數(shù)據(jù)采集與測量儀器

數(shù)據(jù)采集與測量儀器第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念狹義測量：被測的量與同性質(zhì)的標準量進行比較，并確定被測的量是標準量的多少倍。廣義測量：對被測對象進行檢出、變換、分析、處理、判斷、控制和顯示等。這些環(huán)節(jié)的組合稱為測試系統(tǒng)。3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標組成：檢出變換系統(tǒng)、放大系統(tǒng)、記錄顯示系統(tǒng)技術(shù)指標：

1、刻度值A(chǔ)，指分度表上每一最小刻度所代表的被測量的數(shù)值?？潭戎档牡箶?shù)為該儀表的放大率V，即。第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標技術(shù)指標：

2、量程S，是指測量上限值和下限值的代數(shù)差，即儀表刻盤上的上限值減去下限值，即。

3、靈敏度K，是指某實際物理量的單位輸出量與輸入增量的比值，。

4、分辨率，當輸入量從某個任意非零值開始緩慢的變化時，將會發(fā)現(xiàn)只要輸入的變化值不超過某一個數(shù)值，儀表的示值是不會發(fā)生變化的。使儀表示值發(fā)生變化的最小輸入變化值叫做儀表的分辨率。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標技術(shù)指標：

5、滯后，某一輸入量從起始量程增至最大量程，再由最大量程減至最小量程，在這正反兩個行程輸出值之間的偏差稱為滯后。

6、精確度（1）準確度與誤差準確度是指分析結(jié)果與真實值相符合的程度，通常用誤差的大小來表示。誤差越小，分析結(jié)果的準確度就越高。第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標技術(shù)指標：

6、精確度（1）準確度與誤差誤差有兩種表示方法：絕對誤差和相對誤差。絕對誤差是測定值與真實值之差，相對誤差是絕對誤差在真實值中所占的百分率，即：絕對誤差＝測定值－真實值例如稱得某一物體的質(zhì)量為1.6380g，而該物體的真實質(zhì)量為1.6381g，測定結(jié)果與真實值的差為：絕對誤差＝1.6380g－1.6381g＝－0.0001g相對誤差＝－0.0001g/1.6381g=-0.006%第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標（2）精密度與偏差精密度是指在相同條件下幾次平行測定的結(jié)果相互接近的程度，通常用偏差的大小來表示。偏差越小，分析結(jié)果的精密度就越高。

偏差也有絕對偏差和相對偏差之分。測定結(jié)果（）與平均值（）之差為絕對偏差（d），即個別測定的絕對偏差；絕對偏差在平均值中所占的百分率為相對偏差（），即個別測定的相對偏差。因此，絕對偏差＝測定值－n次測定值的算術(shù)平均值相對偏差＝絕對偏差/算術(shù)平均值×100%第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標（3）準確度與精密度的關(guān)系

準確度表示測量的正確性，而精密度則表示測量的重復性或再現(xiàn)性。分析工作要求測量的準確度要高，精密度要好。但精密度好并不能保證準確度也高。例如，某石灰石礦含CaO的質(zhì)量百分數(shù)為53.77。若甲分析得結(jié)果為53.50、53.56、53.86；乙分析得53.41、53.42、53.40；丙分析得53.76、53.77和53.78。比較三人的分析結(jié)果，可見甲的準確度低，精密度差；乙的精密度雖好，但準確度卻低；只有丙的準確度高，精密度也好，其測定結(jié)果是可取的。 第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標（3）準確度與精密度的關(guān)系事實證明，只有首先保證精密度好，才有可能使準確度高。因為分析結(jié)果的精密度主要取決于實驗操作的仔細與精密程度（即偶然誤差小），而準確度則主要取決于分析方法本身（即由系統(tǒng)誤差所決定）。因此，粗心大意固然不可能得出準確的分析結(jié)果，但分析方法本身帶來的誤差，顯然也不會因操作精細而被完全消除。因此，只有在消除了分析的系統(tǒng)誤差之后，盡量提高分析的精密程度，這樣所得到的測定結(jié)果才是準確、可靠的。 第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.1測量儀表的組成及技術(shù)指標技術(shù)指標：

7、可靠性，在規(guī)定的條件下（滿足規(guī)定的技術(shù)指標，包括環(huán)境、使用和維護等），滿足給定的誤差極限范圍內(nèi)連續(xù)工作的可能性，或者說構(gòu)成儀表的元件或部件的功能隨著時間的增長仍能保持穩(wěn)定的程度。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.2測量方法

1、直接測量法和間接測量法

2、偏位測量法和零位測量法3.1.3儀器誤差及消除方法

1、誤差分類測量值與真值之間的差叫做測量誤差，它是由使用儀器、測量方法、周圍環(huán)境、人的技術(shù)熟練程度和人的感官條件等的技術(shù)水平和客觀條件的限制所引的，在測量過程中它是不可能完全消除的，但可通過分析誤差的來源、研究誤差的規(guī)律來減小誤差，提高精度。并用科學的方法處理實驗數(shù)據(jù)，以達到更接近于真值的最佳效果。第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.3儀器誤差及消除方法（1）隨機誤差隨機誤差的發(fā)生是隨機的，其數(shù)值變化規(guī)律符合一定統(tǒng)計規(guī)律，通常為正態(tài)分布規(guī)律。因此，隨機誤差的度量是用標準偏差，隨著對同一量的測量次數(shù)的增加，標準偏差的值變得更小，從而該物理量的值更加可靠。隨機誤差通常是由于環(huán)境條件的波動以及觀察者的精神狀態(tài)的等測量條件引起的。

1、誤差分類第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.3儀器誤差及消除方法（2）系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是在一組測量中，常保持同一數(shù)值和同一符號的誤差，因而系統(tǒng)誤差有一定的大小和方問，它是由于測量原理的方法本身的缺陷、測試系統(tǒng)的性能、外界環(huán)境（如溫度、濕度、壓力等）的改變、個人習慣偏向等因素所引起的誤差。有些系統(tǒng)誤差是可以消除的，其方法是改進儀器性能、標定儀器常數(shù)、改善觀測條件和操作方法以及測定值進行合理修正等。

1、誤差分類（3）粗大誤差又稱過失誤差，它是由于設(shè)計錯誤或接線錯誤、或操作者粗心大意看錯、讀錯、記錯等原因造成的誤差，在測量過程中應盡量避免。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.3儀器誤差及消除方法

2、消除誤差的方法（1）在專門的率定設(shè)備上進行；（2）采用和被率定儀器同一等級的“標準”儀器作比較來進行率定；（3）利用標準試件率定儀器。第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.4觀測儀器選擇

1、在選擇儀器時，必須從試驗實際需要出發(fā)，使所用儀器能很好地符合量測所需的精度與量程要求，但要防止盲目選用高準確度和高靈敏度的精密儀器。一般的試驗，要求測定結(jié)果的相對誤差不超過5%。必須注意到，精密量測儀器的使用，要求有比較良好的環(huán)境和條件。如果條件不夠理想，其后果不是儀器遭受損傷，就是觀測結(jié)果不可靠?？傊瑑x器選擇時既要保證精度，也要避免盲目追求高精度。應使儀表的最小刻度值不大于5%的最大被測值。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.4觀測儀器選擇

2、儀器的量程應該滿足最大應變或撓度的需要。如在試驗中途調(diào)整，必然會增大測量誤差，應當盡量避免。為此，儀器最大被測值宜在滿量程的1/5～2/5范圍內(nèi)，一般最大被測值不宜大于選用儀表最大量程的80%。

3、如果測點的數(shù)量很多而且測點又位于很高很遠的部位，這時采用電阻應變儀多點測量或遠距測量就很方便，對埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的測點只能用電測儀表。此外，機械式儀表一般是附著于結(jié)構(gòu)上，要求儀表的自重輕、體積小，不影響結(jié)構(gòu)的工作。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.1測量儀表的基本概念3.1.4觀測儀器選擇

4、選擇儀表時必須考慮測讀方便省時，必要時須采用自動記錄裝置。

5、為了簡化工作，避免差錯，量測儀器的型號規(guī)格應盡可能選用一樣的，種類愈少愈好。有時為了控制觀測結(jié)果的正確性，常在校核測點上使用另一種類型的儀器，以致比較。

6、動測試驗使用的儀表，尤其應注意儀表的線性范圍頻響特性和相位特性要滿足試驗量測的要求。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量應變?yōu)閱挝婚L度范圍內(nèi)的伸長或縮短。3.2.1應變的機械測量法應變測試手段除了電阻應變方法外，主要還有手持式應變儀法和位移計法。手持式應變儀法和位移計法的工作原理基本相同，均是通過百分表或位移計測量兩點之間的伸縮長度Δl，設(shè)兩點之間的初始距離為l，則兩點之間的平均應變可按下式計算：第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量應變?yōu)閱挝婚L度范圍內(nèi)的伸長或縮短。3.2.1應變的機械測量法手持式應變儀和位移計法的靈敏度，取決于儀器中位移計的靈敏度。另外，兩點之間的距離越大，測量精度愈高。但兩點之間的范圍內(nèi)，應變應均勻。手持式應變儀和位移計法適用于長期試驗，在結(jié)構(gòu)大變形階段測試有滿意的精度。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量3.2.2應變電測法在測量過程中，常將某些物理量發(fā)生的變化，先變換為電參量的變化，然后用量電器進行量測。電阻應變法測量應變需要的儀器包括應變計和應變儀。其中應變計屬于傳感器，應變儀屬于放大、測量、顯示器。1、應變計的工作原理應變計粘貼在試件測點表面，當應變計的電阻絲隨試件發(fā)生應變時，由于電阻絲長度和截面積的變化，導致電阻絲的阻值發(fā)生相應的變化，其定量關(guān)系如下：式中K稱為應變計的靈敏系數(shù)，K是應變計的初始電阻。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量3.2.2應變電測法2、應變計的構(gòu)造及主要技術(shù)指標應變計的構(gòu)造如圖。應變計主要技術(shù)指標：第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量3.2.2應變電測法2、應變計的構(gòu)造及主要技術(shù)指標應變計的構(gòu)造如圖。應變計主要技術(shù)指標：（1）電阻值。一般R=120Ω，應與應變儀匹配。（2）有效長度L。所測應變?yōu)長范圍內(nèi)的平均應變；選擇應變片時應考慮測點范圍的應變梯度及材料，對混凝土，L宜為粗骨料粒徑的3倍。（3）靈敏系數(shù)K。表示單位應變引起的電阻變化，與應變計的構(gòu)造和材料有關(guān)。3、應變計的粘貼第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量3.2.2應變電測法4、應變測量電橋應變計的電阻值隨應變所發(fā)生的阻值變化量極小，甚至不能精確測量出來。為此，在應變儀中設(shè)置電橋電路，將應變計接入電橋電路，則橋臂上應變電阻的變化將導致橋路輸出電壓或電流的變化，電壓及電流信號是可以放大的，因而較電阻變化容易測量出來。

電橋的連接方式有多種：

1/4橋連接：即電橋電路的4個橋臂中僅一個橋臂是測量應變計，其它橋臂連接的是等值電阻。這種連接方式可測量出應變，但測量值中包含試件的溫差脹縮應變。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量3.2.2應變電測法

電橋的連接方式有多種：AU0U1BCD

2/4橋連接：即電橋電路的4個橋臂中，一個橋臂是測量應變計，一個橋臂是溫度補償應變計，另外二個橋臂連接的是等值電阻這種連接方式不僅可測量出應變，且測量值中已消除試件的溫差脹縮應變。

4/4橋連接：用于應變式傳感器的連接。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應變測量3.2.2應變電測法5、溫度補償應變計粘貼的時刻與進行試驗的時刻一般總存在溫度差，即存在溫差應變。如果要求測量數(shù)據(jù)中消除溫差應變，則稱為溫度補償。

溫度補償?shù)姆椒ㄊ窃O(shè)置溫度補償應變計，并按照一定的橋路進行連接。溫度補償應變計與測試應變計都是相同的應變計，并且應該在相同的溫度環(huán)境下粘貼在相同材質(zhì)的物體上，測試應變計粘貼在受力的試件上，溫度補償應變計粘貼在不受力的物體上。第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.3位移測量結(jié)構(gòu)位移包括線位移和角位移。線位移如受彎構(gòu)件的撓度或豎向構(gòu)件的側(cè)移。角位移如節(jié)點的轉(zhuǎn)動或扭轉(zhuǎn)角等。

線位移的測量儀器有機械式百分表、機械式千分表、機電兩用式百（千）分表（如右圖）、電測位移傳感器等。角位移的測量儀器有水準管式傾角儀、電子傾角儀。

角位移也可通過測量繞某點轉(zhuǎn)動的線位移及轉(zhuǎn)動半徑計算得到。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.4應變場的應變及裂縫測定第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.5力與溫度的測量測量力值的主要目的是控制加載量和進行加載分級；對于超靜定結(jié)構(gòu)測量支座反力。

力值測量儀器有機械式和電測式兩種。對于液壓加載器，還可根據(jù)油壓表測量。機械式測力儀是根據(jù)彈性元件的受力變形量與力值的關(guān)系，通過測量變形確定受力大小，如壓力環(huán)等。

電測式測力儀有應變式測力傳感器、壓電式測力傳感器等種類。應變式測力傳感器是根據(jù)彈性元件的受力應變量與力值的關(guān)系，通過電阻應變儀測量受力大小。第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分：傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、計算機及軟件。

傳感器將感受到的各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀將接收到的電信號再轉(zhuǎn)換成可識別的數(shù)字量，通過屏幕顯示、或打印輸出、或輸入計算機存盤。數(shù)據(jù)采集儀上有控制鍵，可直接控制采集儀。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機可以更靈活地控制采集儀，包括實時進行數(shù)據(jù)處理、繪制數(shù)據(jù)關(guān)系曲線等。第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.7

振動測量儀器結(jié)構(gòu)振動參數(shù)很多，如動位移、速度、加速度、頻率、阻尼、振型等等。按照測量參數(shù)分類，有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等多種。按照傳感器原理分類，測振傳感器有慣性式、磁電式、壓電式等等。3.7.1慣性式測振傳感器的工作原理與靜態(tài)測試相比，測振時難以在振動體附近找到靜止的基準點。解決的方法之一，是在傳感器內(nèi)部構(gòu)建一個基準點。

傳感器構(gòu)成：外殼、質(zhì)量塊m、彈簧K、阻尼。

理論分析表明，傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊相對于傳感器外殼的振動規(guī)律，與外殼或結(jié)構(gòu)的振動有函數(shù)關(guān)系，傳感器外殼固定在振動體上，通過測量質(zhì)量塊相對于外殼的振動，確定結(jié)構(gòu)振動第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.7

振動測量儀器3.7.2測振傳感器的頻率特性慣