动应变测量基础实验课件

1、现代非电量的测试技术简介动应变测量基础实验053051班工程力学实验课程东南大学力学实验中心黄跃平第1页，共63页。科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的 门捷列夫测试技术是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。信息 是指客观世界物质运动的内容。 如：天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。信号 是指信息的表现形式。 如：刀具磨损，切削力会加大；李四病了，可能会发烧；等等。什么是测试技术？第2页，共63页。信息的提取与处理信息的提取 信息的提取是指从自然界中、社会中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。 信息的处理 信息处理是指人们把已经获得到的信

2、息进行加工、运算、分析或综合，以便进行预报、报警、检测、计量、保护、控制、调度和管理等等，以期达到预防自然灾害、预报事故、提高劳动生产率、正确计量、改善产品质量、顺利进行科学实验、进行文明生产和科学管理等目的。 具体来说，测试技术的研究内容包括：发现与各种信息相对应的信号表现形式，以及信息、信号之间的定性、定量关系，以开辟新的测试技术领域；在不同环境下寻求最佳的信号拾取、变换、处理、存贮、传输、指示、记录等方法、手段与设备。第3页，共63页。电量及非电量 在科学实验中及生产制造过程中，研究与观测的对象是多种多样的，因此，物理量也是多种多样的，这些物理量可大致分为两大类，即电量与非电量。 电 量

3、：电流I、电压V、电荷Q、电功率W、电路参数R 、L、C和电信号频率f 等等； 非电量：除电量以外的一切物理量，如高度、速度、重量、压力、温度等。 非电量电测系统的构成第4页，共63页。 自从人类发现了电能并加以利用以后，伴随着出现了各种电量的测量仪表。随着电子技术的发展，使对电量的测量技术相应得到提高。电量的测量特点是机械量测量所不能比拟的，基于电量测量的优点，人们根据一些物理原理及效应，把一些非电量转化成电量，然后用电测仪表对其进行测量和标定，这就形成了非电量电测法用电量测量方法来测量非电量。 非电量电测技术第5页，共63页。使测量仪器统一化，规格化。不同的非电量转换成相同的电量，使后继仪

4、器标准化。便于信号长距离传输、远程监测及控制。对参数进行动态测量（信号随时间变化），可测量其瞬时值及变化过程。可测微小信号及瞬变信号（作用时间很短）。易于与计算机联接，分析处理方便。非电量电测法的特点第6页，共63页。简单的测量系统组成被测对象传感器信号调理器记录.显示.分析处理伺服驱动机构非电量电测系统的组成被测信号U、IR、L、CU、I第7页，共63页。现代测试技术的一个明显特点是采用电测法；包括对电量和非电量的测量。测试系统组成如下：被测对象输入装置中间变换装置微处理器非电量电信号电信号现代测试技术将微电子学、计算机技术与电子仪器相结合，使电子仪器成为智能仪器。输出装置动应变测试系统第8

5、页，共63页。第9页，共63页。传感器：感受被测量（非电量）的变化并将其转变为电量。传感器是拾取信号的装置，在非电量电测系统中占有重要位置，它获得信号的正确与否直接影响到测量系统最终输出结果的精度以及测量结果的正确与否。传感器随物理量及变换原理的不同而不同。信号调节器：把传感器或系统中前一环节的输出变成后接仪器所需的电压或电流信号，其组成及功能取决于传感器及后继电路仪器。记录显示仪器：对信号进行记录、显示等。各部分的作用第10页，共63页。应变传感器的作用第11页，共63页。信号调理器的作用（Amplifiers ）增加信号幅度或功率并将无用的干扰信号滤除的装置。信号调理器的放大作用是用输入信

6、号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器。第12页，共63页。记录显示仪器recording instruments自动记录电量（电流、电压等）变化情况的仪表按记录方式分为笔式、光线示波器、存储式和磁带记录仪。笔式记录仪以墨水笔在纸上绘制曲线，用于记录变化缓慢的电量信号，记录幅面大，准确度高，记录函数形式为yf(t)或yf();光线示波器以光线在感光纸上进行记录，用于记录变化速率高的电量信号，可实现多通道交叉记录;存储式记录仪应用数字电路和微处理器，将输入电量信号进行快速数字存储，然后将采集的数据进行处理，并以慢速绘制曲线，

7、主要用于记录电量的高速瞬态变化过程，记录函数形式为yf(t)或yf();磁带记录仪是将信号通过磁头记录在磁带上，不能实时观察和分析，若观察和分析被记录的结果时，要从磁带上取出电量信号，并用其他记录仪表显示。磁带记录仪可记录的信号频带宽，用于记录高频电量信号或电量的高速瞬态变化过程，记录函数形式为yf(t)。 第13页，共63页。测试技术的发展方向提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性；研制新型传感器，以组成新型的自动检测系统和填补自动检测系统的空白；微电子技术、微型计算机技术与传感器技术相结合可以构成新一代的智能化自动检测系统；采用多传感器去探索检测线的、面的和体的空间参数及综合参

8、数，以构成特殊的自动检测系统。第14页，共63页。虚拟仪器（Virtual Instrument简称VI） 是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继 第一代仪器模拟式仪表、 第二代仪器分立元件式仪表、 第三代仪器数字式仪表、 第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。第15页，共63页。虚拟仪器的内部功能 测量仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。 信号采集与控制功能 虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平

9、台，实现对信号的采集、测量/转换与控制的。硬件平台由两部分组成：1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站；2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、AD转换器、数字 IO、定时器、DA转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如 GPIB仪器、VXI仪器、RS232仪器等)。 第16页，共63页。数据分析处理功能 虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理数字滤波统计处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的智能仪器有更强大的数据分析处理功能。测量结果的表达 虚拟仪器充分利用计算机资源如内存

10、、显示器等，对测量结果数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现： 通过总线网络进行数据传输； 通过磁盘、光盘硬拷贝输出； 通过文件存于硬盘内存中； 计算机屏幕显示。第17页，共63页。VI构成要素 虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。第18页，共63页。软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、P

11、CI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。第19页，共63页。 VI系统有多种构成方式： PCDAQ测量系统：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。 GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 VXI系统：是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 串口系统：是以Seial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 现场总线系统：是以 Fieldbus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 VI构成方式第20页，共63页。 被测信号GPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块PC-DAQ计

12、算机 I/O接口设备 虚拟仪器的构成方式第21页，共63页。 无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础，故虚拟仪器是基于“信息的数据采集(ADC)-信号的分析与处理(DSP)-输出(DAC)及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。第22页，共63页。1、编程设计图形化软件模块 提供图形化编程环境，通过调用控件、库函数原码模块进行仪器面板设计和数据分析处理。2、仪器驱动程序（Instrument D

13、rivers)与用户接口开发工具（User Interface Development)标准软件模块。LabView软件组成第23页，共63页。第24页，共63页。虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术是更新周期短（0.5-1年）技术更新周期长（5-10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动、智能化、远距离传输功能单一，操作不便虚似仪器和传统仪器的比较第25页，共63页。从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是向高速、高精度、大型自动测试设备（ATE）方向发展，即GPIB（1975

14、）VXI（1987）PXI（1997）的发展路线；另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即PC插卡（1987）并口式（1995）串口USB（1999）的技术路线。 虚拟仪器的分类:第26页，共63页。图3. PXI 配置的灵活性第27页，共63页。传感器的基本特性 1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。(1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即第28页，共63页。传感器的基本特性灵敏度 传感器的灵敏度是

15、指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 第29页，共63页。二、传感器的基本特性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即近似计算精确计算第30页，共63页。二、传感器的基本特性分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用

16、绝对误差表示。第31页，共63页。传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。 二、传感器的基本特性第32页，共63页。 有效数字的概念：一个数据，从左边第一个非零数字起至右边欠准数字的一位为止，其间的所有数码均为有效数字。如34与35之间读为34.5。为两位有效数字，0.5为欠准数字。在记录和计算数据时，必须注意数据的正确取舍。测量值通常都用有效数字来表示。测量数据有效数字的处理第

17、33页，共63页。作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。 第34页，共63页。加速度传感器电阻应变式加速度计结构原理如图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。第35页，共63页。第36页，共63页。 压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定

18、在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。加速度传感器第37页，共63页。 下图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加

19、速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。加速度传感器第38页，共63页。振动及动应变测量从狭义上说，通常把具有时间周期性的运动称为振动。从广义上说，任何一个物理量在某一数值附近作周期性的变化，都称为振动。振动量的测量 振动量通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移，振动速度和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。第39页，共63页。机械振动机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往复的运动。机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。 构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统当

20、前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。第40页，共63页。 系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动，系统在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动自由振动问题虽然比强迫振动问题单纯但自由振动反映了系统内部结构的所有信息，是研究强迫振动的基础机械振动的类型第41页，共63页。动应变测量实例润扬长江公路大桥，是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成的组合型特大桥梁，于2000年10月20日开工，2005年4月30日建成通车，总投资58个亿，该桥全长为35.66公里，桥面平均宽31.5米（行车道宽30米），全线采用双向六车道高速公路标准设计的，设计车速度100公里/小时。第42页，共