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(biāo)準(zhǔn)量進行比較，并確定被測的量是標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)：

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。刻度值的倒數(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(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

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(dāng)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(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

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(zhǔn)確度與誤差準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

6、精確度（1）準(zhǔn)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(biāo)（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(biāo)（3）準(zhǔn)確度與精密度的關(guān)系

準(zhǔn)確度表示測量的正確性，而精密度則表示測量的重復(fù)性或再現(xiàn)性。分析工作要求測量的準(zhǔn)確度要高，精密度要好。但精密度好并不能保證準(zhǔn)確度也高。例如，某石灰石礦含CaO的質(zhì)量百分?jǐn)?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(zhǔn)確度低，精密度差；乙的精密度雖好，但準(zhǔn)確度卻低；只有丙的準(zhǔn)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(biāo)（3）準(zhǔn)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(zhǔn)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(xì)與精密程度（即偶然誤差小），而準(zhǔn)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(zhǔn)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(xì)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(zhǔn)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(biāo)技術(shù)指標(biāo)：

7、可靠性，在規(guī)定的條件下（滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，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(xué)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(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著對同一量的測量次數(shù)的增加，標(biāo)準(zhǔn)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(xí)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(biāo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)”儀器作比較來進行率定；（3）利用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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。總之，儀器選擇時既要保證精度，也要避免盲目追求高精度。應(yīng)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(yīng)該滿足最大應(yīng)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(yīng)當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變測量應(yīng)變?yōu)閱挝婚L度范圍內(nèi)的伸長或縮短。3.2.1應(yīng)變的機械測量法應(yīng)變測試手段除了電阻應(yīng)變方法外，主要還有手持式應(yīng)變儀法和位移計法。手持式應(yīng)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(yīng)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(yīng)變測量應(yīng)變?yōu)閱挝婚L度范圍內(nèi)的伸長或縮短。3.2.1應(yīng)變的機械測量法手持式應(yīng)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(yīng)變應(yīng)均勻。手持式應(yīng)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(yīng)變測量3.2.2應(yīng)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(yīng)變法測量應(yīng)變需要的儀器包括應(yīng)變計和應(yīng)變儀。其中應(yīng)變計屬于傳感器，應(yīng)變儀屬于放大、測量、顯示器。1、應(yīng)變計的工作原理應(yīng)變計粘貼在試件測點表面，當(dāng)應(yīng)變計的電阻絲隨試件發(fā)生應(yīng)變時，由于電阻絲長度和截面積的變化，導(dǎo)致電阻絲的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，其定量關(guān)系如下：式中K稱為應(yīng)變計的靈敏系數(shù)，K是應(yīng)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(yīng)變測量3.2.2應(yīng)變電測法2、應(yīng)變計的構(gòu)造及主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變計的構(gòu)造如圖。應(yīng)變計主要技術(shù)指標(biāo)：第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測量3.2.2應(yīng)變電測法2、應(yīng)變計的構(gòu)造及主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變計的構(gòu)造如圖。應(yīng)變計主要技術(shù)指標(biāo)：（1）電阻值。一般R=120Ω，應(yīng)與應(yīng)變儀匹配。（2）有效長度L。所測應(yīng)變?yōu)長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變；選擇應(yīng)變片時應(yīng)考慮測點范圍的應(yīng)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(yīng)變引起的電阻變化，與應(yīng)變計的構(gòu)造和材料有關(guān)。3、應(yīng)變計的粘貼第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測量3.2.2應(yīng)變電測法4、應(yīng)變測量電橋應(yīng)變計的電阻值隨應(yīng)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(yīng)變儀中設(shè)置電橋電路，將應(yīng)變計接入電橋電路，則橋臂上應(yīng)變電阻的變化將導(dǎo)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(yīng)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(yīng)變，但測量值中包含試件的溫差脹縮應(yīng)變。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3.2應(yīng)變測量3.2.2應(yīng)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(yīng)變計，一個橋臂是溫度補償應(yīng)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(yīng)變，且測量值中已消除試件的溫差脹縮應(yīng)變。

4/4橋連接：用于應(yīng)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(yīng)變測量3.2.2應(yīng)變電測法5、溫度補償應(yīng)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(yīng)變。如果要求測量數(shù)據(jù)中消除溫差應(yīng)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(yīng)變計，并按照一定的橋路進行連接。溫度補償應(yīng)變計與測試應(yīng)變計都是相同的應(yīng)變計，并且應(yīng)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(yīng)變計粘貼在受力的試件上，溫度補償應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)變場的應(yīng)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(yīng)變式測力傳感器、壓電式測力傳感器等種類。應(yīng)變式測力傳感器是根據(jù)彈性元件的受力應(yīng)變量與力值的關(guān)系，通過電阻應(yīng)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(zhǔn)點。解決的方法之一，是在傳感器內(nèi)部構(gòu)建一個基準(zhǔn)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