第3章数据采集与测量仪器

3.1 测量仪表的基本概念
3.1.4 观测仪器选择
1、在选择仪器时，必须从试验实际需要出发，使所用仪 器能很好地符合量测所需的精度与量程要求，但要防止盲目选 用高准确度和高灵敏度的精密仪器。一般的试验，要求测定结 果的相对误差不超过5%。
必须注意到，精密量测仪器的使用，要求有比较良好的环 境和条件。如果条件不够理想，其后果不是仪器遭受损伤，就 是观测结果不可靠。总之，仪器选择时既要保证精度，也要避 免盲目追求高精度。应使仪表的最小刻度值不大于5%的最大 被测值。
），即个别
r
测定的相对偏差。
因此，绝对偏差＝测值×100%
3.1 测量仪表的基本概念
3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
（3）准确度与精密度的关系
准确度表示测量的正确性，而精密度则表示测量的重复性 或再现性。分析工作要求测量的准确度要高，精密度要好。但 精密度好并不能保证准确度也高。例如，某石灰石矿含CaO 的质量百分数为53.77。若甲分析得结果为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。 比较三人的分析结果，可见甲的准确度低，精密度差；乙的精 密度虽好，但准确度却低；只有丙的准确度高，精密度也好， 其测定结果是可取的。
电桥的连接方式有多种： 1/4桥连接：即电桥电路的4个桥臂中仅一个桥臂是测量应 变计，其它桥臂连接的是等值电阻。这种连接方式可测量出应 变，但测量值中包含试件的温差胀缩应变。
3.2 应变测量
B
R 1
R2
3.2.2 应变电测法
A
电桥的连接方式有多种：
U0
C
U1
2/4桥连接：即电桥电路 的4个桥臂中，一个桥臂是测
温度补偿的方法是设置温度补偿应变计，并按照一定的桥 路进行连接。温度补偿应变计与测试应变计都是相同的应变计 ，并且应该在相同的温度环境下粘贴在相同材质的物体上，测 试应变计粘贴在受力的试件上，温度补偿应变计粘贴在不受力 的物体上。
3.3 位移测量
结构位移包括线位移和角位移。线位移如受弯构件的挠度 或竖向构件的侧移。角位移如节点的转动或扭转角等。
线位移的测量仪器有机械式百分表、机械式千分表、机电 两用式百（千）分表（如右图）、电测位移传感器等。
角位移的测量仪器有 水准管式倾角仪、电子倾 角仪。
角位移也可通过测量 绕某点转动的线位移及转 动半径计算得到。
3.4 应变场的应变及裂缝测定
3.5 力与温度的测量
测量力值的主要目的是控制加载量和进行加载分级；对于 超静定结构测量支座反力。
3.2 应变测量
应变为单位长度范围内的伸长或缩短。
3.2.1 应变的机械测量法
应变测试手段除了电阻应变方法外，主要还有手持式应变 仪法和位移计法。
手持式应变仪法和位移计法的工作原理基本相同，均是通 过百分表或位移计测量两点之间的伸缩长度Δl，设两点之间的 初始距离为l，则两点之间的平均应变可按下式计算：
的数值。刻度值的倒数为该仪表的放大率V，即V 1 。 A
3.1 测量仪表的基本概念
3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
技术指标：
2、量程S，是指测量上限值和下限值的代数差，即仪表刻
盘上的上限值减去下限值，即 Sxmax xmin。
3、灵敏度K，是指某实际物理量的单位输出量与输入增 量的比值K， y 。
力值测量仪器有机械式和电测式两种。对于液压加载器， 还可根据油压表测量。
机械式测力仪是根据弹性元件的受力变形量与力值的关系， 通过测量变形确定受力大小，如压力环等。
电测式测力仪有应变式测力传感器、压电式测力传感器等 种类。应变式测力传感器是根据弹性元件的受力应变量与力值 的关系，通过电阻应变仪测量受力大小。
3、应变计的粘贴
3.2 应变测量
3.2.2 应变电测法
4、应变测量电桥
应变计的电阻值随应变所发生的阻值变化量极小，甚至不 能精确测量出来。为此，在应变仪中设置电桥电路，将应变计 接入电桥电路，则桥臂上应变电阻的变化将导致桥路输出电压 或电流的变化，电压及电流信号是可以放大的，因而较电阻变 化容易测量出来。
3.1 测量仪表的基本概念 3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
技术指标：
7、可靠性，在规定的条件下（满足规定的技术指标，包 括环境、使用和维护等），满足给定的误差极限范围内连续工 作的可能性，或者说构成仪表的元件或部件的功能随着时间的 增长仍能保持稳定的程度。
3.1 测量仪表的基本概念
3.1.2 测量方法
第 3 章 数据采集与测量仪器
本章主要内容：测量仪表的基本概念，应变 测量，位移测量，应变场的应变与裂缝测量，力 与温度的测量，数据采集系统。
本章重点内容：应变测量与位移测量，应变 场的应变与裂缝测量，力与温度的测量。
本章难点内容：应变测量与位移测量，应变 场的应变与裂缝测量。
3.1 测量仪表的基本概念
3.1 测量仪表的基本概念
3.1.4 观测仪器选择
2、仪器的量程应该满足最大应变或挠度的需要。如在试 验中途调整，必然会增大测量误差，应当尽量避免。为此，仪 器最大被测值宜在满量程的1/5～2/5范围内，一般最大被测值 不宜大于选用仪表最大量程的80%。
3、如果测点的数量很多而且测点又位于很高很远的部位， 这时采用电阻应变仪多点测量或远距测量就很方便，对埋于结 构内部的测点只能用电测仪表。此外，机械式仪表一般是附着 于结构上，要求仪表的自重轻、体积小，不影响结构的工作。
x
4、分辨率，当输入量从某个任意非零值开始缓慢的变化 时，将会发现只要输入的变化值不超过某一个数值，仪表的示 值是不会发生变化的。使仪表示值发生变化的最小输入变化值 叫做仪表的分辨率。
3.1 测量仪表的基本概念 3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
技术指标：
5、滞后，某一输入量从起始量程增至最大量程，再由最 大量程减至最小量程，在这正反两个行程输出值之间的偏差称 为滞后。
6、精确度 （1）准确度与误差 准确度是指分析结果与真实值相符合的程度，通常用误差 的大小来表示。误差越小，分析结果的准确度就越高。
3.1 测量仪表的基本概念
3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
技术指标：
6、精确度
（1）准确度与误差
误差有两种表示方法：绝对误差和相对误差。绝对误差是
测定值与真实值之差，相对误差是绝对误差在真实值中所占的
3.1 测量仪表的基本概念
3.1.3 仪器误差及消除方法
1、误差分类
（2）系统误差 系统误差是在一组测量中，常保持同一数值和同一符号的 误差，因而系统误差有一定的大小和方问，它是由于测量原理 的方法本身的缺陷、测试系统的性能、外界环境（如温度、湿 度、压力等）的改变、个人习惯偏向等因素所引起的误差。有 些系统误差是可以消除的，其方法是改进仪器性能、标定仪器 常数、改善观测条件和操作方法以及测定值进行合理修正等。
狭义测量：被测的量与同性质的标准量进行比较，并确定
被测的量是标准量的多少倍。
广义测量：对被测对象进行检出、变换、分析、处理、判
断、控制和显示等。这些环节的组合称为测试 系统。
3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
组成：检出变换系统、放大系统、记录显示系统
技术指标：
1、刻度值A，指分度表上每一最小刻度所代表的被测量
3.1 测量仪表的基本概念 3.1.4 观测仪器选择
4、选择仪表时必须考虑测读方便省时，必要时须采用自 动记录装置。
5、为了简化工作，避免差错，量测仪器的型号规格应尽 可能选用一样的，种类愈少愈好。有时为了控制观测结果的正 确性，常在校核测点上使用另一种类型的仪器，以致比较。
6、动测试验使用的仪表，尤其应注意仪表的线性范围频 响特性和相位特性要满足试验量测的要求。
3.2 应变测量 3.2.2 应变电测法
在测量过程中，常将某些物理量发生的变化，先变换为电 参量的变化，然后用量电器进行量测。
电阻应变法测量应变需要的仪器包括应变计和应变仪。其 中应变计属于传感器，应变仪属于放大、测量、显示器。
1、应变计的工作原理
应变计粘贴在试件测点表面，当应变计的电阻丝随试件发 生应变时，由于电阻丝长度和截面积的变化，导致电阻丝的阻 值发生相应的变化，其定量关系如下： dR K
百分率，即：绝对误差＝测定值－真实值
绝对误差
相对误差＝
100％
真实值
例如称得某一物体的质量为1.6380g，而该物体的真实质量为1.6381g，测定结果 与真实值的差为：绝对误差＝1.6380g－1.6381g＝－0.0001g
相对误差＝－0.0001g/1.6381g=-0.006%
3.1 测量仪表的基本概念
R 式中K称为应变计的灵敏系数，K是应变计的初始电阻。
3.2 应变测量 3.2.2 应变电测法
2、应变计的构造及主要技术指标
应变计的构造如图。 应变计主要技术指标：
3.2 应变测量 3.2.2 应变电测法
2、应变计的构造及主要技术指标
应变计的构造如图。 应变计主要技术指标： （1）电阻值。一般R=120Ω，应与应变仪匹配。 （2）有效长度L。所测应变为L范围内的平均应变；选择 应变片时应考虑测点范围的应变梯度及材料，对混凝土，L宜 为粗骨料粒径的3倍。 （3）灵敏系数K。表示单位应变引起的电阻变化，与应变 计的构造和材料有关。
3.1.1 测量仪表的组成及技术指标
（2）精密度与偏差
精密度是指在相同条件下几次平行测定的结果相互接近的 程度，通常用偏差的大小来表示。偏差越小，分析结果的精密 度就越高。
偏差也有绝对偏差和相对偏差之分。测定结果（x i ）与平
均值（ x ）之差为绝对偏差（d），即个别测定的绝对偏差；
绝对偏差在平均值中所占的百分率为相对偏差（ d
R 4