1、2、測試技術的基礎知識、測試技術的基礎知識 2.12.1測試系統的組成測試系統的組成巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識被測對象傳感器傳輸信號處理顯示儲存測試者激勵裝置控制反饋2.12.1測試系統的組成測試系統的組成2.1.12.1.1加載系統加載系統 被測對象加載給傳感器被測對象加載給傳感器 接觸型：接觸型： 如壓力傳感器、位移傳感器如壓力傳感器、位移傳感器 、溫度傳感器等、溫度傳感器等 非接觸性：非接觸性：如光學傳感器、聲波傳感器、物探技術等如光學傳感器、聲波傳感器、物探技術等2.1.2 2.1.2 量測系統量測系統 傳感器、量測電路傳感器、量測電路一次儀表一次儀表 巖土

2、工程測試技術巖土工程測試技術被測物理量可傳輸信號2、測試技術的基礎知識激勵傳感器轉換原理 2.12.1測試系統的組成測試系統的組成 2.1.3 2.1.3 信號處理系統信號處理系統 信號轉換、處理、計算信號轉換、處理、計算二次儀表二次儀表 如振弦式傳感器：濾波、計算頻率等如振弦式傳感器：濾波、計算頻率等 2.1.4 2.1.4 顯示、儲存系統顯示、儲存系統 信號輸出：表盤、示波器、記錄儀、計算機信號輸出：表盤、示波器、記錄儀、計算機巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.2 2.2 測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.1 2.2.1 概述概述 輸入輸入x (t)

3、輸出輸出y (t) （1 1）由傳感器、信號處理器和記錄顯示器組成的系統一）由傳感器、信號處理器和記錄顯示器組成的系統一般稱為測試系統般稱為測試系統（2 2）把測試系統中能夠完成一定功能的部件成為測試裝）把測試系統中能夠完成一定功能的部件成為測試裝置。衡量一個測試系統的性能，可根據其輸入特性、輸置。衡量一個測試系統的性能，可根據其輸入特性、輸出特性和傳遞特性進行評價。出特性和傳遞特性進行評價。巖土工程測試技術巖土工程測試技術y(t)=f(x(t)2、測試技術的基礎知識 a a、輸入特性：、輸入特性：指輸入信號的性質、輸入范圍、指輸入信號的性質、輸入范圍、輸入阻抗。輸入信號是電量還是非電量；輸輸

4、入阻抗。輸入信號是電量還是非電量；輸入范圍決定了輸入信號的上下限；輸入阻抗入范圍決定了輸入信號的上下限；輸入阻抗的大小決定了輸入能量。的大小決定了輸入能量。b b、輸出特性：、輸出特性：包括輸出信號的性質、輸出范包括輸出信號的性質、輸出范圍和輸出阻抗等。圍和輸出阻抗等。c c、傳遞特性：、傳遞特性：指測試裝置輸出量與輸入量之指測試裝置輸出量與輸入量之間的關系。間的關系。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.22.2測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （1 1）靈敏度：）靈敏度： 靈敏度是指測試裝置在靜態測量

5、時，輸出增量靈敏度是指測試裝置在靜態測量時，輸出增量yy與與輸入增量輸入增量xx之比，即之比，即 Sy/x 線性裝置的靈敏度線性裝置的靈敏度S S為常數，是輸入與輸出關系直線為常數，是輸入與輸出關系直線的斜率，斜率越大，其靈敏度就越高。非線性裝置的靈的斜率，斜率越大，其靈敏度就越高。非線性裝置的靈敏度敏度S S是一個變量，即是一個變量，即X Xy y關系曲線的斜率，輸入量不關系曲線的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同，通常用擬合直線的斜率表示裝置的同，靈敏度就不同，通常用擬合直線的斜率表示裝置的平均靈敏度。平均靈敏度。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.22.2測試系統的

6、傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性（1 1）靈敏度：）靈敏度： 靈敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定。若靈敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定。若輸出和輸入的量綱相同，則稱放大倍數。輸出和輸入的量綱相同，則稱放大倍數。 應該注意的是，裝置的靈敏度越高，就越容應該注意的是，裝置的靈敏度越高，就越容易受外界干擾的影響，即裝置的穩定性越差。易受外界干擾的影響，即裝置的穩定性越差。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.2 2.2 測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （

7、2 2）線性度：）線性度： 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.2 2.2 測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （2 2）線性度：）線性度： 理想的測試裝置靜態特性曲線是條直線，但實際上理想的測試裝置靜態特性曲線是條直線，但實際上大多數測試裝置的靜態特性曲線是非線性的。實際特大多數測試裝置的靜態特性曲線是非線性的。實際特性曲線與參考直線偏離的程度稱為線性度，用線性誤性曲線與參考直線偏離的程度稱為線性度，用線性誤差表示為差表示為 LLmax / YFX100 應當注意，量程越小，線性化帶來的誤差越小，因應當注

8、意，量程越小，線性化帶來的誤差越小，因此要求線性化誤差小的場此要求線性化誤差小的場 合可以采取分段線性化。合可以采取分段線性化。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.2 2.2 測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性（2 2）線性度：）線性度： 理想的測試裝置靜態特性曲線是條直線，但實際上理想的測試裝置靜態特性曲線是條直線，但實際上大多數測試裝置的靜態特性曲線是非線性的。實際特大多數測試裝置的靜態特性曲線是非線性的。實際特性曲線與參考直線偏離的程度稱為線性度，用線性誤性曲線與參考直線偏離的程度稱為線性度，用線性

9、誤差表示為差表示為 LLmax / YFX100 應當注意，量程越小，線性化帶來的誤差越小，因應當注意，量程越小，線性化帶來的誤差越小，因此要求線性化誤差小的場此要求線性化誤差小的場 合可以采取分段線性化。合可以采取分段線性化。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.22.2測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （3 3）回滯：）回滯： 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.22.2測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （3 3

10、）回滯：）回滯： 巖土工程測試技術巖土工程測試技術 在輸入量增加和減少的過程中，對于同一輸入量會得到大小不等的輸出量，在全部測量范圍內，這個差別的最大值與標稱輸出范圍之比稱回滯率。即 hHMAX / YFS100 回滯是由運動部件之間的摩擦、間隙、變形材料的內摩擦及磁性材料的磁滯現象等引起的。2、測試技術的基礎知識 2.2 2.2 測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （4 4）漂移：）漂移： 指輸入量不變時，經過一定的時間后輸出量產生的變化。由于溫度變化而產生的漂移稱溫漂。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識

11、2.2 2.2 測試系統的傳遞特性測試系統的傳遞特性 2.2.2 2.2.2 測試系統的靜態特性測試系統的靜態特性 （5 5）分辨力：）分辨力： 指儀器可能檢測出的輸入信號最小變化量。分辨力除以滿量程稱分辨率分辨率。 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理傳感器：傳感器：能感受被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置 特點：利用物理定律或物質的物理、化學、生物等特性，將非電量轉換成電量 功能：檢測和轉換。巖土工程測試技術巖土工程測試技術傳感器敏感元件轉換元件轉換電路2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工

12、程測試技術巖土工程測試技術敏感元件：是傳感器中能直接感受（或響應）被測信息（非電量）的元件轉換元件：是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應）信息轉換為電信號的部分 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理傳感器的分類：巖土工程測試技術巖土工程測試技術按傳感器的輸入量（即被測參數）進行分類按傳感器的輸入量（即被測參數）進行分類：位移、速度、溫度、壓力傳感器等 按傳感器的輸出量進行分類按傳感器的輸出量進行分類 ：模擬式和數字式 按傳感器的基本效應分類：按傳感器的基本效應分類：物理型、化學型、生物型按傳感器的工作原理進行分類按傳感器的工作原理進行分類 ：電阻應變式、電容式、電感式

13、、壓電式、熱電式傳感器等 按傳感器的能量變換關系進行分類：按傳感器的能量變換關系進行分類：有源（能量控制型）、無源（能量變換型）2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻式傳感器電阻式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器工作原理：工作原理： 當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發生變形，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基

14、礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻式傳感器電阻式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 應變應變 物體在外部壓力或拉力作用下發生形變的現象物體在外部壓力或拉力作用下發生形變的現象 彈性應變彈性應變 當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變 彈性元件彈性元件具有彈性應變特性的物體具有彈性應變特性的物體2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖土工程測試技術電阻應變片的工作原理是基于

15、應變效應電阻應變片的工作原理是基于應變效應即：導體或半導體材料在外界力的作用下產生機即：導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應發生變化，械變形時，其電阻值相應發生變化， 這種現這種現象稱為象稱為“應變效應應變效應”。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖土工程測試技術一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為： AlR2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電

16、阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖土工程測試技術 當電阻絲受到拉力當電阻絲受到拉力F作用時，作用時， 將伸長將伸長l，橫截面，橫截面積相應減小積相應減小A，電阻率因材料晶格發生變形等因素，電阻率因材料晶格發生變形等因素影響而改變了影響而改變了，從而引起電阻值變化量為，從而引起電阻值變化量為 ：2LLdRddLdAAAA2、測試技術的基礎知識 AdALdLdRdR 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖土工程測試技術電阻相對變化量：電阻相對變化量：

17、式中：式中：dL/L長度相對變化量，用應變長度相對變化量，用應變表示為表示為 LdL2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖土工程測試技術 dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電為電阻絲的半徑，微分后可得阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則，則 ：rdrAdA22、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖

18、土工程測試技術材料力學：材料力學：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，長， 沿徑向縮短，沿徑向縮短， 軸向應變和徑向應變的關系可表示為軸向應變和徑向應變的關系可表示為 ：LdLrdr為電阻絲材料的泊松比，為電阻絲材料的泊松比， 負號表示應變方向相反。負號表示應變方向相反。 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器工作原理工作原理應變效應應變效應巖土工程測試技術巖土工程測試技術因此有：因此有：dRdR)21 (2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.

19、1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 定義：定義：電阻絲的靈敏系數電阻絲的靈敏系數（物理意義）：單位應（物理意義）：單位應變所引起的電阻相對變化量。其表達式為變所引起的電阻相對變化量。其表達式為 dRdRK212、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術靈敏度系數靈敏度系數K受兩個因素影響：受兩個因素影響：（1 1）應變片受力后材料幾何尺寸的變化，即）應變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+21+2（2 2）是應變片受力后材料的電阻率發生的變化，即（

20、）是應變片受力后材料的電阻率發生的變化，即（/ /）/ /。 對對金屬材料金屬材料：1+21+2( ( / /)/)/ 對對半導體材料半導體材料：( ( / /)/)/1+21+2 大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，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電阻的相對變化與應變成正比，即成正比，即K K為常數。為常數。 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術對對金屬材料金屬材料：1+2( /)/對對半導體材料半導體材料：( /)/1+2n大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，

21、大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內， 電阻的相對電阻的相對變化與應變成正比，即變化與應變成正比，即K為常數。為常數。 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術（1）電阻應變片種類）電阻應變片種類常用的電阻應變片有兩種：常用的電阻應變片有兩種：金屬電阻應變片金屬電阻應變片半導體應變片半導體應變片 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術金屬電阻應變片金屬電阻應變片12K 2、測試技術的

22、基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術半導體應變片半導體應變片K2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術半導體應變片的電阻率相對變化量與所受的應變力有關半導體應變片的電阻率相對變化量與所受的應變力有關：E式中式中： 半導體材料的壓阻系數半導體材料的壓阻系數;半導體材料的所受應變力半導體材料的所受應變力; E半導體材料的彈性模量半導體材料的彈性模量; 半導體材料的應變。半導體材料的應變。2、測試

23、技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術（2）電阻應變片構造）電阻應變片構造 電阻應變式傳感器由電阻應變片、彈性元件和測電阻應變式傳感器由電阻應變片、彈性元件和測量電路的部分構成。電阻應變片又稱電阻應變計，一量電路的部分構成。電阻應變片又稱電阻應變計，一般由敏感元件、基底、引線、和覆蓋層組成般由敏感元件、基底、引線、和覆蓋層組成。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術2、測試技術的基礎知

24、識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術1、3 粘合層基底、蓋片敏感柵2引出線2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術絲式：由金屬電阻絲盤繞或焊接而成。箔式：由金屬電阻箔采用光刻技術制造。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 金屬箔式應變片的敏感柵，是用柵狀金屬箔片代替柵狀金金屬箔式應變片的

25、敏感柵，是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。由于金屬箔式應變片具有線條均勻、尺寸準確、阻值屬絲。由于金屬箔式應變片具有線條均勻、尺寸準確、阻值一致性好、傳遞試件應變性能好等優點，因此，目前使用的一致性好、傳遞試件應變性能好等優點，因此，目前使用的多為金屬箔式應變片，其結構見圖多為金屬箔式應變片，其結構見圖2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 應用時將應變片粘結在被測試件表面上，當試件受力變形時，應變片的敏感柵也隨之變形，引起應變片電阻變化，通過測量電路將其轉換為電壓或電流信號輸出。2、測

26、試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術優點優點：由于應變片的尺寸小，重量輕，因而具有良好的動態特性，而由于應變片的尺寸小，重量輕，因而具有良好的動態特性，而且應變片粘貼在試件上對其工作狀態和應力分布沒有影響。適用于靜且應變片粘貼在試件上對其工作狀態和應力分布沒有影響。適用于靜態測量和動態測量。態測量和動態測量。 測量應變的靈敏度和精確度高，可測測量應變的靈敏度和精確度高，可測12微應變，誤差小于微應變，誤差小于1。 測量范圍大，既可測量彈性變形，也可測量塑性變形，變形范測量范圍大，既可測量彈

27、性變形，也可測量塑性變形，變形范圍從圍從120。 能適應各種環境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、強能適應各種環境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、強磁場以及輻射和化學腐蝕等惡劣環境下使用。磁場以及輻射和化學腐蝕等惡劣環境下使用。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術缺點缺點：大應變狀態下具有較明顯的非線性； 輸出信號較弱。2、測試技術的基礎知識 2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 金屬應變片的主要參數： 基長l：又稱標距，

28、即敏感柵的縱向長度。 基寬b：敏感柵的橫向寬度。 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 電阻值R：指應變片未經安裝也不受外力情況下于室溫時所測定的電阻值。有60，120，200，350，1000幾種規格，最常用的為120。 靈敏度K：即單位應變引起的電阻相對變化，是應變片的重要技術參數，通常K=2 K=R/R / 允許電流：允許通過應變片的最大工作電流。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術

29、巖土工程測試技術 (3)測量電路：測量電路： 把應變片的電阻變化轉變為把應變片的電阻變化轉變為 電壓或電流變化功能的電路。電壓或電流變化功能的電路。 常用應變片的靈敏度S值較小，所以電阻的變化范圍很小，一般在0.5以下。如何能測量出這樣小的電阻變化，選擇測量電路也是很重要的。 電阻應變式傳感器的測量電路是直流電橋電路。電阻應變式傳感器的測量電路是直流電橋電路。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 下圖是直流電橋電路。電橋的一個對角線接入電源電壓UI，另一個對角線為輸出電壓Uo：巖土工程測試技術巖土工程測試技術IOU

30、RRRRRRRRU432142312、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術為了使電橋在測量前的輸出為零，應該選擇四個橋臂電阻使 R1R4=R2R3 或 R1/R2=R3/R4 直流電橋的平衡條件當每個橋臂電阻變化值RiRi，電橋負載電阻為無限大時，電橋電壓可近似用下式表示：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 通常采用全等臂形式工作，即RlR2R3R4(初始值)。這樣上式可變為

31、：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術工作應變片：感受彈性元件變形，產生電阻變化并接入電橋充當橋臂電阻的應變片稱為工作應變片。根據不同的要求，應變片在電橋中有不同的接法。下面介紹三種組橋方式：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術（1）單臂電橋：即R1為應變片，其余各臂為固定電阻，則上式變為：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1

32、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術（2）雙臂電橋：即R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻，則上式變為：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術（3）全橋：即電橋的四個橋臂都為應變片，此時電橋輸出電壓公式2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術 上面討論的四種工作方式中的1、2、3、4可以是試件的縱向應變，也可以是試件的橫向應變(取決于應變片的粘貼方

33、向)。若是壓應變，應以負值代入；若是拉應變，應以正值代人。 上述四種工作方式中，全橋工作方式靈敏度最高。2、測試技術的基礎知識 2.3.1 2.3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器巖土工程測試技術巖土工程測試技術電橋的和差特性：電橋的和差特性： 當Re2，ey0;當活動銜鐵向下移時，即e1e2，eylMHz)激勵電流，產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離認金屬板的電阻率、磁導率、激勵電流i，及角頻率等有關，若只改變距離而保持其他系數不變，則可將位移的變化轉換為線圈

34、自感的變化，通過測量電路轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器工作原理與特性工作原理與特性 以最簡單的平行極板電容器為例說明其工作原理。在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為：式中0真空的介電常數，(0=8.85410-12F/m）；S極板的遮蓋面積（m2)；極板間介質的相對介電系數，在空氣中，=1； 兩平行極板間的距離（m）。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器

35、器工作原理與特性工作原理與特性 上式表明，當被測量上式表明，當被測量、S或或發生變化時，發生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。 根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為：可分為：極距變化型、面積變化型和介質變化型極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距

36、變化型和面積變化型應用較廣。三種，其中極距變化型和面積變化型應用較廣。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器工作原理與特性工作原理與特性2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器工作原理與特性工作原理與特性2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器一、極距變化型一、極距變化型 ： 如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質不變，當兩極板在被測參數作用下

37、發生位移，引起電容量的變化為：由此可得到傳感器的靈敏度為：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器二、面積變化型：二、面積變化型：2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器二、面積變化型：二、面積變化型： 上圖為典型的角位移型電容式傳感器。當動板有一轉角時，與定板之間相互覆蓋的面積發生變化，因而導致電容量變化。當覆蓋面積對應的中心角為a、極板半徑為r時，覆蓋面積為：電容量為：其靈敏度為：2、測試技術的基礎知識電容式傳感器的應用

38、： 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器一、電容式壓力傳感器一、電容式壓力傳感器2、測試技術的基礎知識電容式傳感器的應用： 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術 電容式壓力傳感器一般都利用彈性膜片作為敏感元件，利用彈性膜片在壓力作用下的變形，以改變膜片與電容固定電極之間的距離，由此改變電容式傳感器的電容量。右圖為差動式電容壓力傳感器的結構原理圖。由圖可知，該傳感器主要由一個動電極、兩個固定電極和這三個電極的引出線組成。動電極為圓形薄金屬膜片，它既是動電極，又是壓力的敏感元件，固定電極為中凹的鍍金玻

39、璃圓片。 當被測壓力(或壓差)通過過濾器進入空腔時，彈性膜片兩側的壓力差使膜片凸向一側。這一位移使兩個鍍金玻璃圓片與膜片之間的電容量發生變化，經過測量電路再轉換成相應的電壓或電流變化。當兩極板之間的距離過很小時，壓力和電容之間為線性關系。2、測試技術的基礎知識電容式傳感器的應用： 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器二、電容測厚儀 下圖為測量厚度的電容測厚儀原理圖。在被測金屬帶材的上下兩側各放置一塊面積相等，與帶材距離相等的極板2，這樣極板與帶材就形成了兩個電容器。把兩塊極板用導線連接起來就成為一個極板，而金屬帶材就是電容的另一

40、個極板，其總電容CxC1+C2=2C。如果帶材厚度發生變化，則引起電容量的變化。用交流電橋將電容的變化檢測出來，經過放大，即可由電容測厚儀顯示出帶材厚度的變化。2、測試技術的基礎知識電容式傳感器的應用： 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器2、測試技術的基礎知識電容式傳感器的應用： 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器三、電容式加速度傳感器 各種電容式加速度傳感器均采用彈簧質量系統將被測加速度變換成力或位移量，然后再通過傳感換成相應的電參量。下圖中的電容式加速度傳

41、感器就是基于這一原理制成的。該傳感器兩極板之間有一用彈簧支撐的質量塊，此質量塊的兩個端平面經磨平拋光后作為可動極板。當傳感器的殼體測量垂直方向的振動時，由于質量塊的慣性作用，使兩固定電極板相對質量塊產生位移。此時，上下兩個固定電極與質量塊端面之間的電容量產生變化，使傳感器有一個差動的電容變化量輸出。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.3電容式傳感電容式傳感器器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（1）原理）原理光 導 纖 維光纖的結構2、測試技

42、術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（1）原理）原理2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（1）光纖）光纖光纖的傳光原理2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（2）光纖傳感器的組成）光纖傳感器的組成光纖傳感器系統包括了光源、光纖、傳感頭、光探測器和信號處理電路等5個部分。光源相當于一個信號源，負責信號的發射；光纖是傳輸媒質，負責信號的傳輸；傳感頭感

43、知外界信息，相當于調制器；光探測器負責信號轉換，將光纖送來的光信號轉換成電信號；信號處理電路的功能是還原外界信息，相當于解調器。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（3）特點）特點 抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質安全，抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質安全，在易燃環境下安全可靠。在易燃環境下安全可靠。 靈敏度高。靈敏度高。 重量輕，體積小，外形可變。重量輕，體積小，外形可變。 測量對象廣泛。測量對象廣泛。 頻帶寬，測量動態范圍大。頻帶寬，測量動態范圍大。 對被測介質影響小，這對于醫藥生物領域

44、的應用極為對被測介質影響小，這對于醫藥生物領域的應用極為有利。有利。 便于復用，便于成網。便于復用，便于成網。 成本低。成本低。 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（4）分類）分類功能型(Function Fibre OpticSensor)，又稱FF型；非功能型(NonFunction Fibre Optic Sensor)，又稱NF型。 2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器（4）工作原理）工作原理基本原理基本原理

45、光纖傳感器的基本原理是將光源入射的光束經由光纖送入調制區，在調制區內，外界被測參數與進入調制區的光相互作用，使光的光學性質，如光的強度、波長(顏色)、頻率、相位、偏振態等發生變化，成為被調制的信號光，再經光纖送入光敏器件、解調器而獲得被測參數。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器強度調制光纖傳感器強度調制光纖傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器頻率調制光纖傳感器頻率調制光纖傳感器 是利用外界因素改變光纖中光的頻率，

46、通過測量光的頻率的變化來測量外界被測參數，光的頻率調制是由多普勒效應引起的。所謂多普勒效應，簡單地講，即是光的頻率與光接收器和光源之間的運動狀態有關，當它們之間是相對靜止時，接收到的光頻率為光的振蕩頻率；當它們之間有相對運動時，接收到的光頻率與其振蕩頻率發生了頻移。頻移的大小與相對運動速度的大小和方向都有關，我們測量這個頻移就能測量到物體的運動速度。2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器波長波長(顏色顏色)調制光纖傳感器調制光纖傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術

47、巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 （1）光纖壓力傳感器 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 （2）光纖溫度傳感器 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.4 光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 （3）光纖圖像傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術1、緒、緒 論論2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識 以拉緊的金屬弦作為

48、敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小,通過相應的測量電路,就可得到與拉力成一定關系的電信號。振弦的固有振動頻率f與拉力T的關系為，式中l為振弦的長度，為單位弦長的質量。 振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機構組成。 振弦一端固定、一端連接在受力機構上。利用不同的受力機構可做成測壓力、扭矩或加速度等的各種振弦式傳感器。 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術1、緒、緒 論論2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識基本原理基本原理: 鋼絲的振動頻率：鋼絲的振動頻率： 2.3 2.3 傳感器原

49、理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識lf21式中：l 鋼絲的長度； 鋼弦的應力； 鋼弦的密度。 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術1、緒、緒 論論2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術1、緒、緒 論論2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術1、緒、緒 論論2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3

50、 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.5 鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器2、測試技術的基礎知識 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.6 傳感器的選擇和標定傳感器的選擇和標定（1）傳感器的選擇原則）傳感器的選擇原則（2）傳感器的標定）傳感器的標定2、測試技術的基礎知識 傳感器的標定是利用精度高一級的標準器具對傳感器進行定度的過程，從而確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關系。同時，也確定出不同使用條件下的誤差關系。 根據輸入信號的特點可以將檢定系統分為靜態和動態兩種，因此傳感器的標定也有靜態標定和動態標定兩種。 2.3 2.3 傳感器

51、原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.6 傳感器的選擇和標定傳感器的選擇和標定2、測試技術的基礎知識傳感器的靜態標定一般包括如下步驟傳感器的靜態標定一般包括如下步驟 將傳感器的測量范圍(全量程)分成若干等間距點。 根據傳感器測量范圍的分點情況，由小到大，逐點遞增輸入標準量值，并記錄下與各點輸入值相對應的輸出值。然后再將輸入量由大到小逐點遞減，并記錄下與各點輸入值對應的輸出值。 2.3 2.3 傳感器原理傳感器原理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.3.6 傳感器的選擇和標定傳感器的選擇和標定2、測試技術的基礎知識 對傳感器進行正反行程往復循環多次測試(一般為3次10次)，并將得

52、到的輸出輸入測試數據用表格列出或畫成曲線。 對測試數據進行必要的處理，根據處理結果就可以得到傳感器的校正曲線，進而可以確定出傳感器的靈敏度、線性度、遲滯和重復性。 2.4 2.4 計算機測試系統計算機測試系統巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.4.1 計算機測試系統的基本組成計算機測試系統的基本組成 計算機測試系統的基本組成框圖如圖所示。與傳統的測試系統比較，計算機測試系統通過將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，利用計算機系統豐富的軟件、硬件資源達到測試自動化和智能化的目的。2、測試技術的基礎知識 2.4 2.4 計算機測試系統計算機測試系統巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.4.1 計算機

53、測試系統的基本組成計算機測試系統的基本組成計 算 機 總 線多路模擬開 關控 制 邏 輯被測對象 傳感器信號調理采樣保持A/D激勵裝置功率放大低通濾波D/A顯示RAMCPUROM鍵盤計算機測試系統2、測試技術的基礎知識 巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.4.1 計算機測試系統的基本組成計算機測試系統的基本組成2、測試技術的基礎知識 2.4 2.4 計算機測試系統計算機測試系統巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.4.1 計算機測試系統的基本組成計算機測試系統的基本組成 計算機測試系統的基本組成框圖如圖所示。與傳統的測試系統比較，計算機測試系統通過將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，利用計算機

54、系統豐富的軟件、硬件資源達到測試自動化和智能化的目的。2、測試技術的基礎知識 2.4 2.4 計算機測試系統計算機測試系統巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.4.1 計算機測試系統的基本組成計算機測試系統的基本組成 計算機測試系統的基本組成框圖如圖所示。與傳統的測試系統比較，計算機測試系統通過將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，利用計算機系統豐富的軟件、硬件資源達到測試自動化和智能化的目的。2、測試技術的基礎知識 2.5 2.5 誤差與數據處理誤差與數據處理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.5.1 概述概述示值及真值示值及真值 示值：測試儀器所指示的測量值。 真值：對于所要測量的量來說（客

55、觀值），一般 是未知的，是一個理想的概念。但往往不 需要運用真值。由此引出“約定真值”的概念。 “約定真值”可分為三種情況（1）規定真值（計量學上規定的量程）（2）理論真值（絕對真值）（3）相對真值2、測試技術的基礎知識 2.5 2.5 誤差與數據處理誤差與數據處理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.5.1 概述概述xXA X絕對誤差絕對誤差是指測量值與真實值之差。（測量值偏離真值的大小）表示為：A真值，測量示值。2、測試技術的基礎知識 2.5 2.5 誤差與數據處理誤差與數據處理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.5.1 概述概述相對誤差相對誤差（1）實際相對誤差：AxA（2）示值相對誤差：

56、 xxxxxx0 xBB（3）滿稱相對誤差： ：量程最大值2、測試技術的基礎知識 2.5 2.5 誤差與數據處理誤差與數據處理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.5.2 誤差分類誤差分類xxx 絕對誤差相對誤差允許誤差隨機誤差系統誤差粗大誤差工具誤差方法誤差（1）按誤差的表示方法可分為（2）按誤差出現的規律可分為（3）按誤差來源可分為2、測試技術的基礎知識（1）隨機誤差隨機誤差 2.5 2.5 誤差與數據處理誤差與數據處理巖土工程測試技術巖土工程測試技術2.5.2 誤差分類誤差分類xxx 一、隨機誤差的數字特征一、隨機誤差的數字特征 離散隨機變量的數字特征主要有以下幾種：（a）算術平均值（樣本平均值）算術平均值（樣本平均值