岩土工程监测技术-第二章 测试系统与传感器原理

E、传递特性：表示测量系统输入与输出对应关系（方程、图 形、参数）的性能。动态与静态测量的传递特性是有差异的。
在不考虑滞后与蠕变时的静态测的数学模型为：
其中：
y = a0+a1x+a2x2+…+anxn
输入x：被测物理量（如位移）输出y：测量信号量（如电压）
a0 传感器的零位输出，a1…..an为各阶常数。
最简单的测试系统：弹簧秤。
传感器（Transducer/Sensor)：能感受或响应被测物理量，并按一 定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被 测量的敏感原件和产生可用信号输出的转换原件以及相应的电子线路构 成。（见国家标准GB7665－87传感器通用术语）(感应－传递）
定义2：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关 系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
人类获取外部信息需要借助“感官－神经－大脑” ， 感官
功能包括：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉，但人的感官功能
不能满足对外部世界探索与发现的需要（有感觉阀限）。
视觉阀限（可见光）
听觉阀限（可闻声)
人类耳朵能听到 的声波频率为 20～20000Hz， 一般在500～ 5000Hz
频率高于20000Hz的声波称为 超声波 Ultrasonic，
第二讲 测试系统与传感器原理
1、测试系统的组成与主要性能指标 2、差动电阻式传感器的基本原理 3、 振动钢弦式传感器的基本原理 4、电感式传感器的基本原理 5、电阻应变片式传感器基本原理 6、其它类型的传感器原理 7、测试系统选择的原则
第一节 测试系统的组成与主要性能指标 1、科技发展与测试的关系 科技的发展，定量化与可控（可预测）是必然要求。
时间上的稳定性：它是由于仪器随机性变化、周期性变化、漂 移等引起的示值变化，一般用测量波动值与时间长短表示。如： 1.3mv/8h, 0.05％Reading/a、0.2%F.S.R/year等
环境对稳定性的影响：指工作场所的环境条件如温度、大气压、 振动等外部条件及电源电压、频率等因素对仪器精度的影响。 用影响系数(修正系数)表示:如温度修正系数、气压修正系数等。
A0－－真值（是难以确切测量的，可用精度更高的仪 器得到约定真值）
Xm－－仪器测量上限。
3、测试系统的主要性能指标：
B、稳定性（可靠性）：误差随测量过程及环境影响是变化的， 如读数产生漂移、噪声干扰等，稳定性是衡量测试系统在工作 条件和工作时间内，保持原有技术性能的能力。
稳定性有两个指标：时间上的稳定性及外部环境变化引起 的示值不稳定性。
• A、 非线性度（No-Linearity）
• 线性度又称非线性，是表征传感器输出—输入校准曲线
与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或
ห้องสมุดไป่ตู้
偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示非线性度，
即
Lm a x e 100 % L
y F .S . eL
频率低于20Hz的声波称为次
声波 Infrasonic。
• 为突破感觉阀限，人类利用各类传感器去感知并记录外部世界的“信
息”，这扩展并延伸了人的“感官”系统。
• 信息Information ：信息是事物现象及其属性标识的集合。
信息以物质介质为载体,传递和反映世界各种事物存在方式运动作态的 表征，信息是物质运动规律总和,信息不是物质，也不是能量! 信息论的创始人香农认:“信息是能够用来消除不确定性的东西”。
• 静态测量：测量不随时间变化（或变化很慢在
测量时间内可忽略）的量的测试过程叫静态测 量。
• 动态测量：测量随时间而变化的量。
•
y（t) = f (x, t)
• 标定曲线：反映测试系统输入x与输出y之间关
系的曲线。
Y
ΔHmax
0
X
eL
Lmax y F .S .
100 %
4、测试系统的静态传递特性指标
2、按用途分类： 位移传感器 压力传感器 振动传感器 温度传感器 其它传感器
3、综合分类
3、测试系统的主要性能指标： A、系统精度与误差:
测试系统的精度指测试系统给出的指示值与被测量的真值 的接近程度，误差为指示值与被测量的真值的差异程度，两者 是同一概念的不同表示方式。
绝对误差：△x= x - A0 相对误差：γx=(x-A0)/A0×100% 引用误差：γy=(x-A0)/Xm×100％（F.S) 式中： x －－仪器指示值
如：0.025%F.S.R/1℃
任何仪器都有特定的使用环境要求。
3、测试系统的主要性能指标：
C、测量范围（量程）：仪器在正常工作时所能测量的量值范
围。有些仪器同时考虑超量程指标。Y f .s
D、分辨率：仪器所能检测到的被测量的最小变化值。
E、灵敏度：对测试系统当输入一个变化量△x,就会相应地输 出另一个变化量△y，S＝△y/△x为测试系统的灵敏度。
• 信号Signal ：传送信息的载体或工具，如光、声、电信号。
• 测试包括试验与测量的全过程，需要选用专门的仪器、设计合理的试
验方法并进行必要的数据处理，从而获得被测对象的有关信息的量值。
• 测试过程是人们从客观事物中获取有关信息的认识过程，是人们认识
客观规律的重要手段和方法。
• 测试技术的发展促进了科学技术的进步,科学技术的进步又为测试技术
岩土工程监测中的测试系统：
被测对象（物理量）：岩土体或工程结构（位移、力等）
测量系统：各类仪器的组成及传感器。
信号传输与处理系统：信号传输、排除干扰、滤波、计算等。
显示记录系统：显示、记录、存储等。
传感器的分类
1、按原理分： 电参量：电阻、电感、电容 磁电式：磁电感应、磁栅 压电式：压力、加速度 光电式：红外、CCD、光纤 热电式：热电偶 波式：超声波、微波 射线式：核辐射 半导体式：温度、湿度 其它原理
的提高创造了条件。
• 测试技术的作用： A、参数测定 B、实时检测与监控
•
C、参数的反馈、调节与自动控制。
•
• 岩土工程中测试系统与监测的作用：参数测定、状态检测、监控
• 地质定性评估与监测定量分析。
2、测试系统的组成
一个完整的测试系统包括: 被测对象、被测物理量、测量系统、信 号传输与处理系统、显示记录系统、观测者。其中测量系统一般包括传 感器和测量控制装置 ，传感器是整个测试系统中的关键。