土木工程监测技术

土木工程监测技术

第一章测试技术理论基础

测试技术是测量技术和试验技术的总称。

现代测试技术的主要功用：

●各种参数的测定；

●自动化过程中参数的反馈、调节和自控；

●现场实时检测和监控；

●试验过程中的参数测量和分析。

测试系统应具有的功能：

●将被测对象置于预定状态下；

●对信息进行采集、变换、传输；

●对信号进行必要的分析、处理和判断；

●信号的显示或记录。

现代测试技术的发展趋势：

●高精度、小型化和智能化；

●新型传感器的研制。

一、测试系统的组成

一个测试系统可以由一个或若干个功能单元所组成。

一个功能单元组成的测试系统：

弹簧称；温度计。

多个功能单元组成的测试系统：

直剪试验计算机测试系统（如图1－1）。

典型的力学测试系统由四大部分组成（如图1－2）：

荷载系统、测量系统、显示与记录系统。

1、荷载系统

荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使被测对象(试件)有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。

地下工程试验采用的荷载系统有：

液压式、重力式、杠杆式、弹簧式、气压式、等等。

2、测量系统

测量系统由（一次仪表）、中间变换和测量电路（二次仪表）组成。

一次仪表（传感器）把被测量（如力、位移）变成电信号；

二次仪表将信号变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。

不同的传感器要求与其相匹配的二次仪表。

模拟式仪器中包含有抗干扰和滤波器等电路或器件；

数字式仪器中包含有抗干扰和滤波器等软件。

3、显示和记录系统

它是将信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来，是测试系统的输出环节。

数据显示：各种表盘、电子示波器和显示屏；

数据记录：函数记录仪、光线示波器、打印机和绘图仪等；

数据存储：磁带记录仪、磁盘（硬盘、软盘）等，设备来实现，直剪试验计算。机辅助测试系统中，以微机屏幕、等作为显示记录设备。

二、测试系统的主要性能指标

测试系统的主要性能指标是经济合理地选择测试系统时所必需明确的。

1、测试系统的精度和误差

精度：测试系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度。精度与误差是同一概念的两种不同表示方法。精度越高，误差越低。通常用测试系统相对误差和引用误差的大小来表示其精度的高低：

绝对误差 (1－1a)

相对误差 (1－1b)

引用误差 (1－1c)

真值：常用更高精度的仪器测得的值X0代替真值（叫约定真值）。

例1：某压力盒的量程为1MPa，引用误差为满量程的1%，

若：测试结果是0.1MPa，则：=0.01MPa，=10%。。

若：测试结果是0.8MPa，则：=0.01MPa，=1.25%。

两者绝对误差均为0.01MPa，相对误差分别为：10%、1.25%。

例2：某压力盒的量程为1MPa，相对误差为1%，

若：测试结果是0.1MPa，则：=0.001MPa，=1%。

若：测试结果是0.8MPa，则：=0.008MPa，=1%。

两者相对误差均为1%，绝对误差分别为0.001MPa、0.008MPa。

结论：

●绝对误差不能用来衡量不同仪表的质量好坏

如：0.01MPa与0.01mm不能比；

●用引用误差表示仪器的精度，相对误差随被测量值而变

故：应尽量避免仪器在小于三分之一量程内工作。

●用相对误差表示仪器的精度，绝对误差随被测量值而变

2、稳定性

仪器示值的稳定性的两种指标：

时间上稳定性，以稳定度表示。

仪器外部环境和工作条件变化所引起的示值不稳定性，以各种影响系数表示。

（1）稳定度：由于仪器中随机性变动、周期性变动、漂移等引起的示值变化。一般用精密度的数值和时间长短同时表示。

例如：s＝1.3mv/8h表示每8小时内引起电压的波动为1.3mV。

（2）环境影响：仪器工作场所的环境条件，诸如室温、大气压、振动等外部状态以及电源电压、频率和腐蚀气体等因素对仪器精度的影响，统称环境影响，用影响系数表示。

例如：

温度系数βr(示值变化/温度变化)；

电源电压系数βu＝0.02mA/10%表示电压每变化10%引起示值变化0.02mA。

3、测量范围(量程)

测量范围(量程)：系统正常工作时所能测量的最大量值范围。

在动态测量时，还需同时考虑仪器的工作频率范围。

4、分辨率

分辩率（灵敏阈）：系统可能检测到的被测量的最小变化值。

通常要求测定仪器在零点和90%满量程点的分辩率。

5、传递特性

传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。

静态测量：不随时间变化(或随时间变化很慢而可以忽略)的量的测量；

动态测量：对随时间而变化的量的测量。

静态传递特性：描述测试系统静态测量输入－输出函数关系的方程、图形、参数；动态传递特性：描述测试系统动态测量输入－输出函数关系的方程、图形、参数。作为静态测量的系统，可以不考虑动态传递特性；

作为动态测量的系统，则既要考虑动态传递特性，又要考虑静态传递特性。

1、理想的测试系统：

●输出能精确地反映输入；

●具有确定的输入－输出关系；

●输出与输入成线性关系

●时不变性。

2、线性系统：

若系统的输入x(t)和输出y(t)之间关系可以用常系数线性微分方程式来表示：

(1－2)

式中：分别是输出y(t)的各阶导数；

分别是输入x(t)的各阶导数；

为常数。

说明：

微分方程的常数只与测试系统的特性有关，不随时间的变化而变化。

信号的输出与输入和信号加入的时间无关，即线性时不变性系统。

在线性系统中的任一环节(如传感器、运算电路等)都可简化为如图1－3的方框图。