測試技術的基礎知識

1測試技術的基礎知識,本章簡要介紹了測試系統的組成及其靜態傳遞特性、計算機輔助測試系統的基本原理和特點、測量誤差及試驗數據處理方法等內容。在此基礎上，重點介紹了常用傳感器的原理和適用范圍。,1.1測試系統的組成,測試技術包括測量技術和試驗技術兩個方面。測試技術是通過測試系統來實現的，按照信號傳遞方式來分，常用的測試系統可分為模擬式和數字式兩種測試系統。由下圖可知，一個完善的力學測試系統由荷載系統、傳感器、信號變換與測量電路、顯示記錄系統四大部分組成。,圖1.1 測試系統的組成,1.1.1荷載系統 1.1.2測量系統 1.1.3信號處理系統 1.1.4顯示和記錄系統,1.2測試系統的傳遞特性 1.2.1概述,傳遞特性是表示測量系統輸入與輸出對應關系的性能。對不隨時間變化的量的測量叫靜態測量，對隨時間變化的量的測量叫動態測量。與此相對應，又分為靜態傳遞特性和動態傳遞特性。測試系統的精度很大程度上與其靜態特性有關，所以下面介紹測試系統的靜態傳遞特性。,1.2.2測試系統的靜態傳遞特性,1.2.2.1測試系統與線性系統 一個理想的測試系統，應該具有確定的輸入—輸出關系，其中以輸出與輸入成線性關系時為最佳，即理想的測試系統應當是一個線性時不變系統。因此，我們在研究線性測試系統中的任一環節都可簡化為一個方框圖，若已知其中任何兩個量，即可求第三個量，這便是工程測試中常常需要處理的實際問題。如圖所示。,圖1.2 系統、輸入與輸出,1.2.2.2靜態方程和標定曲線,當測試系統處于靜態測量時，輸入量x和輸出量y不隨時間而變化，因而輸入和輸出的關系如下式：,,上式稱為系統的靜態傳遞特性方程，斜率K是常數。表示靜態方程的圖形稱為測試系統的標定曲線。下圖所示是幾種標定曲線及其相應的曲線方程。,圖1.3 標定曲線的種類,上式稱為系統的靜態傳遞特性方程，斜率k是常數（也稱標定因子）。如圖所示是幾種標定曲線及其相應的曲線方程。標定曲線是反映測試系統輸入x和輸出y之間關系的曲線，一般情況下，實際的輸入、輸出關系曲線并不完全符合理論所要求的理想線性關系。所以，定期標定測試系統的標定曲線是保證測試結果精確可靠的必要措施。對于重要的測試，需在進行測試前、后都要對測試系統進行標定，當前、后的標定結果的誤差在容許的范圍內時，才能確定測試結果有效。,1.3傳感器原理,在巖土工程中，所需測量的物理量大多數為非電量，如位移、壓力、應力、應變等。采用電測方法時，必須將它們轉換為便于應用的物理量（主要是電量，如電壓、電流、電容、電阻等），這種將被測物理量直接轉換為相應的容易檢測、傳輸或處理的元件稱為傳感器，又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路3部分組成，如圖所示。,傳感器種類很多，分類方法也很多，巖土工程檢測技術中常用的傳感器，按被測參數分類，可分為位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器等，按工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電壓式、磁電式等。,圖1.4 傳感器組成框圖,1.3.1電阻式傳感器,電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉變成電阻值，通過測量電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器的種類很多，大致可以分為電阻應變式、壓阻式和熱電阻式傳感器。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、位移、加速度和溫度等非電量參數。,1.3.1.1應變式傳感器,電阻應變式傳感器具有結構簡單、體積小、使用方便、性能穩定、靈敏度高、測量精度高等諸多優點，因此是目前應用最廣泛的傳感器之一。它是利用電阻應變效應，由電阻應變片和彈性元件組合起來的傳感器。通過測量電阻應變片的電阻值變化，可以用來測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數。,1、應變片的工作原理,電阻應變片的工作原理是基于金屬的應變效應。金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發生相應的變化的現象稱為金屬的電阻應變效應。由物理學可知：,由材料力學可知，在彈性范圍內，可得,大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即K0為常數，各種材料的靈敏度系數由實驗測定，一般用于制造電阻絲應變片的金屬絲其靈敏系數多在1.7~3.6之間。,1、應變片的構造和種類,金屬電阻應變片分為絲式應變片、箔式應變片和薄膜應變片3種。其中使用最早的是電阻絲式應變片，構造如圖所示。 電阻應變片必須被粘貼在試件或彈性元件上才能工作，黏結劑和粘結技術對測量結果有直接的影響，因此，粘結劑的選擇、粘貼技術、應變片的保護等必須認真做好。,圖1.5 應變片的構造 1—基片 2—電阻絲 3—覆蓋層 4—引出線,3、電阻應變片的特性,實際應用中，選用應變片時，要考慮應變片的性能參數，主要有：應變片的電阻值、靈敏度、允許電流和應變極限等。 1）、電阻應變片的靈敏系數 2）、橫向效應 3）、溫度誤差及補償,（2）溫度補償方法,◆電橋補償法（也稱補償片法） ◆應變片的自補償法 粘貼在被測部位上的應變片是一種特殊應變片，當溫度變化時，產生的附加應變為零或相互抵消，這種應變片稱為溫度自補償應變片。利用這種應變片實現溫度補償的方法稱為應變片自補償法。,1.3.1.2壓阻式傳感器,金屬電阻應變片性能穩定、精度較高，至今還在不斷改進和發展，并在一些高精度應變式傳感器中得到了廣泛的應用。這類應變片的主要缺點是應變靈敏系數較小。而20世紀50年代出現的半導體應變片可以改善這一不足，其靈敏系數比金屬電阻應變片約高50倍，用半導體應變片的傳感器稱為壓阻式傳感器，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。,1、半導體的壓阻效應,半導體的壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率發生很大變化的現象。不同類型的半導體，施加荷載的方向不同，壓阻效應也不一樣。目前使用最多的是單晶硅半導體。其應變靈敏系數可表示為,,2、體型半導體電阻應變片,半導體應變片的主要優點是靈敏系數比金屬電阻應變片的靈敏系數大數十倍，通常不需要放大器就可以直接輸入顯示器或記錄儀，它的橫向效應和機械滯后極小。但是，半導體應變片的溫度穩定性和線性度比金屬電阻應變片差很多，很難用它制作高精度的傳感器，只能作為其他類型傳感器的輔助元件。近年來，由于半導體材料和制作技術的提高，半導體應變片的溫度穩定性和線性度都得到了改善。,3、擴散型壓阻式壓力傳感器,為了克服半導體應變片粘貼造成的缺點，采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜，制成擴散型壓阻式傳感器。其原理與半導體應變片傳感器相同，不同之處是前者直接在硅彈性元件上擴散出敏感柵，后者是用粘結劑粘貼在彈性元件上。,擴散型壓阻式壓力傳感器的主要優點是體積小，結構比較簡單，動態響應好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩定性好，滯后和蠕變小，頻率相應高，便于生產，成本低。因此，它是一種目前比較理想的、發展較為迅速的壓力傳感器。現在出現的智能壓阻式壓力傳感器，將傳感器與計算機集成在同一硅片上，兼有信號檢測、處理、記憶等功能，從而大大提高了傳感器的穩定性和測量精確度。,4、壓阻式加速度傳感器,壓阻式加速度傳感器如圖所示，它的懸臂梁直接用單晶硅制成，4個擴散電阻擴散在其根部的兩面。當梁的自由端的質量塊受到加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用發生變形產生應力，使電阻值變化。由4個電阻組成的電橋產生與加速度成比例的電壓輸出。,圖1.10 壓阻式加速度傳感器結構簡圖,2.3.2電感式傳感器,電感式傳感器是根據電磁感應原理制成的，它是將被測非電量轉換為線圈的自感系數L或互感系數M變化的裝置，由于電感式傳感器是將被測量的變化轉換成電感量的變化，所以根據電感的類型不同，電感傳感器可分為自感式（單磁路電感式）和互感式（差動變壓器式）兩類。,1.3.2.1單磁路電感傳感器,單磁路電感傳感器由鐵芯、線圈和銜鐵組成，當銜鐵運動時，銜鐵與帶線圈的鐵芯之間的氣隙發生變化，引起磁路中磁阻的變化，因此，改變了線圈中的電感。線圈中的電感量L可按下式計算：,,,,上式表明，電感量與線圈的匝數平方成正比，與空氣隙有效導磁截面積成正比，與空氣隙的磁路長度成反比，因此，改變氣隙長度和改變氣隙截面積都能使電感量變化，從而形成三種類型的單磁路電感傳感器。它可做成位移的電感式傳感器和壓力的電感式傳感器，也可做成加速度的電感式傳感器。,1.3.2.2差動變壓器式電感傳感器,差動變壓器式電感傳感器是互感式電感器中最常用的一種。其原理如圖所示。,(a) 原理圖 （b）等效電路圖 圖1.12 差動變壓器式電感傳感器原理圖和等效電路圖,1.3.3電容式傳感器、壓電式傳感器和壓磁式傳感器,1.3.3.1電容式傳感器 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒形電容器。,平行板型電容器是有一塊定極板與一塊動極板及極板間介質所組成，其電容量為：,,,上式表明，如果保持其中兩個參數不變，只改變其中一個參數，則電容量C就是該參數的單值函數，就可把該參數的變化轉換為電容量的變化。由此原理，電容式傳感器分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三類,它們的靈敏度分別為： 極距變化型 面積變化型 式中、b為電容器的極板寬度。,電容式傳感器的輸出是電容量，尚需有后續測量電路進一步轉換為電壓、電流或頻率信號，利用電容的變化來取得測試電路的電流或電壓變化的常用電路有：調頻電路、電橋型電路和運算放大電路。其中，以調頻電路用得較多，其優點是抗干擾能力強、靈敏度高、但電纜的分布對電容輸出影響較大，使用中調整比較麻煩。,1.3.3.2壓電式傳感器,壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，利用壓電效應制成了電勢型傳感器，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現非電量測量。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠、動態特性好、靜態特性差的特點，因此在各種動態力、機械沖擊與振動測量，以及聲學、醫學、力學、宇航等方面都得到了廣泛的應用。,1、壓電效應及壓電材料,壓電式傳感器的工作原理以晶體的壓電效應為理論依據。某些電介質，當沿著一定方向受到壓力或拉力作用而變形時，其內部就會產生極化現象，其表面上就會產生電荷，若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態，這種現象就稱為正壓電效應（機械能轉為電能）。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生變形，這種現象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，它能實現機—電能量的相互轉換。在自然界中大多數晶體具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發現石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。,2、壓電傳感器的應用,壓電傳感器從它可測的基本參數來講是屬于力傳感器，因此，應用最多的是測力，但是，也可測量能通過敏感元件或其他方法變為力的參數，如位移、加速度等，尤其是對沖擊、振動加速度的測量。 1）壓電式加速度傳感器 如圖所示，測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，當傳感器受到振動時，質量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電元件上，由于壓電效應，因此就產生了交變電荷（電壓），傳感器的輸出電荷與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當的積分電路，就可以測出試件的振動加速度或位移。,圖1.15 壓電式加速度傳感器結構圖,2）壓電式測力傳感器,如圖所示是壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要用于機床動態切削力的測量，上蓋為傳力元件，當外力作用時，它將產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上，石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應，通過x方向受力的壓電系數實現力—電轉換。,2.3.3.3壓磁式傳感器,壓磁式傳感器是測力傳感器的一種，它利用鐵磁材料的壓磁效應，即當鐵磁材料受到外界機械力的作用后，其內部產生機械應力，從而引起鐵磁材料的磁導率改變，這種現象稱為壓磁效應；如果在鐵磁材料上有線圈，由于導磁率的變化，將引起鐵磁材料中的磁通量的變化，磁通量的變化則會導致線圈上自感電勢或感應電勢的變化，從而將力轉換成電信號。,鐵磁材料的壓磁應變靈敏度表示為：,壓磁應力靈敏度定義為：單位機械力所引起的磁導率相對變化，即：,我們利用以上介紹的關系可以做成壓磁傳感器，經常用來測量壓力、拉力、彎矩、扭轉力，這種傳感器輸出的電參數為電阻抗或是二次繞組的感生電勢，即有如下變換鏈：,壓磁式傳感器可整體密封，因此具有良好的防潮、防油和防塵等性能，適合于在惡劣環境條件下工作，此外，還具有溫度影響小、抗干擾能力強、輸出功率大、結構簡單、價格較低、維護方便、過載能力強等優點。其缺點是線性和穩定性較差。,1.3.4光纖傳感器,光纖傳感器是基于光導纖維的新型傳感器，起源于光纖通訊技術，它的應用是傳感器領域的重大突破。在光通訊利用中發現當溫度、應力等環境變化時，引起光纖傳輸的光波強度、相位、頻率、偏振態等變化，測量光波量的變化，就可知道導致這些變化的溫度、應力等物理量的大小，根據這些原理便可研制出光導纖維傳感器。到目前為止，光纖技術主要用于光纖通訊、直接信息交換，把待測的量和光纖內的導光聯系起來，形成光纖傳感器。它與傳統傳感器相比具有許多優點，目前已研制了多種不同的光纖傳感器用于磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、扭矩、應變等物理量的測量，解決了以前認為難以解決、甚至不能解決的技術難題。,1.3.4.1光導纖維的結構和導光原理,1、光纖的結構 光導纖維，簡稱光纖，是一種用于傳輸光信息的多層介質結構的對稱圓柱體，結構如圖所示：,纖芯的主要成分為二氧化硅，其中含有極微量的摻雜劑，一般為二氧化鍺，用以提高纖芯的折射率，形成全內反射條件的弱導光纖將光限制在纖芯中。,涂覆層一般為環氧樹脂、硅橡膠等高分子材料，用于增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性。而有些類型的光纖傳感器由于使用的場合不同需要對普通光纖做些加工處理，使其對特定的信號更加敏感。光纖的最外層加上一層不同顏色的塑料套管，一方面起到保護作用，另一方面以顏色區分各種光纖。可以將許多條光纖組成光纜，光纜中的光纖數少則幾根，多則幾千根。光纜主要用于通訊。,2、光纖的導光原理 根據光的折射定律，光折射和反射之間的關系為：,當光線的入射角,,增大到某一角度,,時，透射入光,疏物質的光線的折射角,,折射光沿界面傳播，稱此時的入射角,,為臨界角，大于臨界角入射的光線在介質交界面全部被反射回來，即發生光的全反射現象。臨界角由下式確定：,,由上式可知：臨界角,,僅與介質的折射率之比,有關。利用光的全反射原理，只要使射入光纖端面的光線與光軸的夾角小于一定值，使得光纖中的光線發生全反射時，則光線射不出光纖的纖芯，如圖2.19所示。,光線在纖芯和包層的界面上不斷地發生全反射，經過若干次的全反射，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖導光的基本原理。,圖1.19 光在光纖中的全反射,1.3.4.2光纖傳感器基本原理及類型,1、光纖傳感器基本原理 光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，引起光纖傳輸的光波強度、相位、頻率、偏振態等發生變化，稱為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器，經過解調器解調后，獲得被測參數。,2、光纖傳感器的類型 光纖傳感器可以分為功能型、非功能型和拾光型三大類，如圖所示：,1)功能型，如上圖所示，光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。此類傳感器的優點是結構緊湊、靈敏度高，但是，它需用特殊光纖和先進的檢測技術，因此成本高。 2）非功能型，光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。光纖與普通傳感器中的導線作用相當，因而不能稱為嚴格意義上的光纖傳感器。它成本低、比較容易實現、但靈敏度也較低，應用于對靈敏度要求不太高的場合。 3）拾光型，用光纖作探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。,1.3.4.3光纖傳感器的特點,1）質量輕、體積小 2）靈敏度高 3）耐腐蝕 4）抗電磁干擾 5）絕緣性能高 6）傳輸頻帶較寬 7）使用期限內維護費用低,1.3.4.4光纖傳感器的應用,作為20世紀70年代中期出現的一種新型傳感器，光纖傳感器是對以電信號為基礎的傳統傳感器的變革。通過前面對光纖傳感器工作原理及特點的介紹可知，光纖可以被應用到很多領域，目前的工程應用中，光纖可以構成位移、應變、壓力、速度、加速度、轉矩、角速度、角加速度、溫度、電流、電壓、流量、流速，以及磁、光、聲、射線等近百種物理量檢測的傳感器，所以光纖傳感器可以被稱為萬能傳感器。當然，光纖傳感器在開發過程中還有不少的實際困難，如噪聲源、檢測方法、封裝、光纖的被覆等問題。因此，光纖傳感器的實用化研究還在進行中。,下面介紹一種較為實用的光纖位移傳感器。如圖所示為光纖位移測量的原理圖。光纖作為信號傳輸介質，起導光作用。光源發出的光束作為信號傳輸介質，起導光作用。光源發出的光束經過光纖1射到被測物體上并發生散射，有部分光線進入光纖2并被光電探測器件接收，轉變為電信號。由于入射光的散射作用隨著距離x的大小而變化，所以進入光纖2的光強也會發生變化，光電探測器轉換的電壓信號也將發生變化。時間證明：在一定范圍內，光電探測器件的輸出電壓U與位移量x之間呈線性關系。在非接觸式微位移測量、表面粗糙度測量等場合采用這種光纖傳感器是很實用的。,圖2.21 光纖位移傳感器,1.3.5.鋼弦式傳感器,1.3.5.1基本原理 巖土工程測試中常用鋼弦式應變計、壓力盒作為量測傳感器，其基本原理是由鋼弦內應力的變化轉換為鋼弦振動頻率的變化，鋼弦應力與振動頻率的關系為：,,1.3.5.2鋼弦式壓力盒,壓力盒是常見的測試土、巖石壓力的傳感器，鋼弦式壓力盒做成后，,,為定值，鋼弦頻率只由張拉應力確定，張拉應力取決于外力P，鋼弦頻率與薄膜所受壓力P滿足關系,,鋼弦式傳感器主要有鋼筋應力計、壓力盒、表面應變計、孔隙水壓力計等，其主要優點是構造簡單，受溫度影響小，易于防潮，在巖土工程中、地下工程監測中得到廣泛使用。鋼弦式傳感器的鋼弦振動頻率由頻率儀測定。根據鋼弦式傳感器在巖土工程中使用后的測定的頻率就可以得到壓力、應變等物理量。,1.3.6傳感器的選擇和標定,2.3.6.1傳感器的選擇 應遵循的一般原則是： 1）根據測試對象、實際條件、測試方式確定傳感器的類型 2）傳感器的靈敏度和精確度應滿足測試的要求 3）傳感器的頻率響應特性應滿足測試的要求,4）傳感器在線性范圍內工作 5）傳感器具有良好的穩定性 6）傳感器除滿足技術要求外，應盡可能滿足體積小、質量輕、結構簡單、價格便宜、易于維修、易于更換、便于攜帶、通用化和標準化等條件。,1.3.6.2傳感器的標定,傳感器的標定，就是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系，即求取傳感器的輸出特性曲線（又稱標定曲線）。由于傳感器在制造上的誤差，即使儀器相同其標定曲線也不盡相同。因此，傳感器必須在使用前進行標定。另外，經過一段時間的使用后應對傳感器的復測，這種再次標定可以檢測傳感器的基本性能是否發生了變化，判斷其是否可以繼續使用。對可以繼續使用的傳感器，若某些指標（如靈敏度）發生了變化，應通過再次標定對原始數據進行修正或校準。傳感器的標定工作由具有資質的計量部門按照有關規范完成，并對使用單位具有相應的標定結果證明。,1.4計算機輔助測試系統基本原理及其特點,1.4.1基本原理 計算機技術與原有測試技術相互滲透、融合產生了一門新興的測試技術—計算機輔助測試系統，簡稱現代測試系統，它由計算機和若干臺測量儀器組成自動測試系統，可對生產過程中的參數進行在線（實時）自動測量。它集數據采集、數據處理和測試控制于一體，可充分發揮計算機和各種設備在獨立使用中不可能發揮的潛力，有自動、快速、方便、靈活、測試精度高、測試費用少等優點，因而穩定可靠、檢測精確、功能豐富。計算機輔助測試系統在組成方式上可以分為積木型和集中型兩大類，集中型與積木型測試系統相比，有測量和處理速度快、硬件較少而測試功能強的特點。如下圖所示是集中型測試系統的原理框圖。,圖1.22 集中型計算機測試系統,1.4.2特點,計算機輔助測試需要有如下一般系統所不具備的特點： 1）隨著應用軟件的開發，功能可以不斷擴展，形成水平更高的計算機輔助測試系統 2）便于測試后記錄數據與圖形的多重反復處理 3）同時或依次對多個信號進行在線實時高速動態測試 4）實時進行各種數據處理、信號交換與復雜過程控制 5）能夠對被測對象進行故障的檢測測試或診斷測試,