巖土工程測(cè)試技術(shù)第一部分：基礎(chǔ)知識(shí)第一章 概述一、測(cè)試技術(shù)的基本概念及測(cè)試系統(tǒng)1.定義：測(cè)試技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測(cè)量原理和測(cè)量信號(hào)的分析處理方法的學(xué)科。2、測(cè)試技術(shù)應(yīng)用廣泛：生物、海洋、氣象、巖體、通信以及機(jī)械、電子等工程都都離不開(kāi)測(cè)試與信息處理。3，就其具體的物理性質(zhì)而言，有位移信號(hào)、速度信號(hào)、加速度信號(hào)、力信號(hào)、光信目前以電信號(hào)最為方便，在測(cè)試中通常先將被測(cè)對(duì)象輸出的物理量（非電信號(hào)）轉(zhuǎn)換為電量（信號(hào)。4、測(cè)試系統(tǒng)的組成：測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。如下圖所示。二、測(cè)試系統(tǒng)的基本特性：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)（了綜合的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性）（一、靜態(tài)特性靜態(tài)是指輸入量處1、線性度Y校準(zhǔn)曲線擬合直線max測(cè)試系統(tǒng)的輸出——輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與測(cè)試系統(tǒng)滿量程輸出值之比，稱為該測(cè)試系統(tǒng)的“非線性誤差”或稱“線性度”,也稱“Y校準(zhǔn)曲線擬合直線maxYmax100%Ymax100%YFS通常用相對(duì)誤差表示線性度大?。篺e式中： f

為非線性誤差（線性度）,

,

YS

傳感器滿量程輸出平均值。2、靈敏度測(cè)試系統(tǒng)在靜態(tài)狀態(tài)條件下輸出量的變化值與相應(yīng)的輸入量（被測(cè)量）的變化值之比稱為測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度,用K輸出量的變化值dy輸入量的變化值 dx公式表示為：K——dy——輸出量的變化量；。系統(tǒng)靈敏度的變化稱為“靈敏度漂” 常以輸入不變情況下每小時(shí)內(nèi)輸出的變化量來(lái)衡量。顯然，性能良好的測(cè)量裝置，其靈敏度漂移較小。3、遲滯,與輸入逐漸減小到同一輸入值時(shí)的輸出值不相等,叫遲滯現(xiàn)象。如存在遲滯差,,因此必須盡量減少這個(gè)差值。YXYXFSY2Y1O4、重復(fù)性5、穩(wěn)定性5、穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示測(cè)試系統(tǒng)在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)不變的能力。6、靈敏度界限（閾值）輸入改變?chǔ)時(shí),輸出變化Δy,Δx變小,Δy也變小。但是一般來(lái)說(shuō),Δx小到某種程度,輸出就不再變化了,這時(shí)的Δx叫做靈敏度界限。靈敏度界限也叫靈敏閾,門檻靈敏度,或閾值。（二、測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性態(tài)特性差的測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差。測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性取決于1）2）被測(cè)量（輸入量）的形式。被測(cè)量的形式主要有：規(guī)律性的：①周期性的：正弦周期輸入、復(fù)雜周期輸入；②非周期性的：階躍輸入、線性輸入、其他瞬變輸入隨機(jī)性的：①平穩(wěn)的：多態(tài)歷經(jīng)過(guò)程、非多態(tài)歷經(jīng)過(guò)程；②非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程?！皹?biāo)準(zhǔn)”輸入只有三種：正弦周期輸入、階躍輸入和線性輸入。而經(jīng)常使用的是前兩種。三、測(cè)試系統(tǒng)的配置要求：阻抗匹配工作頻率非線性量程靈敏度閾值精度四、測(cè)試技術(shù)在巖體工程中的作用：（一、檢測(cè)，主要有三個(gè)方面：1、為巖體工程的科學(xué)研究提供可靠的數(shù)據(jù)工作獲得可靠的數(shù)據(jù)，并對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。2、為工程設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)求得問(wèn)題的正確解，從而取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。3、為安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)安全信息山事故的發(fā)生，提高礦山安全生產(chǎn)的能力。（二、控制）五、巖體測(cè)試技術(shù)的主要任務(wù)（研究?jī)?nèi)容）巖體測(cè)試技術(shù)的主要內(nèi)容，可歸納如下：確定巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征；確定巖體的變形；確定巖體原始應(yīng)力場(chǎng)及巖體破壞后地應(yīng)力的變化研究巖體支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)；研究巖體的振動(dòng)參數(shù)。六、巖體測(cè)試技術(shù)的常用方法和發(fā)展趨勢(shì)（一、常用的方法機(jī)械法電測(cè)法先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后再通過(guò)電學(xué)方法測(cè)量（如電壓、電阻、電容、電廠感等廣泛。光測(cè)法用光學(xué)和彈性力學(xué)相結(jié)合來(lái)分析應(yīng)力的方法。不能遙測(cè)、精度低、傳感器安裝不便，推廣受限制。聲測(cè)法20世紀(jì)50“為例。（二、發(fā)展趨勢(shì)從專業(yè)角度看，測(cè)試技術(shù)應(yīng)包括以下三個(gè)方面:①傳感器技術(shù)②信號(hào)處理技術(shù)③儀器儀表技術(shù)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展在如下三個(gè)方面最為突出1、傳感器技術(shù)迅速發(fā)展（1）利用新材料開(kāi)發(fā)新型傳感器應(yīng)用光導(dǎo)纖維制造光纖傳感器應(yīng)用液晶材料制造液晶傳感器應(yīng)用生物功能材料制造生物傳感器，等等。（2）利用新材料研究開(kāi)發(fā)小型化集成化的傳感器。2、測(cè)試儀器微機(jī)化、智能化以微處理器為核心的數(shù)字式測(cè)試儀器已成為當(dāng)前測(cè)試儀器的主流。3、測(cè)量信號(hào)處理方面信號(hào)處理芯片術(shù)運(yùn)用到測(cè)試技術(shù)上可使測(cè)試儀器實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)能力。目前信號(hào)分析技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是：在線實(shí)時(shí)能力的進(jìn)一步提高；分辨力和運(yùn)算精度的提高；擴(kuò)大和發(fā)展新的專用功能；專用機(jī)結(jié)構(gòu)小型化，性能標(biāo)準(zhǔn)化，價(jià)格低廉?，F(xiàn)代礦山和地下工程建設(shè)的各個(gè)方面，包括巖體的開(kāi)挖設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)過(guò)程、安全管理等都是以先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)為重要支撐。測(cè)試技術(shù)的先進(jìn)性已是一個(gè)地區(qū)、一個(gè)國(guó)家科技發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一，測(cè)試技術(shù)的作用和地位在今后將更加重要和突出

第二章 傳感器第一節(jié) 傳感器的概念與組成一、傳感器的概念傳感器國(guó)家和學(xué)科領(lǐng)域，將傳感器(Transducer或Sensor)號(hào)通常是電量（電信號(hào)。傳感器（本課程二、傳感器的組成一般來(lái)說(shuō)，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件（如轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等）組成。如圖所示：測(cè)量電路被測(cè)量輸入量

敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電

電量輸出量電 源敏感元件——是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺埽ɑ蝽憫?yīng)）被測(cè)量（輸入量）的部分。轉(zhuǎn)換元件——是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺埽ɑ蝽憫?yīng)）出的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分?！?hào)的電路。輔助電路——通常包括電源，即交、直流供電系統(tǒng)。注意：并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。第二節(jié) 傳感器的分類與性能要求一、傳感器的分類（一壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、速度傳感器等；（二參數(shù)型傳感器、發(fā)電型傳感器。1、參數(shù)型傳感器工作原理：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)，主要是電阻、電容和電感。參數(shù)型傳感器 參數(shù)型傳感器 、電容式傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器2、發(fā)電型傳感器工用原理：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電源參數(shù)的傳感器，主要是電動(dòng)勢(shì)。具體分為：、磁電式傳感器(3)(4)二、傳感器的特性傳感器也具有第一章中所講的各種基本特性。傳感器的特性也可以分為：1、輸入特性、輸入量的形式、輸入量的有效范圍、對(duì)被測(cè)量的影響2、轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換函數(shù)傳感器的誤差、傳感器的抗干擾能力3、輸出特性、輸入量的形式、輸出量的形式、輸出阻抗三、對(duì)傳感器的要求1、轉(zhuǎn)換線性要好。傳感器的理想輸入—輸出特性是線性的，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：可大大簡(jiǎn)化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算；為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大方便，只要知道線性輸出一輸入特性上的兩點(diǎn)就可以確定其余各點(diǎn)；可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制做、安裝、調(diào)試容易，提高測(cè)量精度；避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。2、靈敏度高。3、穩(wěn)定可靠。4、精度要高。5、動(dòng)態(tài)性能好。6、其它。第三節(jié) 傳感器的結(jié)構(gòu)原理本節(jié)主要學(xué)習(xí)壓電式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器。一、壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的一種傳感器。1、壓電效應(yīng)荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的,即晶體在外電場(chǎng)的作用下也會(huì)發(fā)生形變，這種效應(yīng)稱為逆向壓電效應(yīng)。晶體的壓電效應(yīng)可用圖來(lái)加以說(shuō)明。（（a）具有壓電效應(yīng)的晶體(b)不具有壓電效應(yīng)的晶體圖2-4 晶體的壓電效應(yīng)（a）不受力，正負(fù)電荷中心重合，不帶電；力后，正負(fù)電荷中心不重合，帶電。(b)不受力與受力后；正負(fù)電荷中心重合，不帶電。2、壓電效應(yīng)具有方向性（以石英晶體為例）2-5軸又稱電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。圖 石英晶體的外形、坐標(biāo)軸及切片縱向（x軸）壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為q＝dFq—垂直于X軸平面上的電荷；d—壓電系數(shù)；F—沿晶軸X方向施加的壓力。（1）（2）壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。3、工作原理圖壓電加速度傳感器的工作原理2-6感器的原理圖。它由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成。當(dāng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測(cè)物以同一加速度運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊就施加一個(gè)可變的力給壓電元件（這個(gè)可變的力是怎樣產(chǎn)生的？，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷電壓)；由(電壓大小，就能得知物體的加速度。圖壓電加速度傳感器的工作原理4、壓電晶片的的聯(lián)結(jié)方式:串聯(lián)，并聯(lián).圖2-7壓電晶片的的聯(lián)結(jié)方式二、電感式傳感器電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化變壓器式）傳感器兩大類。1、變間隙型電感式傳感器、傳感器結(jié)構(gòu)示意圖化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。n2n2S0 0LI—通過(guò)線圈的電流；n—線圈的匝數(shù)；Rm—磁路總磁阻；S0—?dú)庀兜慕孛娣e；S1—鐵芯的截面積；S2—截面積；L1—磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度；傳感器的工作原理n2n2S0 0根據(jù)式

當(dāng)空隙的截面積、導(dǎo)磁率一定時(shí)，電感量?jī)H與空隙厚度有關(guān)，只要使銜鐵發(fā)生位移，就可以改變空隙厚度，從而使電感量發(fā)生變化。2、變面積型電感傳感器n2Sn2S0 0

可知，氣隙長(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。變面積型電感傳感器3、差動(dòng)式傳感器、結(jié)構(gòu)示意，如圖所示：輸出線圈，并在線框中央圓孔中放入鐵芯。、工作原理AB、當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，E1>E2C、當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，E1<E2因此通過(guò)差動(dòng)式傳感器輸出的電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。三、電容式傳感器電容式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器的基本原理：電容式傳感器的基本工作原理可以用圖所示的平板電容器來(lái)說(shuō)明。Ad ε圖3.1.1 平板電平板電容器的電容量C為: C圖3.1.1 平板電之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那被測(cè)量的變化就可以直接由電容量的變化反映出來(lái)。1、變間隙式電容傳感器圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。1d2d11d2圖3.1.4 變間隙式電容傳感器圖板22活動(dòng)極板當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為CACAC1dxdx0 1d2x2當(dāng)x＜＜d時(shí)1d 1 則2xd0 Adx(dx)(dx)A(dx) A(dx)A1dd2x2d1x2d2x2、變面積式電容傳感器2、變面積式電容傳感器、示意圖ΔxΔxbxa圖3.1.2 直線位移型、工式傳感器當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為(a(ax)bbabxCbxddd0d電容因位移而產(chǎn)生的變化量為bxbaxbxbaxCdd a0xa03、變介電常數(shù)式電容傳感器CACCACB1xε1ε22xl思考題1：變間隙式電容傳感器兩極板間的初始距離d增加時(shí)，將引起傳感器靈敏度（ 。A．靈敏度增加 B．靈敏度減小C．沒(méi)有變化 D．不能確定思考題試分析變間隙式電容和變面積式電容傳感器的靈敏度（系數(shù)為了提高傳感器的靈敏度可采取什措施并應(yīng)注意什么問(wèn)? 思考題解答：C r0S兩邊微分：dC0rS2d S靈敏度 KdCdSr00 rS)22(0(10 r200)2僅當(dāng)1：0K S( )20 rC0提高傳感器靈敏度的措施及應(yīng)注意的問(wèn)題：減小極距，并在極板間放置電介質(zhì)常數(shù)較高的云母片。采用差動(dòng)型電容式傳感器。CC CC Cab S S 0r0r0 0S10r 1S0rS002)2()200r1001()22C(01)2C (1)面積變化型電容式傳感器兩邊微分：dC兩邊微分：dC0rdSKdS

0r0四、磁電式傳感器1、工作原理d根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，n匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生den dt的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小決定于穿過(guò)線圈的磁通量Φ的變化率，即或加速度。2、磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理從磁電式傳感器的基本原理看，它有兩個(gè)基本元件：（1）磁路系統(tǒng)：它產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)； （2）線圈：它運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為運(yùn)動(dòng)部分，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。3、幾種磁電傳感器簡(jiǎn)介動(dòng)圈式磁電傳感器①線速度型eeNBldxdtsinNBlvsinNBlv（當(dāng)時(shí)）2當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定，即、B和θ均為常數(shù)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈運(yùn)動(dòng)速度v成正比。②角速度型eeKNB當(dāng)N、BAK（傳感器結(jié)構(gòu)已定）均為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與角速度成正比。CD1型磁電式傳感器1—彈簧片； 2—永久磁鐵； 3—阻尼器； 4—引線；5—芯桿； 6—外殼； 7—線圈； 8—彈簧片圖2-16CD一1型磁電式傳感器第四節(jié) 傳感器標(biāo)定一、定義校準(zhǔn)。二、標(biāo)定方法比等。1、靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(20土5℃)、相對(duì)溫度不大于85％，大氣壓力為101土7kPa的情況。2、標(biāo)定儀器設(shè)備的精度等級(jí)的確定所用的測(cè)量?jī)x器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個(gè)等級(jí)。3、標(biāo)定的基本方法①利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量(如標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移等)作為輸入量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中。②將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。的比較。4、傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)組成①被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如活塞式壓力計(jì)、測(cè)力機(jī)、恒溫源等。②被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)等。③待標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。5、標(biāo)定過(guò)程步驟將傳感器全量程分成若干等間距點(diǎn)；根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少下來(lái)，同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；按(2)，(3)所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將得到的輸出—出或畫成曲線；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。6、應(yīng)變式測(cè)力傳感器的標(biāo)定標(biāo)定時(shí)，把力傳感器安放在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力設(shè)備上加載，加載系統(tǒng)示意圖如圖2—17所示。圖圖2—17杠桿式測(cè)力機(jī)①將量程分成若干等間距點(diǎn)：10、20…90、100N②由小到大加載，并記錄數(shù)據(jù)。③由大到小卸載，并記錄數(shù)據(jù)。④重復(fù)②③步；繪制輸入—輸出特性曲線。⑤數(shù)據(jù)處理，確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)。把被標(biāo)定傳感器接入標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置后，先超負(fù)荷加裁20次以上。超載量為傳感器額定負(fù)荷的120%~150%。然后按正行程加載和反行程卸載額定負(fù)荷10%的速率進(jìn)行，這樣多次試驗(yàn)后經(jīng)微機(jī)處理，即可求得該傳感器的全部靜特性：線性度、遲滯、重復(fù)性和靈敏度等。第三章 記錄裝置記錄方式：機(jī)械光線示波器電子示波器磁帶示波器記憶示波器瞬態(tài)記錄儀第一節(jié)瞬態(tài)記錄儀(瞬態(tài)波形存貯器、數(shù)據(jù)采集器)七十年代核心:數(shù)模轉(zhuǎn)換器存貯器特點(diǎn):信號(hào)捕捉率高數(shù)字化存貯反復(fù)讀取:數(shù)據(jù)處理記錄分析系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)自動(dòng)輔助測(cè)試系統(tǒng)一、瞬態(tài)記錄儀工作原理主要由?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字存貯器組成。原理框圖——放大器（放大或衰減?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器（數(shù)據(jù)信號(hào)————數(shù)—模變換器（模擬信號(hào)——計(jì)算機(jī)（分析、處理打印機(jī)輸出電子示波器顯示控制器安排存貯、“寫”“”轉(zhuǎn)換、可以反復(fù)“取數(shù)”多通道瞬態(tài)記錄儀二、瞬態(tài)記錄儀的特點(diǎn)測(cè)量精度高12A/D變換器，分辨率分別為輸入滿度的1/4096，誤差小時(shí)基：石英晶振分頻作時(shí)鐘信號(hào)，精度高高速寫入速度。慢速回放給微機(jī)存貯量大16KB/CH。記錄方便數(shù)字存貯技術(shù)，將模擬信號(hào)變成數(shù)碼存入RAM重現(xiàn)波形，省去照像記錄的麻煩工藝5）有