岩土工程测试技术

岩土工程测试技术第一局部：根底知识第一章概述一、测试技术的根本概念及测试系统1.定义：测试技术是实验科学的一局部，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法的学科。2、测试技术应用广泛：生物、海洋、气象、岩体、通信以及机械、电子等工程都都离不开测试与信息处理。3、测试系统中的信号：信号，就其具体的物理性质而言，有位移信号、速度信号、加速度信号、力信号、光信号和电信号等。目前以电信号最为方便，在测试中通常先将被测对象输出的物理量〔非电信号〕转换为电量〔电信号〕。4、测试系统的组成：测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三局部组成。如下列图所示。二、测试系统的根本特性：测试系统的特性是指测试系统的输入量和输出量之间的对应关系。测试系统的特性分为静态特性和动态特性〔测试系统的三大局部有各自的静态特性和动态特性，当这三大局部组成一个系统后，该系统又显示出了综合的静态特性和动态特性〕〔一〕、静态特性静态〔稳定状态〕是指输入量不随时间而变化或随时间变化非常缓慢的状态。静态特性是指输入量处于稳定状态时输入量与输出量之间的关系。衡量静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。1、线性度测试系统的输出——输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与测试系统满量程输出值之比，称为该测试系统的“非线性误差〞或称“线性度〞,也称“非线性度〞。通常用相对误差表示线性度大小：式中：为非线性误差〔线性度〕,为校准曲线与理想拟合直线间的最大偏差,为传感器满量程输出平均值。2、灵敏度测试系统在静态状态条件下输出量的变化值与相应的输入量〔被测量〕的变化值之比称为测试系统的灵敏度,用公式表示为：K——灵敏度，线性测试系统的灵敏度是个常数；dy——输出量的变化量；dx——输入量的变化量。系统灵敏度的变化称为“灵敏度漂移〞，常以输入不变情况下每小时内输出的变化量来衡量。显然，性能良好的测量装置，其灵敏度漂移较小。3、迟滞输入逐渐增加到某一值,与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等,叫迟滞现象。如存在迟滞差,那么输入和输出的关系就不是一一对应了,因此必须尽量减少这个差值。4、重复性重复性是指测试系统在输入量按同一方向作全量程连续屡次变化时，所得特性曲线不一致的程度。屡次重复测试的曲线重复性好，误差也小。5、稳定性稳定性表示测试系统在一个较长的时间内保持其性能参数不变的能力。6、灵敏度界限〔阈值〕输入改变Δx时,输出变化Δy,Δx变小,Δy也变小。但是一般来说,Δx小到某种程度,输出就不再变化了,这时的Δx叫做灵敏度界限。灵敏度界限也叫灵敏阈,门槛灵敏度,或阈值。〔二〕、测试系统的动态特性测试系统的动态待性，是指在测量动态信号时测试系统的输出量反映输入量的大小和随时间变化的能力。动态特性差的测试系统在测量过程中，将会产生较大的动态误差。测试系统动态特性取决于：〔1〕测试系统本身；〔2〕被测量〔输入量〕的形式。被测量的形式主要有：〔1〕规律性的：①周期性的：正弦周期输入、复杂周期输入；②非周期性的：阶跃输入、线性输入、其他瞬变输入〔2〕随机性的：①平稳的：多态历经过程、非多态历经过程；②非平稳的随机过程。“标准〞输入只有三种：正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。而经常使用的是前两种。三、测试系统的配置要求：阻抗匹配工作频率非线性量程灵敏度阈值精度四、测试技术在岩体工程中的作用：〔一〕、检测〔获取数据〕，主要有三个方面：1、为岩体工程的科学研究提供可靠的数据随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，矿物资源地下开采的深度越来越大。另外，地下工程建设如长、大山岭隧道、核废物料堆放、地下厂房等的建设越来越多。因此必须加强深部岩体力学研究与应用。通过测试技术为研究工作获得可靠的数据，并对研究成果进行验证。2、为工程设计提供可靠的数据在岩体测试数据的根底上，进行合理的假设和简化，建立数学模型，再做解析运算，并结合经验类比法，来求得问题的正确解，从而取得准确的数据资料。3、为平安生产提供可靠的数据平安信息在某些特定部位放置岩石压力传感装置，监测岩石的变化情况，预报可能发生平安问题的地点，从而减少矿山事故的发生，提高矿山平安生产的能力。〔二〕、控制〔自动控制〕五、岩体测试技术的主要任务〔研究内容〕岩体测试技术的主要内容，可归纳如下：〔1〕确定岩体的物理力学性质和结构特征；〔2〕确定岩体的变形；〔3〕确定岩体原始应力场及岩体破坏后地应力的变化〔4〕研究岩体支护结构的应力状态；〔5〕研究岩体的振动参数。六、岩体测试技术的常用方法和开展趋势〔一〕、常用的方法〔1〕机械法〔2〕电测法先将被测物理量转换为电量，然后再通过电学方法测量〔如电压、电阻、电容、电厂感等〕。应用范围非常广泛。〔3〕光测法用光学和弹性力学相结合来分析应力的方法。不能遥测、精度低、传感器安装不便，推广受限制。〔4〕声测法20世纪50年代以来，国内、外采用声波检测方法进行岩体检测，理论依据是：不同岩组的声波具有不同的特征，包括声波速度、延时、振幅及频谱等参数。以“会泽铅锌矿一号矿体岩体声波测试研究〞为例。〔二〕、开展趋势从专业角度看，测试技术应包括以下三个方面:①传感器技术②信号处理技术③仪器仪表技术从学科关系看，测试技术是综合运用多学科原理和技术，同时也直接为各专业学科效劳的一门技术学科。测试技术的开展在如下三个方面最为突出1、传感器技术迅速开展〔1〕利用新材料开发新型传感器应用各种配方的半导体氧化物制造各种气体传感器；应用光导纤维制造光纤传感器应用液晶材料制造液晶传感器应用生物功能材料制造生物传感器，等等。〔2〕利用新材料研究开发小型化集成化的传感器。2、测试仪器微机化、智能化以微处理器为核心的数字式测试仪器已成为当前测试仪器的主流。3、测量信号处理方面数据的处理速度越来越快，近年来出现了一种用于快速处理信号的器件即信号处理芯片〔DSP〕。把这一技术运用到测试技术上可使测试仪器实现在线实时能力。目前信号分析技术的开展目标是：〔1〕在线实时能力的进一步提高；〔2〕分辨力和运算精度的提高；〔3〕扩大和开展新的专用功能；〔4〕专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。现代矿山和地下工程建设的各个方面，包括岩体的开挖设计、施工、生产过程、平安管理等都是以先进的测试技术为重要支撑。测试技术的先进性已是一个地区、一个国家科技兴旺程度的重要标志之一，测试技术的作用和地位在今后将更加重要和突出第二章传感器第一节传感器的概念与组成一、传感器的概念传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。一些国家和学科领域，将传感器(Transducer或Sensor)称为换能器、变换器、变送器或探测器。传感器的输出信号通常是电量〔电信号〕。传感器〔本课程〕：把被测的非电量转换为与之有确定关系的电量的装置。二、传感器的组成一般来说，传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件〔如转换电路、辅助电路等〕组成。如下图：敏感元件——是指传感器中能直接感受〔或响应〕被测量〔输入量〕的局部。转换元件——是指传感器中能将敏感元件感受〔或响应〕出的被测量转换成电信号的局部。转换电路——又叫信号调节电路；是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路——通常包括电源，即交、直流供电系统。注意：并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。第二节传感器的分类与性能要求一、传感器的分类〔一〕、按输入量分：压力传感器、位移传感器、温度传感器、速度传感器等；〔二〕、按输出量分：参数型传感器、发电型传感器。1、参数型传感器工作原理：将被测物理量转化为电路参数，主要是电阻、电容和电感。2、发电型传感器工用原理：将被测物理量转化为电源参数的传感器，主要是电动势。具体分为：(1)、磁电式传感器(2)、压电式传感器(3)、热电式传感器(4)、光电式传感器二、传感器的特性传感器也具有第一章中所讲的各种根本特性。传感器的特性也可以分为：1、输入特性〔1〕、输入量的形式〔2〕、输入量的有效范围〔3〕、对被测量的影响2、转换特性〔1〕转换函数〔2〕传感器的误差〔3〕、传感器的抗干扰能力3、输出特性〔1〕、输入量的形式〔2〕、输出量的形式〔3〕、输出阻抗三、对传感器的要求1、转换线性要好。传感器的理想输入—输出特性是线性的，它具有以下优点：(1)可大大简化传感器的理论分析和设计计算；(2)为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出一输入特性上的两点就可以确定其余各点；(3)可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制做、安装、调试容易，提高测量精度；(4)防止了非线性补偿环节。2、灵敏度高。3、稳定可靠。4、精度要高。5、动态性能好。6、其它。第三节传感器的结构原理本节主要学习压电式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器。一、压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。1、压电效应某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个外表产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。压电效应是可逆的,即晶体在外电场的作用下也会发生形变，这种效应称为逆向压电效应。晶体的压电效应可用图来加以说明。〔a〕具有压电效应的晶体(b)不具有压电效应的晶体图2-4晶体的压电效应〔a〕不受力，正负电荷中心重合，不带电；力后，正负电荷中心不重合，带电。(b)不受力与受力后；正负电荷中心重合，不带电。2、压电效应具有方向性〔以石英晶体为例〕石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图2-5是天然石英晶体的外形图。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。图石英晶体的外形、坐标轴及切片纵向〔x轴〕压电效应产生的电荷为q＝dFq—垂直于X轴平面上的电荷；d—压电系数；F—沿晶轴X方向施加的压力。具有压电效应的电介物质称为压电材料，主要有：〔1〕压电晶体：天然和人造石英晶体。〔2〕压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅等。3、工作原理压电传感器就是利用晶体的压电效应制造的。以压电加速度传感器的工作原理为例。图2-6为压电加速度传感器的原理图。它由质量块、压电元件和支座组成。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，质量块就施加一个可变的力给压电元件〔这个可变的力是怎样产生的？〕，在晶体的两个外表上产生交变电荷(电压)；由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，就能得知物体的加速度。图压电加速度传感器的工作原理4、压电晶片的的联结方式:串联，并联.二、电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式〔包括可变磁阻式与涡流式〕和互感式〔差动变压器式〕传感器两大类。1、变间隙型电感式传感器〔1〕、传感器结构示意图传感器由线圈、铁芯和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。〔2〕、线圈电感值的表达式：I—通过线圈的电流；n—线圈的匝数；Rm—磁路总磁阻；S0—气隙的截面积；S1—铁芯的截面积；S2—衔铁的截面积；L1—磁通通过铁芯的长度；L2—磁通通过衔铁的长度；〔3〕传感器的工作原理根据式当空隙的截面积、导磁率一定时，电感量仅与空隙厚度有关，只要使衔铁发生位移，就可以改变空隙厚度，从而使电感量发生变化。2、变面积型电感传感器由可知，气隙长度不变，铁心与衔铁覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图如下图。变面积型电感传感器3、差动式传感器〔1〕、结构示意，如下图：由一个线框和一个铁芯组成。在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈，在同一线框上另外绕两组次级线圈作为输出线圈，并在线框中央圆孔中放入铁芯。〔2〕、工作原理A、当衔铁处于中间位置时，输出的电动势为零。B、当衔铁向上移动时，E1>E2C、当衔铁向下移动时，E1<E2因此通过差动式传感器输出的电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。三、电容式传感器电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。电容式传感器的根本原理：电容式传感器的根本工作原理可以用图所示的平板电容器来说明。平板电容器的电容量C为:可知：如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，那么电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。1、变间隙式电容传感器图为变间隙式电容传感器的原理图。图变间隙式电容传感器1—固定极板，2—活动极板当活动极板移动x后，其电容量为当x＜＜d时那么2、变面积式电容传感器2、变面积式电容传感器〔1〕、示意图〔2〕、工作原理当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为电容因位移而产生的变化量为3、变介电常数式电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多多种，下列图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。思考题1：变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器灵敏度〔〕。A．灵敏度增加B．灵敏度减小C．没有变化D．不能确定思考题2：试分析变间隙式电容和变面积式电容传感器的灵敏度〔系数〕?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题?思考题解答：提高传感器灵敏度的措施及应注意的问题：(1)减小极距，并在极板间放置电介质常数较高的云母片。(2)采用差动型电容式传感器。差动型电容式传感器的灵敏度〔系数〕：面积变化型电容式传感器四、磁电式传感器1、工作原理根据法拉第电磁感应定律，n匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即由上式可知：从磁电式传感器的直接应用来说，它只是用来测定速度的传感器，但经变换后，也可用来测量位移或加速度。2、磁电式传感器的结构原理从磁电式传感器的根本原理看，它有两个根本元件：〔1〕磁路系统：它产生恒定的磁场；〔2〕线圈：它运动切割磁力线产生感应电动势。作为运动局部，可以是线圈，也可以是永久磁铁。3、几种磁电传感器简介〔1〕动圈式磁电传感器①线速度型线圈作直线运动，它所产生感应电动势：当传感器结构一定，即N、B和θ均为常数，感应电动势与线圈运动速度v成正比。②角速度型线圈作旋转运动，其上产生的感应电动势：当N、B、A和K〔传感器结构已定〕均为常数时，感应电动势与角速度成正比。〔2〕CD一1型磁电式传感器1—弹簧片；2—永久磁铁；3—阻尼器；4—引线；5—芯杆；6—外壳；7—线圈；8—弹簧片图2-16CD一1型磁电式传感器第四节传感器标定一、定义在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度，称为标定。将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。二、标定方法传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数：如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。1、静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(20土5℃)、相对温度不大于85％，大气压力为101土7kPa的情况。2、标定仪器设备的精度等级确实定所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。3、标定的根本方法①利用标准仪器产生的非电量(如标准力、压力、位移等)作为输入量，输入到待标定的传感器中。②将传感器的输出量与输入的标准量作比拟，获得一系列校准数据或曲线。说明：有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测而得，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比拟。4、传感器的标定系统组成①被测非电量的标准发生器，如活塞式压力计、测力机、恒温源等。②被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等。③待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是的。5、标定过程步骤(1)将传感器全量程分成假设干等间距点；(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；(3)将输入值由大到小一点一点的减少下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值；(4)按(2)，(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环屡次测试，将得到的输出—输入测试数据用表格列出或画成曲线；(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。6、应变式测力传感器的标定标定时，把力传感器安放在标准测力设备上加载，加载系统示意图如图2—17所示。图2—17杠杆式测力机①将量程分成假设干等间距点：10、20…90、100N②由小到大加载，并记录数据。③由大到小卸载，并记录数据。④重复②③步；绘制输入—输出特性曲线。⑤数据处理，确定传感器静态特性指标。把被标定传感器接入标准测量装置后，先超负荷加裁20次以上。超载量为传感器额定负荷的120%~150%。然后按正行程加载和反行程卸载额定负荷10%的速率进行，这样屡次试验后经微机处理，即可求得该传感器的全部静特性：线性度、迟滞、重复性和灵敏度等。第三章记录装置记录方式：机械光线示波器电子示波器磁带示波器记忆示波器瞬态记录仪第一节瞬态记录仪(瞬态波形存贮器、数据采集器)七十年代核心:数模转换器存贮器特点:信号捕捉率高数字化存贮反复读取微机相连:数据处理记录分析系统，即计算机自动辅助测试系统一、瞬态记录仪工作原理主要由模—数转换器和数字存贮器组成。原理框图被测信号——放大器〔放大或衰减〕——模—数转换器〔A/D〕〔数据信号〕——数字存贮器——数—模变换器〔D/A〕〔模拟信号〕——计算机〔分析、处理〕——打印机输出电子示波器显示控制器安排存贮、“写〞“读〞转换、可以反复“取数〞多通道瞬态记录仪二、瞬态记录仪的特点1)测量精度高采用12位的A/D变换器，分辨率分别为输入满度的1/4096，误差小时基：石英晶振分频作时钟信号，精度高2)高速写入速度采样率达100MHz。慢速回放给微机3)存贮量大16KB/CH。4)记录方便数字存贮技术，将模拟信号变成数码存入RAM重现波形，省去照像记录的麻烦工艺5〕有多种触发方式：触发：使仪器开始记录工作的操作。触发功能代表着对信号的捕捉能力。触发方式：手动外触发内触发：触发电平：上升沿内触发、下降沿内触发瞬态记录仪具有可靠的同步触发功能——内触发的预置触发功能预置触发〔延时触发〕：指仪器采集的信号，记录的起始点位置较触发电平前或后〔时间轴上，以触发信号到达为0时刻〕。预置触发分为正延时触发、负延时触发正延时触发：无须观察信号波形的前沿局部，直至触发后一段时间才会有波形出现，正延时触发会丧失局部波形瞬态记录仪正延时触发记录的波形爆破测试一般不用该触发方式。瞬态记录仪前置触发〔负延时〕记录的波形过去为了记录信号的全过程，通常采用外触发方式。很难同步，难于捕捉信号瞬态记录仪采用负延时内触发能够记录触发前的信息，能将信号的全过程记录下来，这就很好地解决了同步触发的问题。预置触发原理信号未来之前——“写〞等待状态，在不断记录，不断刷新。信号来临并到达设置的触发电平时，即将信号存入“预置〞的内存区域，一直到终点才停止“写入〞而转为“读出〞。这就是“前置触发功能。RAM是一个2KB首尾相连的环形存贮器，在触发时，控制器指定“预置〞地址，并写满2047为止。这样到触发电平时，预置地址已记录了触发前的信号，而触发电平以后那么只有2048—预置数个地址记录触发后的信号。4)可连续显示和记录信号信号采集、A/D、存储、读出、D/A等所需时间极短，可边采集、边显示。利用存储器先进先出的原那么，可使存储器中的内容不断刷新，从而可对连续不断的信号进行连续记录和显示。5)可进行数据处理〔数字化〕3.瞬态记录仪的主要技术特性1)通道数通道数：两类：每通道都配一套放大、采样、A/D数字存储器各路共用一套D/A及存储器，在信号输入端加一个多路转换开关，用切换方式记录多路信号2)主要输入特性电压范围：为十毫伏至数十伏带宽：主要由采样率和输入放大器带宽决定输入阻抗：通常为1M左右3)采样率爆破测试信号大多是连续的时间函数x(t)以一定的时间间隔采集有限个瞬时值采样间隔与信号频谱成份有关信号频率越高，采样点越多对于直流，一个瞬时值就能表示信号全部内容采样:从被测信息中获得样品——离散的瞬时值的过程.采样频率：每秒采集的点数每采一次或一字所需的时间采样速率的选择采样定理:采样频率应为被测信号最高谐波频率的两倍。实际上:1/3~1/5如采样频率为20MHz，其放大器的带宽那么为6MHz。采样速率、存储器容量、记录时间的关系。4)相对误差相对误差常以字长表示，如8位、10位、12位、16位等。5)存储器容量存储器容量常以可存储的字数或采样点数来表示一般1k表示可存储1024个采样点容量的选择取决于被测信号的频率和延续时间目前瞬态记录仪可广泛应用于从准静态到高速瞬变动态过程的测试与分析场合。六、记录仪的选择根据被测对象与要求：测点数、精确度信号的特点：频率、持续时间、幅度放大器：输出阻抗及输出功率环境条件：仪器电源、体积、重量、抗震性能，温度稳定性七、测试技术的主要内容爆破动态应变测试爆破震动测试冲击波测试爆破噪声测试爆破声波测试爆破过程高速摄影第四章电阻应变式测试技术第一节概述一、电阻应变式测试技术的根本原理根本原理:将待测量的变化转换成传感元件(应变片)电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。二、电阻应变式〔片〕测试系统一般由电阻应变片、电阻应变仪和记录仪器等组成。如图4-1所示。电阻电阻应变片电阻应变仪待测应变量显示记录装置电阻应变片：把待测的应变量转换成电阻值的变化。起作把非电量变为电量的作用。电阻应变仪：把电阻值的变化转为电压的变化，并将其放大和显示出来。最后，利用应变值和电压值之间的标定关系，将电压信号换算成待测的应变值第二节电阻应变片一、电阻应变片的一般构造1——电阻丝(敏感栅)—转换元件2——基底与面胶—中间介质和绝缘作用3——覆盖层—保护敏感栅4——引出线—连接测量导线之用b—栅宽L—应变计的标距,或栅长L×b—应变计的使用面积二、电阻应变片的工作原理1、金属应变片的工作原理〔1〕应变效应电阻丝〔导体或半导体材料〕在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。〔2〕电阻变化与应变的关系长为L、截面积为S〔半径为r〕、电阻率为ρ，电阻为R的金属或半导体电阻丝。(5)、(6)式就是“应变效应〞的表达式。——电阻丝的灵敏系数，其物理意义是：单位应变所引起的电阻相对变化。受两个因素影响：①由于电阻丝的几何尺寸的改变所引起,用(1+2μ)项表示；②电阻丝受力后,材料的电阻率ρ发生变化而引起,用项表示。对金属电阻应变片，有金属应变片被拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。一般在2左右。3、半导体应变片的工作原理主要是利用了半导体的压阻效应。(1)压阻效应是指半导体材料在某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。(2)工作原理—半导体材料的压阻系数；—半导体材料的弹性模量三、电阻应变片的分类根据应变片的制做材料，主要有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。1、金属电阻应变片(1)丝式应变片〔如图4-4所示〕金属丝式应变片(2)箔式应变片〔图4-5所示〕图4-5金属箔式应变片它是利用光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片。与丝式应变片相比有如下优点:①可通过较大的电流；②可挠性好,传递变形可靠；③弯头横向效应可以忽略；④蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长；⑤可制成多种形状复杂、尺寸准确的敏感栅。几种箔式应变片主要缺点是电阻值的分散性大，需要作阻值调整。(3)金属薄膜应变片它是采用特殊的工艺方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜〔厚度在0.1μm以下〕，再加上保护层而制成的应变片。这种应变片的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作温度范围较广，可在-197～317℃温度下工作。主要问题是：尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。2、半导体应变片它是利用半导体电阻材料制成的应变片。其结构如图4-7所示。其工作原理是利用了半导体的压阻效应。图4-7半导体应变片半导体应变片的优点：灵敏度高〔100~175〕；机械滞后小；横向效应小；体积小,耗电省。半导体应变片的缺点：灵敏度随温度变化较大；灵敏度的离散性大；大应变下的非线性大。四、电阻应变片的特性1、应变片的横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧局部组成，如图4-8所示。拉伸被测试件时,粘贴在试件上的应变片就会发生变形。敏感栅的变形〔1〕直线段和圆弧段的应变及电阻变化①直线段：轴向拉应变εx，电阻值增加。②θ=л/2处：产生负的压应变-εy，电阻减小。③和处：应变由+εx变化到-εy。电阻从增大变为减小。这样,圆弧段的电阻变化,显然将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化。那么，对于长度相等的直线段与圆弧段，有〔2〕横向效应因此,将同样长的金属丝做成敏感栅后,对同样应变,应变片敏感栅的电阻变化较小,导致灵敏度有所降低。这种现象称为应变片的横向效应。2、应变片的非线性实际上,应变片的dR/R~ε特性曲线并不完全是一条直线，即应变片具有非线性。3、机械滞后对贴有应变片的试件进行加载和卸载时,其dR/R-ε特性曲线不重合。如图4-8所示。图中的δ称为应变片的机械滞后值。加载加载卸载卸载图4-8应变片的机械滞后4、零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受载荷的条件下，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。在所受的应力和温度均不变的情况下，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性。蠕变中包含零漂。5、应变极限粘贴在试件上的应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。在一定的温度下,对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷,当应变片的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时,就认为应变片已到达破坏状态,此时的真实应变值就作为该批应变片的应变极限。6、应变片电阻值R应变片在未安装也不受外力的情况下,室温时测得的电阻值。国内应变片系列习惯上选用120、175、350、500、1000、1500Ω。用得最多的是120Ω。7、应变片的灵敏系数它是用实验来测定的，而不是计算出来的。为什么？原因是：金属丝做成应变片后，由于基底传递应变失真、粘结剂的蠕变以及敏感栅的横向效应的影响，电阻应变片的灵敏系数与单根金属丝将有所不同。取实验测定的平均值作为某批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数,或称“标定灵敏系数〞。第四节传感器标定一、定义在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度，称为标定。将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。二、标定方法传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数：如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。1、静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(20土5℃)、相对温度不大于85％，大气压力为101土7kPa的情况。2、标定仪器设备的精度等级确实定所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。3、标定的根本方法①利用标准仪器产生的非电量(如标准力、压力、位移等)作为输入量，输入到待标定的传感器中。②将传感器的输出量与输入的标准量作比拟，获得一系列校准数据或曲线。说明：有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测而得，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比拟。4、传感器的标定系统组成①被测非电量的标准发生器，如活塞式压力计、测力机、恒温源等。②被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等。③待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是的。5、标定过程步骤(1)将传感器