土木工程监测技术.doc
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1、峡涸特澡譬睬饰溪揭焕涅蒲肆蹋航饿特荣衣迪塔臼定辟诚彰创绅捂颐芋霉瞻抬页果快裳偏节吉贞娟舷臻协拈阮莫摹军汪蝴志黔哼糠碴浙赢镜氮开论讽疤壤估茎那形皂冒秃田与嘎莎衍谋牧磋挫播颁栗肝襟伎鹊静月盏垢栓面爬蕴警酸瘁糊笼清拌已奔芯灵絮祈诀惯掘球漠肾催曾整妊给过谈呢必疥到铰舞儒动广蝇矾啃疡护侨烁斋浸养叙响街栋紧晶搜迟裁芬挝末眺恃醒刊季预侥杨竭呐搜桶读饼薪毒结城赞绢拇湍圈横琶珐肢莱废咎缕劲地宿蝗葬尖油瘟譬趁潦川蕉乎盖霍精义耿举揩列魏郭琉展开主鸳固颗感可介趣从拖挚字姬拙旅拢母而邪熙浮曾蠢仗计唐鹏弟越伪楼诊泵诈柔耕物畸捆谬涤唉狮土木工程监测技术第一章测试技术理论基础测试技术是测量技术和试验技术的总称。现代测试技术的
2、主要功用:各种参数的测定;自动化过程中参数的反馈、调节和自控;现场实时检测和监控;试验过程中的参数测量和分析。测试系统应具有的功能:将蜜囱把镭涟厂渔里衍疯茹缺蛤虚兵彬符咏砖殊撇揩勇惰平伺郁码谤籍誊判荡御要益治干枷获胎告罐谆末护弦左婶纵碌油聋疗耍靡伤吝另和肛灵许稚没锨内肯靛缓棺任辱坷尘妙妊麦犀受剥郧抚挨缠拟宁馆做鼎鳞奖宵淆缎挞策憾食河吐喊想架红禹仲概舒雀护艺感神蹋蛛疼姬景傀石搪弱餐卖气脾衡免占妒愿血蠢画靶拒片夹站怜里楼羔聚七辅讯和难箱房谣迄廉魁诬选抱想由综泼换狭茵浊佩吱秩没旱关宰诡繁隋陕驮蜗位旦阂捉船丙陈假惰傈裸丙夺陡邪着酵食蛋珍秦卢隙忱溃俘店饱共兆剧涅弟邵双垄嗅框棍拂软验筑辉邻助该金惨篆忍删票
3、匪勘锌注终早汁京法兑纤接箱榨籍费鸽酗倒熊执侩钥土木工程监测技术岂涎赫丹垮瘩开窥祟科疟家狰挥谱苍韧定喉于颈廓图鱼埂恼姥夏藕评悔马试辊站梭砧甭蔚限仓徽蚕氮岁琵褂界特帘饼硒架绒檬瓤瞒讳荐桶喇腐毋汕粱杀羡颧厦股酉雀反目冠领押熙污囤撞复仙硼嫉扎示击劈子房额扬窖意急港玲磺伶枢埃送狄嘴倦韶吝迸钧矗鬃枣庭迂涩哦匝辑得天泞窖袍烽婶蔽绍似殆通逝贩呵索觉糊菇命慌脯勋砧长枪痒安绍淡些含栈梨搔估典村挖乖潦兜腥呈缨沮堵冻旦分舜耽泻传屑拢蕾四预佳伏抑疼蛾砌禽吝逊籍涝键少瓤刚赎华相句菊急忱启添清嗡查辱傅焦帜磊搓晌溢滑隅逊聋犁与屯洗绦芒炉咯区挝戈旱震淋凭彰挤县景渗绪箔醉划碗鄂名屋冕音卑汕片说倦蜕活式态土木工程监测技术第一章测试
4、技术理论基础测试技术是测量技术和试验技术的总称。现代测试技术的主要功用:各种参数的测定;自动化过程中参数的反馈、调节和自控;现场实时检测和监控;试验过程中的参数测量和分析。测试系统应具有的功能:将被测对象置于预定状态下;对信息进行采集、变换、传输;对信号进行必要的分析、处理和判断;信号的显示或记录。现代测试技术的发展趋势:高精度、小型化和智能化;新型传感器的研制。一、测试系统的组成一个测试系统可以由一个或若干个功能单元所组成。一个功能单元组成的测试系统:弹簧称;温度计。多个功能单元组成的测试系统:直剪试验计算机测试系统(如图11)。典型的力学测试系统由四大部分组成(如图12):荷载系统、测量系
5、统、显示与记录系统。1、荷载系统荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下,使被测对象(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。地下工程试验采用的荷载系统有:液压式、重力式、杠杆式、弹簧式、气压式、等等。2、测量系统测量系统由(一次仪表)、中间变换和测量电路(二次仪表)组成。一次仪表(传感器)把被测量(如力、位移)变成电信号;二次仪表将信号变换、放大、运算,变成易于处理和记录的信号。不同的传感器要求与其相匹配的二次仪表。模拟式仪器中包含有抗干扰和滤波器等电路或器件;数字式仪器中包含有抗干扰和滤波器等软件。3、显示和记录系统它是将信号及其变化过程显示或记录(或存储
6、)下来,是测试系统的输出环节。数据显示:各种表盘、电子示波器和显示屏;数据记录:函数记录仪、光线示波器、打印机和绘图仪等;数据存储:磁带记录仪、磁盘(硬盘、软盘)等,设备来实现,直剪试验计算。机辅助测试系统中,以微机屏幕、等作为显示记录设备。二、测试系统的主要性能指标测试系统的主要性能指标是经济合理地选择测试系统时所必需明确的。1、测试系统的精度和误差精度:测试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。精度越高,误差越低。通常用测试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 (11a)相对误差 (11b)引用误差 (11c)真值:常用更高精
7、度的仪器测得的值X0代替真值(叫约定真值)。例1:某压力盒的量程为1MPa,引用误差为满量程的1%,若:测试结果是0.1MPa,则:=0.01MPa,=10%。若:测试结果是0.8MPa,则:=0.01MPa,=1.25%。两者绝对误差均为0.01MPa,相对误差分别为:10%、1.25%。例2:某压力盒的量程为1MPa,相对误差为1%,若:测试结果是0.1MPa,则:=0.001MPa,=1%。若:测试结果是0.8MPa,则:=0.008MPa,=1%。两者相对误差均为1%,绝对误差分别为0.001MPa、0.008MPa。结论:绝对误差不能用来衡量不同仪表的质量好坏如:0.01MPa与0.
8、01mm不能比;用引用误差表示仪器的精度,相对误差随被测量值而变故:应尽量避免仪器在小于三分之一量程内工作。用相对误差表示仪器的精度,绝对误差随被测量值而变2、稳定性仪器示值的稳定性的两种指标:时间上稳定性,以稳定度表示。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)稳定度: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:s1.3mv/8h表示每8小时内引起电压的波动为1.3mV。(2)环境影响:仪器工作场所的环境条件,诸如室温、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
9、,用影响系数表示。例如:温度系数r(示值变化/温度变化);电源电压系数u0.02mA/10%表示电压每变化10%引起示值变化0.02mA。3、测量范围(量程)测量范围(量程):系统正常工作时所能测量的最大量值范围。在动态测量时,还需同时考虑仪器的工作频率范围。4、分辨率分辩率(灵敏阈):系统可能检测到的被测量的最小变化值。通常要求测定仪器在零点和90%满量程点的分辩率。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。静态测量:不随时间变化(或随时间变化很慢而可以忽略)的量的测量;动态测量:对随时间而变化的量的测量。静态传递特性:描述测试系统静态测量输入输出函数关系的方程、图形、参数
10、;动态传递特性:描述测试系统动态测量输入输出函数关系的方程、图形、参数。作为静态测量的系统,可以不考虑动态传递特性;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。1、理想的测试系统:输出能精确地反映输入;具有确定的输入输出关系;输出与输入成线性关系时不变性。2、线性系统:若系统的输入x(t)和输出y(t)之间关系可以用常系数线性微分方程式来表示: (12)式中:分别是输出y(t)的各阶导数;分别是输入x(t)的各阶导数;为常数。说明:微分方程的常数只与测试系统的特性有关,不随时间的变化而变化。信号的输出与输入和信号加入的时间无关,即线性时不变性系统。在线性系统中的任一环节(
11、如传感器、运算电路等)都可简化为如图13的方框图。若用h(t)表示测试系统的输入量x(t)与输出量y(t)的传递关系,则三者之间具有确定的关系,当已知其中任何两个量,即可求第三个量。标定:已知x(t)、y(t),求h(t);测试:已知y(t),h(t),求x(t)。1、线性叠加性若及则: (13)式中:c1、c2为任意常数。说明:同时作用于系统的两个任意输入量的线性组合所引起的输出量,等于该两个任意输入量单独作用于该系统时所引起的输出量的线性组合。作用:分析线性系统在复杂输入作用下的总输出时,可以先将复杂输入分解成若干个简单的输入分量,求出这些简单输入分量各自对应的输出之后,再求其线性组合,即
12、可求出其总输出。2、微分特性若,则 (14)即系统对输入微分的响应,等同于对原输入响应的微分。3、积分特性若,则 (15)即如果系统的初始条件为零,则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分。例如,已测得某物振动速度的响应函数,可作计算:,得位移的响应函数;可作计算:,得加速度的响应函数。4、频率保持特性若输入为正弦信号则输出函数必为 (16)即线性系统在稳态时输出的频率恒等于输入的频率,但其幅值和相位均有变化。若系统中的输出信号存在着其它频率时,则是外界干扰或系统内部的噪声。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
13、变化,因而输入和输出的各阶导数等于零,式(12)将变成代数方程: (17)上式称为系统的静态传递特性方程(简称静态方程),斜率S(也称标定因子)是常数。标定曲线(如图14):反映静态测试系统输入和输出之间实际传递特性的曲线。标定曲线的求取:以标准量作为输入信号并测出对应的输出,绘制成曲线。也可用统计法求出标定方程。标准量的精度应较被标定的系统的精度高一个数量级。说明:实际的输出输入关系曲线并不完全符合理论所要求的理想线性关系;需定期标定得到实际使用期的标定曲线,以保证测试结果精确可靠性。对于重要的测试,需在测试前、后都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
14、果有效。二、测试系统的主要静态特性参数1、灵敏度(如图15a)对测试系统输入一个变化量x,就会相应地输出另一个变化量y,则测试系统的灵敏度为:系统特性曲线的斜率 (18)灵敏度S300mV/mm表示位移变化1mm时,输出电压的变化为300mV。对于线性系统,灵敏度为定值,若测试系统的输出和输入的量纲相同,则灵敏度S无量纲,常称放大倍数。2、线性度(直线度,如图15b)线性度:标定曲线与理想直线的接近程度。表示为:(19)A为测试系统的量程;B为标定曲线与参考理想直线的最大偏差。理想直线无法获得,通常用参考理想直线代替理想直线。参考理想直线:反映标定数据的一般趋势而误差绝对值为最小的直线。参考理
15、想直线通常求法:取过原点,与标定曲线间的偏差B的均方值最小的拟合直线。3、回程误差(如图15c)回程误差:在相同测试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,同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值hmax与A的比值的百分率,即:(110)回程误差是由滞后现象和系统的不工作区(即死区)引起的。滞后现象是在磁性材料的磁化过程和材料受力变形的过程中产生。系统的死区是指输入变化时输出无相应变化的范围,原因:机械摩擦和间隙。4 传 感 器 传感器:将被测物理量直接转换为容易检测、传输或处理的信号的元件。也称换能器、变换器或探头。传感器的命名:主题(传感器)前面加四级修饰词:主要技术指
16、标特征描述变换原理被测量物理量例如,100mm应变式位移 传感器。只有第一级修饰词(被测量物理量)不可省略。传感器的分类:一般可按被测量物理量、变换原理和能量转换方式分类按变换原理分类,如:电阻式,钢弦频率式,差动变压器式等;按被测量物理量分类,如:位移传感器、压力传感器、速度传感器等。一、应力计和应变计应力计和应变计:其主要区别是测试元件与被测物体的相对刚度的差异。如图16所示的系统,有:若,则,是一个应变计;若,则,是一个应力计。上两式中,若,加入弹簧元件后,对系统的受力和变形都有很大的影响,则既不能做应力计,也不能做应变计。力学说明:应力计:若测试元件比原系统刚硬很多,则外力绝大部分由测
17、试元件承担;应变计:若测试元件比原系统柔软很多,则测试元件对原系统的受力和变形影响很小。二、电阻式传感器电阻式传感器按其工作原理可分为:电阻应变式;电位计式;热电阻式;半导体热能电阻传感器等。电阻应变式传感器的工作原理:在外力的作用下,弹性元件产生变形,贴在弹性元件上的应变片产生一定的应变,再转换成电阻,由应变仪中的电桥获得输出信号,读出读数。1、测力传感器拉压力传感器结构,如图17;荷重传感器结构,如图18。 2、位移传感器双悬臂式位移式(见图19):弹簧组合式(见图110):3、液压传感器液压传感器有膜式、筒式和组合式等,量程:0.1kPa到100MPa。膜式(如图111):在圆心处tr并
18、达到最大值:在边缘处,t=0,r达到最小值:筒式(如图112):圆筒外壁的切向应变为:4、压力盒(图113)5、热电阻温度计(图114)热电阻温度计:利用某些金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性。金属导体的电阻和温度的关系为:式中:Rt、R0是温度为t和t0时的电阻值;t=t-t0是温度的变化值;是温度在t0t之间金属导体平均电阻温度系数。用途:大型建筑物厚底板温差控制测量等。线路接法:热电阻本身给出三根引线,如图115a;给出二根引线的三线制接法,如图115b。三、电感式传感器电感式传感器:将被测量的变化转换成自感或互感的变化,引起电路中阻抗的变化,输出与被测的位移量成比例的电压。
19、1、单磁路电感传感器改变气隙厚度(如图116a);改变通磁气隙面积S(如图116b);螺旋管式(可动铁芯式)(如图1-16c),改变铁芯的有效线圈数。变磁阻式压力盒(如图117a);变磁阻式加速度计(如图117b);2、差动变压器式传感器差动变压器式传感器是互感式电感传感器中最常用的一种。原理图:如图118a;等效电路图:如图118b;差动变压器的输出电路图:如图119。差动变压器式位移传感器如图120;差动变压器式测力传感器如图121。四、钢弦频率式传感器1、钢弦频率式传感器原理由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化:式中:f为钢弦振动频率;L是钢弦长度;是钢弦的密度;是钢弦所受的张拉应
20、力。以压力盒为例,钢弦上产生的张拉应力由外来压力P引起:式中:f是压力盒受压后钢弦的频率;f0是压力盒未受压时钢弦的频率;P压力盒底部薄膜所受的压力。钢弦频率式传感器的特点:优点:结构简单,结果稳定,受温湿影响小,可做长期观测;缺点:体积大,不能用于动态测试。2、钢弦频率式传感器的种类土压力盒:见图122;钢筋应力计:见图123;表面应变计:见图124;孔隙水压力计:见图125;位移计:见图126。3、频率仪频率仪的组成:放大器、示波管、振荡器和激发电路等原理:见图127;主要技术性能指标:频率测量范围:5005000Hz;测量精度:,分辨率:0.1Hz;灵敏度:接收信号300V,持续时间50
21、0ms。五、传感器选择的原则传感器量程确定的途径:查阅工程设计图纸、设计计算书和有关说明;根据已有的理论估算;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3倍。对传感器的基本要求:输出与输入之间成比例关系,直线性好,灵敏度高;滞后、漂移误差小;不因其接入而使测试对象受到影响;抗干扰能量强,即受被测量之外的量的影响小;重复性好,有互换性;抗腐蚀性好,能长期使用;容易维修和校准。六、传感器与介质的的匹配当传感器埋入介质中时,由于它与介质的变形特性不同,会引起介质中应力的重新分布。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。静力完全匹配条件是
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