土木工程测试仪器设备.pdf

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1、第二章 土木工程测试仪器设备2.1概述力学性能试验:（1）天然荷载作用下或工程运行荷载下结构物所表现的状态；仅需测量和分析设备。（2）在人工激振荷载下，被测试物表现出来的状态。需加载、测量和分析设备。物理性能试验：一般采用称（质量）、量尺寸、烘干等设备。2.2 加载设备加载设备分为两类:静态及准静态加载设备动态加载设备一、静态及准静态加载设备特点:荷载基本不随时间变化或变化很小或缓慢变化.1、各种荷重物质（如砝码等）直接或间接（通过滑轮、杠杆等）施加于被测物体上。2、通过反力系统（反力架）采用液压、气压通过千斤顶、液压缸进行加载。二、动态加载设备概述：概述：.用于荷载快速变化情况下的加载需要用

2、于荷载快速变化情况下的加载需要分类：分类：1、激振力不同特征分类：激振力不同特征分类：（1）激振器激振器:用于给试验对象局部受力面提供一定大小和频率的激振用于给试验对象局部受力面提供一定大小和频率的激振力力;（2）振动台）振动台:用于给试验对象整体提供一定位移和频率的整体振动用于给试验对象整体提供一定位移和频率的整体振动;（3）冲击试验机：产生典型化的冲击激振过程）冲击试验机：产生典型化的冲击激振过程,并具有规定精度的重并具有规定精度的重复性复性.2、按工作原理不同分类：、按工作原理不同分类：(1)机械式机械式(2)电动式电动式(3)涡流式涡流式(4)压电式压电式(5)液压式等。液压式等。（1

3、）电动激振器电动激振器（a）组成）组成12343561、顶杆、顶杆2、外壳、外壳3、弹簧、弹簧4、中心磁极、中心磁极5、磁极板、磁极板6、动圈、动圈1、激振器、激振器电动激振器组成电动激振器组成可动部分可动部分(b)电动激振器的原理电动激振器的原理：动圈电流：动圈电流：tIisin电动激振力：电动激振力：tBLIBLiFsinF 激振力，单位：牛顿激振力，单位：牛顿（N）B 磁感应强度，单位磁感应强度，单位:韦伯米韦伯米2（T）L 动圈绕线的有效长度，单位动圈绕线的有效长度，单位:米（米（m）I 动圈中电流的幅值，单位动圈中电流的幅值，单位:安培（安培（A）动圈中电流的频率，单位动圈中电流的频

4、率，单位:弧度秒（弧度秒（rad/s）电动激振器的激振线路：电动激振器的激振线路：信号发生器信号发生器功率放大器功率放大器电动激振器电动激振器被激系统被激系统恒流恒流 激振力幅值不变激振力幅值不变激振器连接方法：激振器连接方法：一、是采用适当的连接件，用螺钉螺母直接联接；一、是采用适当的连接件，用螺钉螺母直接联接；二、是靠预压力将顶杆顶紧在试件上。二、是靠预压力将顶杆顶紧在试件上。电动激振器外壳可固定不动。电动激振器外壳可固定不动。当Fi以简谐规律变化时，则作用在激振对象上的力F也为同频率的简谐力.在使用时，往往在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力F(t)为了使激振器的能量尽

5、量用于激振对象的激励上,在激振时最好让激振器基座在空间基本上保持静止;在高频激振时，往往用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的l3；在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。电动激振器安装原则：电动激振器安装原则：电磁激振器安装方式：电磁激振器安装方式：(1)、刚性安装：、刚性安装：(2)、柔性安装：、柔性安装：（3）、弹性悬挂安装。）、弹性悬挂安装。高频激振高频激振低频激振低频激振（2）非接触式激振器非接触式激振器对转动机械、轻型试件需要采用非接触式激振器。对转动机械、轻型试件需要采用非接触式激振器。（a）磁吸式激振器）

6、磁吸式激振器（非接触式电磁激振器）（非接触式电磁激振器）信信 号号发发 生生 器器功功 率率放放 大大 器器铁铁 磁磁 试试 件件交流绕组交流绕组直直 流流稳稳 压压 电电 源源直流绕组直流绕组交变吸力：交变吸力：0020SBF（牛顿）（牛顿）)(1000RRSiWB空气隙中的磁感应强度空气隙中的磁感应强度0000SLR空气隙磁阻空气隙磁阻1111SLR铁芯磁路的磁阻铁芯磁路的磁阻W 线圈匝数线圈匝数i 磁化电流磁化电流L0气隙平均厚度气隙平均厚度L1铁芯磁路的长度铁芯磁路的长度S0、S1分别为空气隙及铁芯磁路的截面积分别为空气隙及铁芯磁路的截面积10、分别为空气和铁芯的导磁率分别为空气和铁芯

7、的导磁率（b）涡流式激振器）涡流式激振器电磁式激振器构造电磁激振器是非接触式的，其频率上限约为500800Hz。激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动由于在电磁铁与衔铁之间的作用力F(t)只会是吸力，而无斥力，为了形成往复的正弦激励，应该在其间施加一恒定的吸力F0，然后才能叠加上一个交变的谐波力F(t)，如图所示，即:为此，通入线圈中的电流I(t)也应该由直流与交流两部分组成，即:0()sinI tIAt而由电磁理论知道，电磁铁所产生的磁力正比于所通过电流的平方，即有式中a为比例系数，与电磁铁的尺寸、结构、材料与气隙的大小有关在AI0的情况下，

8、上式右边第三项可略去，得如果条件A5的小曲率圆环：A、B两点的应变。EbhFREbhFRA2291.109.1这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。A23(/2)2(1)F Rhbh EB23(/2)2F Rhbh E内贴取“一”内贴取“”式中：h圆环厚度；b圆环宽度；E材料弹性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 测量膜片式应变压力传感器膜片式应变压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力，也可测量土压力在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为EhxRpEhxRptr222222228)(1(38)3)(1(3图 膜片式压力传感器（a）应变变化图;（b

9、）应变片粘贴应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0，r=2rmax。特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开位置。3/Rx 0r3/Rx 应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。等强度梁；质量块；壳体；电阻应变敏感元体图 电阻应变式加速度传感器结构图测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的

10、电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。2.3 预处理系统 功能:放大 滤波 抗干扰 共模抑制 主要种类电荷放大器:对压电类传感器输出的电荷信号进行放大处理.电压放大器:对其他传感器输出的电压信号进行放大处理.图 电荷放大器等效电路常见电荷放大器图 电压放大器电路原理及其等效电路图（a）放大器电路;（b）等效电路常见电压放大器将模拟量转换为数字量的过程称为模/数（A/D）转换，完成这一转换的器件称为模/数转换器（简称ADC）；将数字量转换为模拟量的过程称为数/模

11、转换，完成这一转换的器件称为数/模转换器（简称DAC）。2.4 模/数 转换系统二进制数和数字量的电平表示:二进制数:0010111010010101;运算规则:逢二进一数字量:以不同电平标准表示在计算机总线或接口上的二进制数;TTL电平标准CMOS电平标准1:高电平输出2.4V4.95V0:低电平输出0.4V0.05V1:高电平输入2 V3.5V0:高电平输入0.8V1.5V参考电压值为5V计算机能识别和处理的量模拟量:连续变化的电物理量,如电压、电流,计算机无法直接识别;一、一、D/A转换的基本原理转换的基本原理A=RD(R为基准的U或I)A(电压或电流)D0DnD/A四位权电阻D/A 转

12、换器原理图如图11-3所示：四部分：基准电压、模拟开关、电阻网络、输出运放。112图 4位权电阻数/模转换器原理图EK1K2K3K4R02R12R22R322/I4/I8/I16/IfRu +222332442设输入数字量为D(用定点二进制小数编码)，443322112222aaaaD(ai=0或1)ai=1时，ki接向基准电源E，相应支路的电流IREREREIiiiii22221)2(REI 设ai=0时，ki接地，Ii=0IaIiii2运放输出的模拟电压V0DRIaaaaRIRIaIaIaIaRIIIIVffff)2222()2222()(443322114433221143210DV 0

13、实现了D/A转换。另外，还有采用T型电阻网络的D/A。二、二、A/D转换的基本原理转换的基本原理实现A/D转换的办法很多，常用的有逐次逼近法，双积分法和电压频率转换法等。A(U,I)D0DnA/D1.逐次逼近型逐次逼近型A/D图 逐次逼近式A/D转换原理图ViVs8位D/A转换器逐次逼近寄存器缓冲寄存器CLK转换结束启动信号按制逻辑D7D0VCViVs8位D/A转换器逐次逼近寄存器缓冲寄存器CLK转换结束启动信号按制逻辑D7D0VC 比较器基本过程：基本过程：预测最高位D7，置预测值为10000000B 比较待转换模拟量Vi和预测值对应的模拟量V1若VIN V1，保留D7=1；VIN V1，置

14、D7=0；同样方法，预值D6、D5 D0。表示二进制数三、三、A/D转换器的主要参数转换器的主要参数1.分辨率分辨率输出对输入信号变化的灵敏度，用数字量的位数表示。例：10位A/D转换满度为5V的电压，能分辨的最小电压5V/210 5mv。2、量化误差 对一定范围连续变化的模拟量只能反映成同一个数字量，因此有误差 当参考电压为1伏,对3位分辨率，从5/8-1/2(0.125)V至5/8+1/2(0.125)V范围内模拟量，所反映的数字量都是101 所以存在1/2LSB的量化误差,该误差是量化过程不可避免的2.精度精度除了量化误差，还有其他因素如非线性引起的误差精度指量化误差和附加误差之和，也称

15、总不可调误差实际上就是A/D调整到最精确情况下还存在的误差。精度表示转换结果相对于实际值的准确度。3.转换时间转换时间-采样频率采样频率每次启动转换到得到稳定输出所需的时间T。采样频率为每秒钟，能完成的A/D转换的次数。4.量程量程能转换的电压范围。5.输出逻辑电平输出逻辑电平多与TTL电平兼容。四四、A/D转换器转换器与计算机的接口和数据传输与计算机的接口和数据传输1、接口方式常见的有：（1）通过总线插槽方式接口；（2）通过DB25打印插口方式连接；（3）通过USB接口方式相连接；（4）通过PCMCIA插槽方式接口；（5）通过串行口方式连接；下面以打印口为例介绍接口的原理和方式：打印口插口：

16、2-9号针（孔）为数据线，对应端口地址0X378；1，14，16，17号针（孔）为控制线，对应端口地址0X37A；10，11，12，13，15号针（孔）为状态线，对应端口地址0X379；数据口（地址0X378）：对应针（孔）号D7D6D5D4D3D2D1D098765432状态口（地址0X379）：对应针（孔）号D7D6D5D4D3D2D1D01110121315xxx控制口（地址0X 37A）：对应针（孔）号D7D6D5D4D3D2D1D0 xxxx1716141+数据传输的接口编程：如采用C语言：数据输出：outportb（0X378，0X-）；数据读入：y=inportb（0X378）；

17、（数据读入仅对双向口有效）命令输出：outportb（0X37A，0X-）；状态读入：y=inportb（0X379）；选择需要的16进制数值实际接口编程片段（C语言）：/set bi-direction print port write mode,let Ls374(A/D convert result)outport Hi-z;outportb(0 x37a,0 x07);/0.clear LS374-1;outportb(0 x378,0 x0c);for(i=0;i100;i+);/lock to LS374-1(comm locker);pin 1 up edge:D0 1-0out

18、portb(0 x37a,0 x07);for(i=0;i100;i+);outportb(0 x37a,0 x06);for(i=0;i100;i+);/1.write 8253 control word;select counter 1,mode 2,low.high 8 bits to write/1.1 at first data lines 0 x74(01110100B)outportb(0 x378,0 x74);for(i=0;i100;i+);/lock to LS374-2(data locker);pin 14 up edge:D1 1-0outportb(0 x37a,

19、0 x07);for(i=0;i100;i+);outportb(0 x37a,0 x05);for(i=0;i100;i+);/1.2 Seconndary command lines 0 x07(00000111B)-writting operation!outportb(0 x378,0 x07);for(i=0;i100;i+);/write counter 1/lock to LS374-1(comm locker);pin 1 up edge:D0 1-0outportb(0 x37a,0 x07);for(i=0;i100;i+);outportb(0 x37a,0 x06);f

20、or(i=0;i100;i+);/1.3 delay for a while set stop writting commamd;necessary?Yesfor(i=0;i500;i+);outportb(0 x378,0 x0c);for(i=0;i100;i+);/stop writting com/lock to LS374-1(comm locker);pin 1 up edge:D0 1-0outportb(0 x37a,0 x07);for(i=0;i100;i+);outportb(0 x37a,0 x06);for(i=0;i100;i+);实际接口编程片段（嵌入式汇编语言）

21、：readad:/outportb(0 x37a,0 x22);/low 8 bitsasm /输出命令mov dx,37ahmov al,22hout dx,alasm /读入数据mov dx,378hin al,dxmov bl,al/high 8 bitsasmmov dx,37ahmov al,2ehout dx,al/_BH=inportb(0 x378);asmmov dx,378hin al,dxmov bh,al CLK：时钟输入，外部输入或接电容内部产生，100pF时为1.56MHZ/CS：芯片选择 D11-D0：数据输出 CH0-CH5：模拟输入 REFADJ：参考调整 R

22、EF：参考输出/输入/INIT：结束指示，低完成转换/RD：读/WR：写MAX196引脚说明：MAX196内部结构框图典型连接AD转换电路DA转换电路时钟产生电路6路AD、2路DA接口卡电路图当建筑物出现裂缝之后，应及时进行裂缝观测，常用的裂缝观测方法有两种。1石膏板标志2白铁皮标志补充内容：建筑物的裂缝观测项项目目一一裂裂缝缝观观测测1石膏板标志石膏板标志用厚用厚10mm，宽约宽约5080mm的石的石膏板膏板（长度视裂缝大小而定长度视裂缝大小而定），固定在固定在裂缝的两侧裂缝的两侧。当裂缝继续发展时当裂缝继续发展时，石膏石膏板也随之开裂板也随之开裂，从而观察裂缝继续发展从而观察裂缝继续发展的

23、情况的情况。建筑物的裂缝观测项项目目一一沉沉降降观观测测与与裂裂缝缝观观测测2白铁皮标志白铁皮标志（1）用两块白铁皮用两块白铁皮，一片取一片取150mm150mm的正方形的正方形，固定在裂缝的一侧固定在裂缝的一侧。（2）另一片为另一片为50mm200mm的矩形的矩形，固定在裂缝的固定在裂缝的另一侧另一侧，使两块白铁皮的边缘相互平行使两块白铁皮的边缘相互平行，并使其中的一部并使其中的一部分重叠分重叠。（3）在两块白铁皮的表面在两块白铁皮的表面，涂上红色油漆涂上红色油漆。（4）如果裂缝继续发展如果裂缝继续发展，两块白铁皮将逐渐拉开两块白铁皮将逐渐拉开，露露出正方形上出正方形上，原被覆盖没有油漆的部分原被覆盖没有油漆的部分，其宽度即为裂缝其宽度即为裂缝加大的宽度加大的宽度，可用尺子量出可用尺子量出。白铁板白铁板图图 建筑物的裂缝观测建筑物的裂缝观测建筑物的裂缝观测项项目目一一裂裂缝缝观观测测读数显微镜用于观测裂缝宽度，是由物镜、目镜、刻度分划板组成的光学系统。3.读数显微镜观测裂缝宽度读数显微镜量测裂缝宽度*目镜物镜测微螺丝裂缝分划板弹簧上下分划板上下分划板