大连理工大学：《现代监控量测新技术》课程教学资源（讲义）现代监控量测新技术课程讲义

现代监控量测新技术 课程讲义 授课人： 任亮 单位：大连理工大学建设工程学部 编制日期：2016年11月1且

现 代 监 控 量 测 新 技 术 课 程 讲 义 授课人： 任亮 单 位：大连理工大学 建设工程学部 编制日期： 2016 年 11 月 1 日

第一章：实验目的 (1)熟悉光纤光栅应变传感器、电阻应变计、加速度传感器、位移传感器、 倾角传感器的使用。 (2)了解在动力荷载作用下的结构响应。 (3)掌握结构振动控制原理及方法

第一章：实验目的 （1） 熟悉光纤光栅应变传感器、电阻应变计、加速度传感器、位移传感器、 倾角传感器的使用。 （2） 了解在动力荷载作用下的结构响应。 （3） 掌握结构振动控制原理及方法

第二章：传感器介绍 2.1光纤光栅应变传感器 45 6 增减敏型光纤光栅应变传感器 微型光纤光栅应变传感器 图1光纤光栅应变传感 光纤光橱本质就是光纤，是利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光等 方法使纤芯中某一段长度上折射率周期性变化。 当 图2光纤光栅的结构 温度、应力等变化会导致光纤光栅反射的中心波长的变化，因此可以通过光 纤光栅反射光中心波长的变化反映外界被测信号的变化情况。 光纤光橱的中心波长漂移△1和纵向应变△s的关系为： AZ =(1-P.)Ae (1 ) n为光纤材料的弹光系数。对于在硅光纤中写入的光纤光 栅的测量灵敏度，在1550nm波段，应变系数为1.209pm/μe。 FBG 光纤 人 夹持部件 △ 八固定支点 图3两端夹持式光纤光橱应变传感器的原理图

第二章：传感器介绍 2.1 光纤光栅应变传感器 增减敏型光纤光栅应变传感器 微型光纤光栅应变传感器 图 1 光纤光栅应变传感器 光纤光栅本质就是光纤，是利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光等 方法使纤芯中某一段长度上折射率周期性变化。 入射 透射 反射 图 2 光纤光栅的结构 温度、应力等变化会导致光纤光栅反射的中心波长的变化，因此可以通过光 纤光栅反射光中心波长的变化反映外界被测信号的变化情况。 光纤光栅的中心波长漂移  和纵向应变  的关系为： (1 )e P        （ 1 ） 式中， d dn n Pe 1   为光纤材料的弹光系数。对于在硅光纤中写入的光纤光 栅的测量灵敏度，在 1550nm 波段，应变系数为 1.209pm/με。 图 3 两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理图 L Lf FBG 夹持部件 固定支点 光纤 Ls

两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理如图3所示。它由光纤光栅、两个夹 持部件以及两个固定支点组成。采用胶接的方法将光纤光栅固定于夹持部件内： 夹持部件为钢管：设两端固定支点的距离为L,两端夹持部件之间的距离为Lf 假设两固定支点间发生△L的轴向变形，由于钢管弹性模量较大，变形可以忽略 不计，因此可以认为固定支点之间的轴向变形量全部加载到长度为Lf的光纤上， 根据光纤以及夹持部件的截面积和弹性模量，可以得出被测结构的应变6与光 纤应变r的关系为公式3。 8= (2) 对于中心波长处于1550m波段的光纤光栅，传感器中心波长变化与外界应 变的关系为 ,微 (3) 2.2电阻应变计 图4电阻应变计

两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理如图 3 所示。它由光纤光栅、两个夹 持部件以及两个固定支点组成。采用胶接的方法将光纤光栅固定于夹持部件内； 夹持部件为钢管；设两端固定支点的距离为 L，两端夹持部件之间的距离为 Lf。 假设两固定支点间发生 ΔL 的轴向变形，由于钢管弹性模量较大，变形可以忽略 不计，因此可以认为固定支点之间的轴向变形量全部加载到长度为 Lf 的光纤上， 根据光纤以及夹持部件的截面积和弹性模量，可以得出被测结构的应变  与光 纤应变 f  的关系为公式 3。 f f L L    （2） 对于中心波长处于 1550nm 波段的光纤光栅，传感器中心波长变化与外界应 变的关系为 L L L L f FBG f f 1.2       （3） 2.2 电阻应变计 图 4 电阻应变计

图6电阻应变计结构 1一敏感栅：2-引线：3一粘结剂4一覆盖层：5一基底 阳之化的不费普行提瓷纳中提变音天楼装 是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。 粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅固定在基底上。 覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层， 基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。 1)测量原理 电阻应变效应：电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应 变一 一电阻效应。我们知道，金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其截面积 A成反比，即 式中P是导线的电阻率 将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面 的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会 随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。 一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例 关系，即 △R作Xe △R为伸长或压缩所引起的电阻变化Q:K为比例常数（应变片常数）：€为应变。 不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。这样，应变的测 量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。 2)惠斯通电桥 惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电 路来测量。如图7所示，惠斯通电桥由四个电阻组合而成

图 6 电阻应变计结构 1－敏感栅；2－引线；3－粘结剂 4－覆盖层；5－基底 电阻应变片的结构如图 6 所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电 阻变化量的 敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引线 是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。 粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅固定在基底上。 覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。 基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。 1）测量原理 电阻应变效应：电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应 变——电阻效应。我们知道，金属导线的电阻 R 与其长度 L 成正比，与其截面积 A 成反比，即 R=ρL/A 式中 ρ 是导线的电阻率。 将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面 的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会 随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。 一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例 关系，即 ΔR/R= K×ε ΔR为伸长或压缩所引起的电阻变化Ω；K为比例常数(应变片常数)；ε为应变。 不同的金属材料有不同的比例常数 K。铜铬合金的 K 值约为 2。这样，应变的测 量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。 2）惠斯通电桥 惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电 路来测量。如图 7 所示，惠斯通电桥由四个电阻组合而成

M W 输入 图7 图8 如果R=R=R=R或RXR=RXR,则无论输入多大电压，输出电压E总 为0，这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的 输出电压。如图8所示，将这个电路中的1用应变片相连，有应变产生时，记 应变片电阻的变化量为△R,则输出电压e的计算公式如下所示。 E=(1/4④×（△R/R)×E即E=(1/4)×KXe×E 上式中除了￡均为己知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应 变的大小。上例电路中只联入了一枚应变片，所以称为单一应变片法(1/4桥)。 除此之外，还有双应变片半桥法及四应变片全桥法。 如图9所示，在电桥中联入了四枚应变片（全桥）。四应变片法是桥路的四 边全部联入应变片，在 般的应变测量中不经常使用，但常用于应变片式的变换 器中。如图9所示，当四条边上的应变片的电阻分别引起如R+△R,R+△R, R+△R,R+△R的变化时若四枚应变片完全相同，比例常数为K,且应变分别 为e1,e,e,e。则上面的式子可写成下面的形式。也就是说，应变测量 时，邻臂上的应变相减，对臂上的应变相加。 图9 如图10所示，在电桥中联入了两枚应变片，共有两种联入方法，即半桥邻 边法(a)和半桥对边法(b)。四条边中有两条边的电阻发生变化，根据上面的 四应变片法的输出电压式可得， 联入方式如图10(a)所示时， e=E(偿-尝)4或e=Ea-6k4 联入方式如图10(b)所示时， e=E(偿+）/4或e=E+eK/4 也就是说当联入两枚应变片时，根据联入方式的不同，两枚应变片上产生的

图 7 图 8 如果 R1 =R2 =R3 =R4或 R1×R2 =R3×R4，则无论输入多大电压，输出电压 E 总 为 0，这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的 输出电压。如图 8 所示，将这个电路中的 R1 用应变片相连，有应变产生时，记 应变片电阻的变化量为 ΔR，则输出电压 e 的计算公式如下所示。 E=(1/4) ×(ΔR/R) ×E 即 E =(1/4) ×K×ε×E 上式中除了 ε 均为已知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应 变的大小。上例电路中只联入了一枚应变片，所以称为单一应变片法（1/4 桥）。 除此之外，还有双应变片半桥法及四应变片全桥法。 如图 9 所示，在电桥中联入了四枚应变片（全桥）。四应变片法是桥路的四 边全部联入应变片，在一般的应变测量中不经常使用，但常用于应变片式的变换 器中。如图 9 所示，当四条边上的应变片的电阻分别引起如 R1+ΔR1，R2+ΔR2， R3+ΔR3，R4+ΔR4 的变化时若四枚应变片完全相同，比例常数为 K，且应变分别 为 ε1，ε2，ε3，ε4。则上面的式子可写成下面的形式。也就是说，应变测量 时，邻臂上的应变相减，对臂上的应变相加。 图 9 如图 10 所示，在电桥中联入了两枚应变片，共有两种联入方法，即半桥邻 边法（a）和半桥对边法（b）。四条边中有两条边的电阻发生变化，根据上面的 四应变片法的输出电压式可得， 联入方式如图 10（a）所示时， 𝑒 = 𝐸 ( 𝛥𝑅1 𝑅1 − 𝛥𝑅2 𝑅2 ) /4 或 𝑒 = 𝐸(𝜀1 − 𝜀2 )𝐾/4 联入方式如图 10（b）所示时， 𝑒 = 𝐸 ( 𝛥𝑅1 𝑅1 + 𝛥𝑅3 𝑅3 ) /4 或 𝑒 = 𝐸(𝜀1 + 𝜀3 )𝐾/4 也就是说当联入两枚应变片时，根据联入方式的不同，两枚应变片上产生的

应变或加或减。 (h) 图10半桥：(a)邻边和（⑥）对边 2.3压电式加速度传感器 图11压电式加速度传感器 1)工作原理 压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是利 用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块 加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压 电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量信号电测量的目的。压电加速度 传感器的原理框图如图12所示，原理如图13所示 特测加弹性 转换元测量电输出信号 辅助电 图12加速度传感器的组成框图

应变或加或减。 图 10 半桥：(a)邻边和(b)对边 2.3 压电式加速度传感器 图11 压电式加速度传感器 1）工作原理 压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是利 用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块 加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压 电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量信号电测量的目的。压电加速度 传感器的原理框图如图 12 所示，原理如图 13 所示。 图 12 加速度传感器的组成框图 弹性 辅助电 源 测量电 路 转换元 件 待测加速 度 输出信号

质量块 压敏元件 输出引线 支座 图13压电加速度传感器原理图 实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时， 支座与待测物以同 加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性 力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（电困）。当振动频率远低于传感器 的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比。电信号经前置放大器 放大，即可由一般测量仪器测试出电荷（电压）大小，从而得出物体的加速度。 压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以 压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿 着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对 的表面上便产生符号相反的电荷：当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态：当 作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 2.4LVDT位移传感器 固定 伸缩 图14LVDT位移传感器 LVDT(Linear.Variable.Differential..Transformer)是线性可变差动变压 器缩写。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈、两个次级线 圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个 线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系 当初级线圈P1,P2之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改 变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈S11, S22之间就产生感应电动势，随若铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的 感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级

图 13 压电加速度传感器原理图 实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时， 支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性 力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器 的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器 放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。 压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以 压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿 着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对 的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当 作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 2.4 LVDT 位移传感器 图 14 LVDT 位移传感器 LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差动变压 器缩写。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈、两个次级线 圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个 线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。 当初级线圈 P1，P2 之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改 变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈 S11， S22 之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的 感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级 压敏元件 质量块 输出引线 支座 伸 缩 端 固 定 端

线圈电压极性相反，输出电压为差动电压。 6 初级线圈 铁芯 次级 线料1 线圈2 S1 22 图15LVDT位移传感器测量原理 当铁芯往右移动时，次级线圈2感应的电压大于次级线圈1：当铁芯往左移 动时，次级线圈1感应的电压大于次级线圈2，两线圈输出的电压差值大小随铁 芯位移而成线性变化。 2.5倾角传感器 图16倾角传感器 倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液 体 中倾角代 感器， 还有利用 速度传感 测量倾 。倾角任 感器分为单轴，双轴，单轴只能测一个方向上的倾角，双轴能同时测两个方向上 的倾角。 固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图17所示，其由摆锤、摆 线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，日为摆线与垂直方向的夹角」 在小角度范围内测量时，可以认为F与日成线性关系。如应变式倾角传感器就基 于此原理。 F=Gsin6=mg sin日

线圈电压极性相反，输出电压为差动电压。 图 15 LVDT 位移传感器测量原理 当铁芯往右移动时，次级线圈 2 感应的电压大于次级线圈 1；当铁芯往左移 动时，次级线圈 1 感应的电压大于次级线圈 2，两线圈输出的电压差值大小随铁 芯位移而成线性变化。 2.5 倾角传感器 图 16 倾角传感器 倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液 体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，还有利用加速度传感器测量倾角。倾角传 感器分为单轴，双轴，单轴只能测一个方向上的倾角，双轴能同时测两个方向上 的倾角。 固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图 17 所示，其由摆锤、摆 线、支架组成，摆锤受重力 G 和摆拉力 T 的作用，θ 为摆线与垂直方向的夹角。 在小角度范围内测量时，可以认为 F 与 θ 成线性关系。如应变式倾角传感器就基 于此原理。 𝐹 = 𝐺 𝑠𝑖𝑛 𝜃 = 𝑚𝑔 𝑠𝑖𝑛 𝜃

图17固体摆测量机理 液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连 接，三根电极相互平行且间距相等，如图18（ā）所示。当壳体水平时，电极插 入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之 间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻R1和R。若液体摆水 平时R,=R 当玻璃壳体倾斜时， 电极间的导电液不相等， 三根电极浸入 液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图18(b)所示， 左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻增大，相对 极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻Rm减少，即R>R。反之， 若倾斜方向相反，则R<Rm。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应 变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外 还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感 应出倾角的“液体摆”。 4 (a) (b) 图18液体摆测量机理 气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一 样，热气流总是力图保持 铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆式惯性 元件由密闭腔体、气体和热线组成。 气体摆式检测器件的核心敏感元件为热线。电流流过热线，热线产生热量， 使热线保持一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气 体向上流动。在平衡状态时如图19()所示，热线处于同一水平面上，上升气流 穿过它们的速度相同 流 热线的电流也相同， 电桥平衡 密闭腔体倾斜时 热线相对水平面的高度发生了变化，如图19b)所示，因为密闭腔体中气体的流 动是连续的，所以热气流在向上运动的过程中，依次经过下部和上部的热线。若 忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热 线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，因此流过两根热线的电流 也会发生相应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。倾斜角度不同，输 出的电信号也不同

图 17 固体摆测量机理 液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连 接，三根电极相互平行且间距相等，如图 18（a）所示。当壳体水平时，电极插 入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之 间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻 RI和 RIII。若液体摆水 平时，则 RI＝RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入 液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图 18（b）所示， 左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻 RI 增大，相对 极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻 RIII减少，即 RI＞RIII。反之， 若倾斜方向相反，则 RI＜RIII。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应 变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外， 还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感 应出倾角的“液体摆”。 （a） （b） 图 18 液体摆测量机理 气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一 样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性 元件由密闭腔体、气体和热线组成。 气体摆式检测器件的核心敏感元件为热线。电流流过热线，热线产生热量， 使热线保持一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气 体向上流动。在平衡状态时如图 19(a)所示，热线处于同一水平面上，上升气流 穿过它们的速度相同，流过热线的电流也相同，电桥平衡。当密闭腔体倾斜时， 热线相对水平面的高度发生了变化，如图 19(b)所示，因为密闭腔体中气体的流 动是连续的，所以热气流在向上运动的过程中，依次经过下部和上部的热线。若 忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热 线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，因此流过两根热线的电流 也会发生相应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。倾斜角度不同，输 出的电信号也不同