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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

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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

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