm／v笔式记录仪上。

（1）求系统的总灵敏度。

（2）当△P=5.0MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量?

解：

总灵敏度K=K1×K2×K3

=90μv/MPa×0.005V/μv×20mm／v

=9mm/MPa;

偏移量W=K×△P=9mm／MPa×5.0MPa=45mm

§1-4测试系统的动态传递特性及其测定

一、动态传递特性

传递函数、频率的传递函数、频率响应函数

1传递函数

※拉普拉斯变换

定义式：

设有一函数f（t）[0,∞]或0≤t≤∞单边函数

其中，S=σ+jω是复参变量，称为复频率。

左端的定积分称为拉普拉斯积分，又称为f（t）的拉普拉斯变换；右端的F（S）是拉普拉斯积分的结果，此积分把实数域域中的单边函数f（变换为以复频率S为自变量的复频域函数F（S），称为f（t）的拉普拉斯象函数。

以上的拉普拉斯变换是对单边函数的拉普拉斯变换，称为单边拉普拉斯变换。

输入、输出关系可用微分方程描述。

在输入x（t）、输出y（t）以及各阶导数的初始值均为零的情况下，对微分方程进行拉普拉斯变换（简称拉式变换），得

输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比即为传递函数

※拉普拉斯变换

（1）拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息。

变换前后两个方程等价。

（2）传递函数是一个代数有理分式函数，其特征容易识别与研究。

而考察微分方程的特性困难。

说明：

（1）传递函数实质是以复数域（s=a+jb）中的象函数X（s）、Y（s）的代数式去代替实数域中原函数x（t）、y（t）的微分方程式。

（2）H（s）是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的，所以同一个传递函数可以表示具有相同的传输特性的不同系统。

（3）传递函数H（s）用于描述系统本身固有的特性，与输入X（t）的表达式无关。

X（t）不同时，Y（t）的表达式不同，但传递函数H（s）保持不变。

（4）传递函数H（s）分母完全由系统的结构决定，而分子则和待测变量及测点布置情况有关。

2串、并联环节的传递函数

串联系统

并联系统

3频率响应函数

※传递函数的傅式变换

物理意义：

频率响应函数时描述系统的正弦输入和其稳定输出的关系，对于稳定的常系数线性系统，若输入为正信号，则稳态时的输出是与输入为同一频率的正弦信号；输出的幅值和相角通常不等于输入的幅值和相角，输出和输入幅值比和相位差都是输入频率的函数，并反映在系统的幅频特性和相频特性中。

3频率响应函数

幅频特性：

相频特性：

幅频特性：

当输入正弦信号的频率沿频率轴滑动时，输出、输入正弦信号振幅之比随频率的变化规律

相频特性：

输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律

※频率响应函数与传递函数的区别

传递函数中的s换成jω便得到了频率响应函数。

传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦激励，不仅描述了测量装置的稳态特性．也描述了它的瞬态特性。

频率响应函数是在正弦信号激励下，测量装置达到稳态后输出与输入之间的关系。

4常见测试系统的传递函数和频率响应特性

（1）一阶系统

幅频特性

相频特性

（2）二阶系统

固有频率

阻尼比

传递函数

灵敏度

频率响应特性

幅频特性相频特性

三、信号的失真及不失真测量条件

1定义

不失真测试（传递）实质:

系统的响应波形（输出）与输入波形完全相似。

可保持原信号的特性和全部信息。

2不失真条件

幅频函数为常数:

相频函数为线性（过原点的直线）:

§1-5测试系统选择的原则

※灵敏度

对干扰的敏感。

灵敏度高，测量范围小，稳定性差

※准确度

价格影响。

前面环节的准确度高于后面环节的准确度

※响应特性

不失真，延迟时间短

※线性范围

保证在近似线形区间工作

※稳定性

适应环境，零漂和漂移

※测量方式

满足实际的工作条件，在现场实时条件

※匹配性

总结内容

※测试系统的组成

荷载系统、测量系统、信号处理系统、显示和记录系统

※主要性能指标

线形系统的性质

※系统静态和动态参数

※系统信号不失真传递的条件

※系统选择的原则

第二章传感器

§2-1概述

1.传感器定义（GB7665一87）

能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

狭义定义指传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。

2.传感器构成

3.传感器的分类

1）按被测物理量分类

常见的被测物理量：

机械量:

长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;

声:

声压,噪声.

磁:

磁通,磁场

温度:

温度,热量,比热.

光：

亮度，色彩

2）按输入信号变换成电信号的效应分类

物理式：

光敏传感器、压力传感器、磁敏传感器、

热敏传感器

化学式：

气敏传感器、荧光传感器

生物式：

酶传感器、微生物传感器、细胞传感器

3）按信号变换特征：

能量转换型:

直接由被测对象输入能量使其工作.

（有源）例如:

热电偶温度计,压电式加速度计.

能量控制型:

从外部供给能量并由被测量控制外部

（无源）供给能量的变化.例如:

电阻应变片.

4）按敏感元件与被测对象之间的能量关系:

物性型:

依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:

水银温度计.

结构型:

依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.

例如:

电容式和电感式传感器.

5）传感器的命名原则

主题词加四级修饰语构成：

主要技术指标－特征描述－变换原理－被测量

100mm应变式位移传感器

2MPa钢弦式压力传感器

15t电阻式荷重传感器

（1）统计表格、图书索引、检索中正序。

“传感器，位移，应变式，100mm”

（2）技术文件、产品样本、论文、书刊，反序。

“10mm差动变压器式位移传感器”

（3）实际应用中，可省略。

4.应力计和应变计原理

K<>k，应力计

§2-2电阻式传感器

概念：

把被测量转化为电阻变化的一种传感器。

按工作原理分类：

电阻应变式（核心为：

电阻应变片）

电位计式

压阻式

基本原理:

1电阻应变式传感器：

应变片＋弹性元件＋附件

工作原理：

基于电阻应变效应

电阻应变式传感器应用：

力、压力、压强、位移

2 电位计：

精度0.05～0.025mm

电位计的使用－变阻器与分压器

电位器的优点是：

1）结构简单，尺寸小，重量轻，价格低廉且性能稳定；

2）受环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响小；

3）可以实现输出—输人间任意函数关系；

4）输出信号大，一般不需放大。

缺点是：

1）因为存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，使分辨力较低；

2）动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。

3、压阻式传感器△F→△R

压阻效应：

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

压阻式传感器的优点是：

1）灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；

2）分辨率高，例如测压力时可测出10—20Pa的微压；3）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；

4）可测量低频加速度和直线加速度。

其最大的缺点是温度误差大，故密温度补偿或在恒温条件下使用。

§2-3电感式传感器

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。

特点：

1）结构简单可靠

2）分辨力高

3）零点漂移少，小于0.1μm

4）线性度好

5）输出功率大

6）不宜动态测量，响应时间长。

基本原理：

电磁感应

1自感型：

（1）可变磁阻型

（2）涡流式

金属板置于变化磁场中或在磁场中运动时，在金属板种产生感应电流，测量范围0~2mm，分辨力可达到1um。

2互感型--差动变压器

工作原理：

互感现象

互感型--差动变压器

特点：

线性范围大、精度高、稳定性好、使用方便

§2-4钢弦式传感器

1工作原理

传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦。

钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。

2构造和性能

单膜式

双膜式

钢弦式应变计

3频率计

基本原理：

发出脉冲信号输入压力盒的电磁线路，激励钢弦产生振动，钢弦的振动在电磁线路内产生交变电动势，输入频率仪放大器后，示波，得到频率。

4钢弦式传感器的特点

优点：

（1）抗干扰强，特别是长导线、复杂条件下传输信号，常时稳定性好。

对岩土工程尤为重要。

（2）结构简单，价格低。

（3）稳定性好，高防水性能，密封良好

（4）温度影响小，振弦式传感器的附带测温功能

缺点：

（1）对夹具要求特别高。

（2）对钢弦要求高。

5常用的钢弦式传感器

（1）土压力计

用来测量土方和堤坝的总压力。

（2）混凝土应力计

用于钢筋混凝土建筑体（如大坝）内，测量混凝土各个不同方向上的应力。

（3）荷载盒（测力计）

荷载盒由经过热处理的高强度合金钢元筒组成，合金钢园筒内安装有3～6个高精度振弦传感器测量施加到园筒上的载荷。

由于采用多个传感器，可以消除不均匀及偏心负荷的影响通（并可测出偏心荷载的大小）。

（4）锚索测力计、钢筋计

斜拉桥、大坝、岩土工程边坡、大型地基基础、隧道等处对锚索或锚杆拉力进行检测，及对其应力变化情进行监测；振弦式钢筋计可长期埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内，测量结构内部的钢筋应力。

（5）振弦式位移传感器

§2-5电容式、压电式、压磁式传感器

1电容式传感器：

将被测量（尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的传感器。

工作原理：

δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。

a）极距δ变化型

b）面积变化型

c）介质变化型

特点：

1）温度稳定性好

2）结构简单适应性强

3）动态响应好

4）非接触测量

5）输出阻抗高，负载能力小

6）寄生电容影响大。

应用举例：

电容式测厚仪

电容式转速传感器

2压电式传感器

基本原理：

压电效应（外力作用下激起晶体表面荷电的现象，逆压电效应）

压电材料：

压电单晶体（石英）、多晶体压电陶瓷（钛酸钡）

常用结构形式：

并联时间常数大，适宜用在测量慢变信号；

串联适于电路输入阻抗很高的时候。

应用举例：

加速传感器

测力传感器

3压磁式传感器

基本原理：

压磁效应（铁磁材料受机械力作用，内部产生机械效应力，从而引起导磁系数发生变化）

特点：

输出功率大、抗干扰能力强、精度较高、寿命长、维护方便、适应恶劣工作环境；线性和稳定性差。

§2-6热电式传感器

热电阻、热敏电阻传感器

△T→△ρ、△L、△A→△R

中低温区（-200-850℃）

精度高，线性好，稳定

体积大，易氧化，热惯性大

铂热电阻基准仪

材料：

铂、铜，铟、镍、钴、锰和铑

优点：

阻值变化大，灵敏度高

半导体材料制成

体积小

可测点温度和固体表面温度

缺点:

复现性和互换性差

阻值与温度呈非线性

注：

本节内容参考刘迎春《传感器原理设计与应用》或其它教材学习！

一、基本原理

温度变化→电阻、电势变化

常见类型：

热电偶、热电阻、半导体热敏电阻

二、热电偶

热电效应：

两种不同金属组成的闭合回路中，当两接触点处的温度不同时，回路中产生热电势的现象

注：

总热电势取决于材料性质、两端点温度

热电偶组成

两种不同的导体（热电极）

工作端（热端）

参考端（冷端）

热电偶类型:

标准化热电偶：

铂铑10－铂；铂铑30－铂铑6；镍铬－镍硅；镍铬－镍铅；镍铬－考铜；镍铬－康铜；铜－康铜。

非标准化热电偶：

铁－康铜；钨－钼等

热电偶结构:

普通型、铠装型、小惯性热电偶

热电势测量:

热电式温度表（直流毫伏计）

伺服式温度表（自平衡电位差计）

热电偶标定:

定点法、比较法

热电阻测温就基本定律:

1）均质导体定律

两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电偶直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。

2）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。

3）参考电极定律

两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：

铂的物理化学性质稳定，多采用铂作为参考电极。

热电偶的冷端温度及其补偿

只有在热电极材料一定，其冷端温度保持不变，热电势才与工作温度保持单值函数。

实际工程测试中，冷端温度常随工作环境变化，造成测量误差。

冷端温度修正

冷端温度补偿

注：

查阅参考书《传感器的原理设计及应用》作者：

刘迎春，国防科技大学出版社。

P149~P150.

测温方法:

关键：

借助“分度表”或“分度曲线”；

分度表：

令热电偶冷端温度恒为0℃，在工作端为不同温度时，测定出相应的热电势制成的表.

冷端温度为0℃时：

测出回路中热电势E（Tn，0;

查表或曲线确定工作端温度。

冷端温度非0℃时：

进行“冷端温度修正”；

进行“冷端温度补偿”。

“冷端温度修正”方法：

热电势修正法（利用“中间温度定律”）

已知冷端温度为Tn,查出：

测定出：

计算出:

查分度表得到工作端温度T。

温度修正法（利用热点偶修正系数k）

设T’为仪器指示温度；Tn为冷端温度,k为热电偶的修正系数。

则工作端温度:

例题：

用镍铬－镍硅热电偶测炉温，冷端温度T0=30℃时，测得热电势E（T,T0）=39.17mV,求实际炉温？

解：

法1——热电势修正法

由T0=30℃,查出：

E（30,0）=1.2mV

计算：

E（T,0）=E（T,30）+E（30,0）=39.17+1.2=40.37mV

查分度表得：

T=977℃

法2：

温度修正法

由E（T,T0）=39.17mV直接查分度表得指示温度:

T=946℃

由热电偶类型查得:

k=1

实际炉温:

T=T’+kTn=946+1×30=976℃

“冷端温度自动补偿”方法：

实质：

进行电势补偿

电桥补偿法

原理:

利用电桥的不平衡电压,消除冷端的温度变化影响；

“冷端温度补偿器”串连在回路中；

同样的温度变化，使热电偶、补偿器产生“数值相等，符号相反”的电势，相互抵消，实现补偿。

注意：

冷端补偿器～热电偶选型的匹配。

Pn结冷端温度补偿法（略）

延引热电极法（略）

注：

参见有关教材自学

§2-7其它传感器

1磁电式传感器

基本原理：

电磁感应，产生感应电动势

（1）恒定磁通式

（2）霍尔传感器

基本原理：

霍尔元件基于霍尔效应，产生感应电动势

应用举例：

位移传感器、霍尔乘法器

（3）磁阻效应传感器

基本原理：

磁阻效应

2光电式传感器

（1）外光电效应（在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象）

（2）内光电效应（受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应）

3气敏传感器

基本原理：

半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质发生变化，测量特定气体的成分或者浓度将成分和浓度转变为电信号，进行监测和报警。

4湿度传感器

基本原理：

利用湿敏元件进行湿度测量和控制。

湿敏元件利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化。

5水分传感器

基本原理：

将水分含量转换成电信号进行测定和表示高分子物质的电阻与含水率有关。

6光纤传感器

基本原理：

外界因素（温度、压力、电场、磁场等）变化时，传光特性（相位和光强）会发生变化。

§2-7传感器的选择和标定

1传感器的选择

输入输出线性好，灵敏度高

滞后、偏移误差小

动态特性好

功耗小

对测试对象影响小

抗干扰能力强

重复性好，有互换性

抗腐蚀性好，能长期使用

易维修和校准

2压力盒的选择和埋设要求

静力匹配

弹性模量

泊松比

密度

3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，求出传感器输出特性曲线（标定曲线）

标定方法：

标准输出设备→非电量标准值

标准测试系统→未知的非电量

要求：

（1）传感器的标定应该在其使用条件相似的状态下进行；

（2）被测对象的f＜30Hz时，可只作静标定。

（3）重复标定的次数和提高测试精度，减小偶然误差。

（4）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；对于测动态压力的压力盒，则最后须作动态标定。

在介质中标定时，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面的一致。

4压力传感器的标定

静态校准：

确定压力传感器或压力测量系统的静态灵敏度及各种静态误差，

动态校准：

确定其动态响应特性。

（1）油压标定

（2）埋入式压力传感器的砂压标定

（3）接触式压力传感器

（4）用材料试验机标定法

5位移传感器的标定-标定架

本章总结

1传感器的分类及各类传感器的工作原理

2传感器的选择和埋设要求

3传感器的标定

第三章电阻应变测量技术

§3-1电阻应变片

1）电阻应变测试技术的优点

（1）测量范围广、灵敏度和精确度高；

（2）应变片尺寸小、重量轻、惯性小，对被测试件工作状态和应力状态影响极小；

（3）频率