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1、第 3 章 数据采集与测量仪器,本章主要内容：测量仪表的基本概念，应变测量，位移测量，应变场的应变与裂缝测量，力与温度的测量，数据采集系统。,本章重点内容：应变测量与位移测量，应变场的应变与裂缝测量，力与温度的测量。,本章难点内容：应变测量与位移测量，应变场的应变与裂缝测量。,3.1 测量仪表的基本概念,狭义测量：被测的量与同性质的标准量进行比较，并确定 被测的量是标准量的多少倍。,广义测量：对被测对象进行检出、变换、分析、处理、判 断、控制和显示等。这些环节的组合称为测试 系统。,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,组成：检出变换系统、放大系统、记录显示系统,技术指标：,1、刻度值A，指分
2、度表上每一最小刻度所代表的被测量的数值。刻度值的倒数为该仪表的放大率V，即。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,技术指标：,2、量程S，是指测量上限值和下限值的代数差，即仪表刻盘上的上限值减去下限值，即。,3、灵敏度K，是指某实际物理量的单位输出量与输入增量的比值，。,4、分辨率，当输入量从某个任意非零值开始缓慢的变化时，将会发现只要输入的变化值不超过某一个数值，仪表的示值是不会发生变化的。使仪表示值发生变化的最小输入变化值叫做仪表的分辨率。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,技术指标：,5、滞后，某一输入量从起始量程增至最大量程
3、，再由最大量程减至最小量程，在这正反两个行程输出值之间的偏差称为滞后。,6、精确度,（1）准确度与误差,准确度是指分析结果与真实值相符合的程度，通常用误差的大小来表示。误差越小，分析结果的准确度就越高。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,技术指标：,6、精确度,（1）准确度与误差,误差有两种表示方法：绝对误差和相对误差。绝对误差是测定值与真实值之差，相对误差是绝对误差在真实值中所占的百分率，即：绝对误差测定值真实值,例如称得某一物体的质量为1.6380g，而该物体的真实质量为1.6381g，测定结果与真实值的差为：绝对误差1.6380g1.6381g0.0001
4、g 相对误差0.0001g/1.6381g=-0.006%,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,（2）精密度与偏差,精密度是指在相同条件下几次平行测定的结果相互接近的程度，通常用偏差的大小来表示。偏差越小，分析结果的精密度就越高。,偏差也有绝对偏差和相对偏差之分。测定结果（）与平均值（）之差为绝对偏差（d），即个别测定的绝对偏差；绝对偏差在平均值中所占的百分率为相对偏差（），即个别测定的相对偏差。因此，绝对偏差测定值n次测定值的算术平均值 相对偏差绝对偏差/算术平均值100%,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,（3）准确度与精密度的
5、关系,准确度表示测量的正确性，而精密度则表示测量的重复性或再现性。分析工作要求测量的准确度要高，精密度要好。但精密度好并不能保证准确度也高。例如，某石灰石矿含CaO 的质量百分数为53.77。若甲分析得结果为53.50、53.56、53.86；乙分析得53.41、53.42、53.40；丙分析得53.76、53.77和53.78。比较三人的分析结果，可见甲的准确度低，精密度差；乙的精密度虽好，但准确度却低；只有丙的准确度高，精密度也好，其测定结果是可取的。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,（3）准确度与精密度的关系,事实证明，只有首先保证精密度好，才有可能使准
6、确度高。因为分析结果的精密度主要取决于实验操作的仔细与精密程度（即偶然误差小），而准确度则主要取决于分析方法本身（即由系统误差所决定）。因此，粗心大意固然不可能得出准确的分析结果，但分析方法本身带来的误差，显然也不会因操作精细而被完全消除。因此，只有在消除了分析的系统误差之后，尽量提高分析的精密程度，这样所得到的测定结果才是准确、可靠的。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.1 测量仪表的组成及技术指标,技术指标：,7、可靠性，在规定的条件下（满足规定的技术指标，包括环境、使用和维护等），满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性，或者说构成仪表的元件或部件的功能随着时间的增长仍能保持稳定的程度
7、。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.2 测量方法,1、直接测量法和间接测量法,2、偏位测量法和零位测量法,3.1.3 仪器误差及消除方法,1、误差分类,测量值与真值之间的差叫做测量误差，它是由使用仪器、测量方法、周围环境、人的技术熟练程度和人的感官条件等的技术水平和客观条件的限制所引的，在测量过程中它是不可能完全消除的，但可通过分析误差的来源、研究误差的规律来减小误差，提高精度。并用科学的方法处理实验数据，以达到更接近于真值的最佳效果。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.3 仪器误差及消除方法,（1）随机误差,随机误差的发生是随机的，其数值变化规律符合一定统计规律，通常为正态分布规律。因
8、此，随机误差的度量是用标准偏差，随着对同一量的测量次数的增加，标准偏差的值变得更小，从而该物理量的值更加可靠。随机误差通常是由于环境条件的波动以及观察者的精神状态的等测量条件引起的。,1、误差分类,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.3 仪器误差及消除方法,（2）系统误差,系统误差是在一组测量中，常保持同一数值和同一符号的误差，因而系统误差有一定的大小和方问，它是由于测量原理的方法本身的缺陷、测试系统的性能、外界环境（如温度、湿度、压力等）的改变、个人习惯偏向等因素所引起的误差。有些系统误差是可以消除的，其方法是改进仪器性能、标定仪器常数、改善观测条件和操作方法以及测定值进行合理修正等。,1、
9、误差分类,（3）粗大误差 又称过失误差，它是由于设计错误或接线错误、或操作者粗心大意看错、读错、记错等原因造成的误差，在测量过程中应尽量避免。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.3 仪器误差及消除方法,2、消除误差的方法,（1）在专门的率定设备上进行；,（2）采用和被率定仪器同一等级的“标准”仪器作比较来进行率定；,（3）利用标准试件率定仪器。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.4 观测仪器选择,1、在选择仪器时，必须从试验实际需要出发，使所用仪器能很好地符合量测所需的精度与量程要求，但要防止盲目选用高准确度和高灵敏度的精密仪器。一般的试验，要求测定结果的相对误差不超过5%。,必须注意到，
10、精密量测仪器的使用，要求有比较良好的环境和条件。如果条件不够理想，其后果不是仪器遭受损伤，就是观测结果不可靠。总之，仪器选择时既要保证精度，也要避免盲目追求高精度。应使仪表的最小刻度值不大于5%的最大被测值。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.4 观测仪器选择,2、仪器的量程应该满足最大应变或挠度的需要。如在试验中途调整，必然会增大测量误差，应当尽量避免。为此，仪器最大被测值宜在满量程的1/52/5范围内，一般最大被测值不宜大于选用仪表最大量程的80%。,3、如果测点的数量很多而且测点又位于很高很远的部位，这时采用电阻应变仪多点测量或远距测量就很方便，对埋于结构内部的测点只能用电测仪表。此外
11、，机械式仪表一般是附着于结构上，要求仪表的自重轻、体积小，不影响结构的工作。,3.1 测量仪表的基本概念,3.1.4 观测仪器选择,4、选择仪表时必须考虑测读方便省时，必要时须采用自动记录装置。,5、为了简化工作，避免差错，量测仪器的型号规格应尽可能选用一样的，种类愈少愈好。有时为了控制观测结果的正确性，常在校核测点上使用另一种类型的仪器，以致比较。,6、动测试验使用的仪表，尤其应注意仪表的线性范围频响特性和相位特性要满足试验量测的要求。,3.2 应变测量,应变为单位长度范围内的伸长或缩短。,3.2.1 应变的机械测量法,应变测试手段除了电阻应变方法外，主要还有手持式应变仪法和位移计法。,手持
12、式应变仪法和位移计法的工作原理基本相同，均是通过百分表或位移计测量两点之间的伸缩长度l，设两点之间的初始距离为l，则两点之间的平均应变可按下式计算：,3.2 应变测量,应变为单位长度范围内的伸长或缩短。,3.2.1 应变的机械测量法,手持式应变仪和位移计法的灵敏度，取决于仪器中位移计的灵敏度。另外，两点之间的距离越大，测量精度愈高。但两点之间的范围内，应变应均匀。手持式应变仪和位移计法适用于长期试验，在结构大变形阶段测试有满意的精度。,3.2 应变测量,3.2.2 应变电测法,在测量过程中，常将某些物理量发生的变化，先变换为电参量的变化，然后用量电器进行量测。,电阻应变法测量应变需要的仪器包括
13、应变计和应变仪。其中应变计属于传感器，应变仪属于放大、测量、显示器。,1、应变计的工作原理,应变计粘贴在试件测点表面，当应变计的电阻丝随试件发生应变时，由于电阻丝长度和截面积的变化，导致电阻丝的阻值发生相应的变化，其定量关系如下：,式中K称为应变计的灵敏系数，K是应变计的初始电阻。,3.2 应变测量,3.2.2 应变电测法,2、应变计的构造及主要技术指标,应变计的构造如图。应变计主要技术指标：,3.2 应变测量,3.2.2 应变电测法,2、应变计的构造及主要技术指标,应变计的构造如图。应变计主要技术指标：,（1）电阻值。一般R=120，应与应变仪匹配。,（2）有效长度L。所测应变为L范围内的平
14、均应变；选择应变片时应考虑测点范围的应变梯度及材料，对混凝土，L宜为粗骨料粒径的3倍。,（3）灵敏系数K。表示单位应变引起的电阻变化，与应变计的构造和材料有关。,3、应变计的粘贴,3.2 应变测量,3.2.2 应变电测法,4、应变测量电桥,应变计的电阻值随应变所发生的阻值变化量极小，甚至不能精确测量出来。为此，在应变仪中设置电桥电路，将应变计接入电桥电路，则桥臂上应变电阻的变化将导致桥路输出电压或电流的变化，电压及电流信号是可以放大的，因而较电阻变化容易测量出来。,电桥的连接方式有多种：,1/4桥连接：即电桥电路的4个桥臂中仅一个桥臂是测量应变计，其它桥臂连接的是等值电阻。这种连接方式可测量出
15、应变，但测量值中包含试件的温差胀缩应变。,3.2 应变测量,3.2.2 应变电测法,电桥的连接方式有多种：,2/4桥连接：即电桥电路的4个桥臂中，一个桥臂是测量应变计，一个桥臂是温度补偿应变计，另外二个桥臂连接的是等值电阻这种连接方式不仅可测量出应变，且测量值中已消除试件的温差胀缩应变。,4/4桥连接：用于应变式传感器的连接。,3.2 应变测量,3.2.2 应变电测法,5、温度补偿,应变计粘贴的时刻与进行试验的时刻一般总存在温度差，即存在温差应变。如果要求测量数据中消除温差应变，则称为温度补偿。,温度补偿的方法是设置温度补偿应变计，并按照一定的桥路进行连接。温度补偿应变计与测试应变计都是相同的
16、应变计，并且应该在相同的温度环境下粘贴在相同材质的物体上，测试应变计粘贴在受力的试件上，温度补偿应变计粘贴在不受力的物体上。,3.3 位移测量,结构位移包括线位移和角位移。线位移如受弯构件的挠度或竖向构件的侧移。角位移如节点的转动或扭转角等。,线位移的测量仪器有机械式百分表、机械式千分表、机电两用式百（千）分表（如右图）、电测位移传感器等。,角位移的测量仪器有水准管式倾角仪、电子倾角仪。,角位移也可通过测量绕某点转动的线位移及转动半径计算得到。,3.4 应变场的应变及裂缝测定,3.5 力与温度的测量,测量力值的主要目的是控制加载量和进行加载分级；对于超静定结构测量支座反力。,力值测量仪器有机械
17、式和电测式两种。对于液压加载器，还可根据油压表测量。,机械式测力仪是根据弹性元件的受力变形量与力值的关系，通过测量变形确定受力大小，如压力环等。,电测式测力仪有应变式测力传感器、压电式测力传感器等种类。应变式测力传感器是根据弹性元件的受力应变量与力值的关系，通过电阻应变仪测量受力大小。,3.6 数据采集系统,数据采集系统的组成部分：传感器、数据采集仪、计算机及软件。,传感器将感受到的各种物理量转换成电信号，输入到数据采集仪。,数据采集仪将接收到的电信号再转换成可识别的数字量，通过屏幕显示、或打印输出、或输入计算机存盘。数据采集仪上有控制键，可直接控制采集仪。,3.6 数据采集系统,计算机可以更
18、灵活地控制采集仪，包括实时进行数据处理、绘制数据关系曲线等。,3.7 振动测量仪器,结构振动参数很多，如动位移、速度、加速度、频率、阻尼、振型等等。按照测量参数分类，有位移传感器、速度传感器、加速度传感器等多种。按照传感器原理分类，测振传感器有惯性式、磁电式、压电式等等。,3.7.1 惯性式测振传感器的工作原理,与静态测试相比，测振时难以在振动体附近找到静止的基准点。解决的方法之一，是在传感器内部构建一个基准点。,传感器构成：外壳、质量块m、弹簧K、阻尼。,理论分析表明，传感器内部质量块相对于传感器外壳的振动规律，与外壳或结构的振动有函数关系，传感器外壳固定在振动体上，通过测量质量块相对于外壳
19、的振动，确定结构振动,3.7 振动测量仪器,3.7.2 测振传感器的频率特性,惯性式测振传感器有其自身的动力特性，这与传感器质量块的大小、弹簧刚度、阻尼大小等因素有关。不同动力特性的传感器，在测量振动时有其适用范围或限制范围。,幅频特性曲线反映了传感器内部质量块相对于外壳的振幅与振动体的振幅之比，与传感器动力特性及结构振动频率的关系。,相频特性曲线反映了传感器内部质量块相对于外壳的振动与振动体的振动相位差，与传感器动力特性及结构振动频率的关系。,3.7 振动测量仪器,3.7.3 磁电式速度传感器,磁电式速度传感器利用的是电磁感应原理。传感器内部有线圈和磁钢，线圈和磁钢相对运动，产生感应电动势或
20、称为输出电压，输出电压与振动速度成正比。,磁电式速度传感器的输出电压微弱，需要经过电压放大器进行放大。,3.7.4 压电式加速度传感器,压电效应：某些晶体，受到压力时，在晶体表面产生电荷。电荷大小与所受外力具有定量关系。,3.7 振动测量仪器,3.7.4 压电式加速度传感器,工作原理：利用晶体的压电效应，将振动加速度转换成电荷量。电荷量与加速度成正比，通过测量电荷量，可测得振动加速度。,压电式加速度传感器的主要技术指标：,灵敏度电荷灵敏度（单位：pC/ms-2）；电压灵敏度（单位：mv/ms-2）。,横向灵敏度比沿主轴的垂直方向与平行方向的灵敏度之比。理想为0，一般小于5。,动态范围灵敏度保持稳定的最大测量范围。,频率响应灵敏度随频率的变化而变化的关系。用频响曲线表示。,
