第一章测试技术基本知识

第一章 测试技术 基本知识1主主 要要 内内 容容u 一、测试系统的组成一、测试系统的组成u 二、常用测试仪器与工作方法简介二、常用测试仪器与工作方法简介u 三、误差与数据处理三、误差与数据处理2一、测试系统的组成一、测试系统的组成1、测试系统的功能：、测试系统的功能：工程中，不论是原位测试还是现场监测，要完成测试过程工程中，不论是原位测试还是现场监测，要完成测试过程都需要测试系统来完成。测试系统通常应具有如下功能：都需要测试系统来完成。测试系统通常应具有如下功能：3将被测对象置于预定状态下，对被测对象所输出的信息进将被测对象置于预定状态下，对被测对象所输出的信息进行采集、变换、传输、分析、处理、判断和显示记录，最行采集、变换、传输、分析、处理、判断和显示记录，最终获得测试所需的信息。终获得测试所需的信息。一、测试系统的组成一、测试系统的组成2、测试系统的组成：、测试系统的组成：测试系统通常由以下几个部分组成：测试系统通常由以下几个部分组成：4以一个典型的力学测试系统为例：以一个典型的力学测试系统为例：被测对象被测对象传感器传感器信号变换、信号变换、测量电路测量电路指示仪器指示仪器记录仪器记录仪器数据处理仪器数据处理仪器打印机打印机荷载系统荷载系统测量系统、信号处理系统测量系统、信号处理系统显示与记录系统显示与记录系统被测量被测量5 荷载系统荷载系统是使被测对象处于一定的受力状态下，使被测对象（试是使被测对象处于一定的受力状态下，使被测对象（试件）有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行件）有关的力学量之间的联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门系统。有效测量的一种专门系统。测量系统测量系统由传感器、信号变换和测量电路组成，它将被测量通过由传感器、信号变换和测量电路组成，它将被测量通过传感器变成电信号，经过变换、放大、运算，变成易于传感器变成电信号，经过变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。处理和记录的信号。一、测试系统的组成一、测试系统的组成6一、测试系统的组成一、测试系统的组成 信号处理系统信号处理系统是将测量系统的输出信号作进一步处理以便排除干扰是将测量系统的输出信号作进一步处理以便排除干扰 显示和记录系统显示和记录系统是测试系统的输出环节，它是将被测对象所测得的有用是测试系统的输出环节，它是将被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录下来。信号及其变化过程显示或记录下来。二、常用测试仪器与工作方法简介二、常用测试仪器与工作方法简介（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器（二）内部变形观测仪器（二）内部变形观测仪器（三）压力测试仪器等（三）压力测试仪器等7（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器8p 表面变形观测表面变形观测是以被观测物体的表面变形为观测对象是以被观测物体的表面变形为观测对象的一种测试方法。的一种测试方法。p 特点：特点：观测点在被观测物体的表面，测点或仪器具有观测点在被观测物体的表面，测点或仪器具有可接触、可更换、非完全埋入等特点。可接触、可更换、非完全埋入等特点。p 仪器主要有仪器主要有：光学经纬仪、光学水准仪、电磁测距仪、：光学经纬仪、光学水准仪、电磁测距仪、电子全站仪、电子水准仪、电子全站仪、电子水准仪、GPS、激光准直仪等等。、激光准直仪等等。1、表面变形观测及方法简介、表面变形观测及方法简介（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器9p 表面变形观测方法：表面变形观测方法：观测方法主要是精密大地测量，观测方法主要是精密大地测量，即观测测点的三维坐标随时间的变化。一般的表面变形即观测测点的三维坐标随时间的变化。一般的表面变形观测中都要形成变形观测控制网进行观测，通常可分为观测中都要形成变形观测控制网进行观测，通常可分为水平位移监测网和竖直位移监测网。水平位移监测网和竖直位移监测网。p 表面变形观测网点：表面变形观测网点：表面变形观测点有三种：表面变形观测点有三种：基准点、基准点、工作基点工作基点及及表面变形观测点表面变形观测点；表面变形观测网可分为：；表面变形观测网可分为：基准网基准网（由基准点组成）和（由基准点组成）和次级网次级网（由工作基准点和变（由工作基准点和变形观测点组成。）形观测点组成。）某滑坡变形某滑坡变形观测网布置观测网布置图图（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器11p 水准仪水准仪2、表面变形观测仪器简介、表面变形观测仪器简介（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器12p 经纬仪经纬仪2、表面变形观测仪器简介、表面变形观测仪器简介光学经纬仪光学经纬仪电子经纬仪电子经纬仪目前电子经纬仪已基本取代了光学经纬仪目前电子经纬仪已基本取代了光学经纬仪（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器13p 电磁波测距仪电磁波测距仪2、表面变形观测仪器简介、表面变形观测仪器简介p 测距原理：测距原理：以光波或微波等电磁波作为载波传输测距信以光波或微波等电磁波作为载波传输测距信号，测量两点间距离的技术。号，测量两点间距离的技术。p 特点特点：用电磁波测距仪测距具有工作轻便，测距精度高，：用电磁波测距仪测距具有工作轻便，测距精度高，测距远，作业效率高和不受地形影响等特点。测距远，作业效率高和不受地形影响等特点。p 按载波分为：按载波分为：微波测距仪，红外光测距仪，激光测距仪微波测距仪，红外光测距仪，激光测距仪14p 电磁波测距仪电磁波测距仪远程激光测距仪远程激光测距仪室内高精度室内高精度手持测距仪手持测距仪望远镜式手持测距仪望远镜式手持测距仪单眼手持测距仪单眼手持测距仪（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器15p 全站仪全站仪2、表面变形观测仪器简介、表面变形观测仪器简介p 全站仪全站仪是集测角、测距、测高是集测角、测距、测高差等测量功能于一体的测绘仪器差等测量功能于一体的测绘仪器系统。系统。（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器16p GPS应用应用2、表面变形观测仪器简介、表面变形观测仪器简介p 工作原理：工作原理：利用利用GPS全球定位全球定位系统实时测定观测点的三维坐标，系统实时测定观测点的三维坐标，进而达到监测的作用。进而达到监测的作用。观测点的坐标是建立在观测点的坐标是建立在协议地球坐标系的基础上的。协议地球坐标系的基础上的。（一）表面变形观测仪器（一）表面变形观测仪器17p GPS应用应用2、表面变形观测仪器简介、表面变形观测仪器简介p 特点：特点：不受时间、地点的限制；不受时间、地点的限制；数据具有实时性；不需通视；定数据具有实时性；不需通视；定位精度高、速度快、自动化程度位精度高、速度快、自动化程度高；受天气变化影响小等。高；受天气变化影响小等。（二）内部变形观测仪器（二）内部变形观测仪器18p 内部变形观测：内部变形观测：是将仪器埋入岩土体内部，进而来观是将仪器埋入岩土体内部，进而来观测岩土体各物理量的变化的一种测试方法。测岩土体各物理量的变化的一种测试方法。p仪器主要有仪器主要有：位移计、收敛计、测缝计、测斜仪、沉：位移计、收敛计、测缝计、测斜仪、沉降仪、应变计等。降仪、应变计等。1、内部变形观测及方法简介、内部变形观测及方法简介19p 位移计位移计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（1）差动电阻式位移计：）差动电阻式位移计：差动电阻式位移计是长期测量土体或其差动电阻式位移计是长期测量土体或其他结构物间相对位移的观测仪器。在外界提供电源时，它输出的电阻变他结构物间相对位移的观测仪器。在外界提供电源时，它输出的电阻变化量与位移变化量成正比。化量与位移变化量成正比。20p 位移计位移计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（2）钢弦式位移计：）钢弦式位移计：钢弦式位移计采用振弦式传感器，具有误差钢弦式位移计采用振弦式传感器，具有误差小，抗干扰能力强等特点。广泛应用于地基基础及其他土工建筑物的小，抗干扰能力强等特点。广泛应用于地基基础及其他土工建筑物的位移观测中。位移观测中。21p 位移计位移计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（3）引张线式水平位移计：）引张线式水平位移计：引张线式水平位移计是受张拉的合引张线式水平位移计是受张拉的合金钢丝构成的机械式测量水平位移的装置。具有简单、直观、耐久可金钢丝构成的机械式测量水平位移的装置。具有简单、直观、耐久可靠等优点，广泛应用于填土建筑物及边坡的水平位移观测中。靠等优点，广泛应用于填土建筑物及边坡的水平位移观测中。22p 位移计位移计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（4）滑线电阻式位移计（）滑线电阻式位移计（TS位移计）：位移计）：滑线电阻式位移计也滑线电阻式位移计也称土应变计，可以观测土体某部位任何一个方向的位移。具有坚固、称土应变计，可以观测土体某部位任何一个方向的位移。具有坚固、精度高、易于埋设等优点，应用广泛中。精度高、易于埋设等优点，应用广泛中。23p 位移计位移计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（5）单点锚固钻孔位移计）单点锚固钻孔位移计（变位计）：（变位计）：单点锚固变位计单点锚固变位计主要用来测量地表深部位移的。主要用来测量地表深部位移的。广泛应用于矿井、隧洞、及岩石广泛应用于矿井、隧洞、及岩石开挖周边的变形测量；建筑物基开挖周边的变形测量；建筑物基础和桥墩变形观测；以及土坝边础和桥墩变形观测；以及土坝边坡稳定监测等。坡稳定监测等。24p 位移计位移计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（6）多点变位计：）多点变位计：多点变位计可以用来观测某多点变位计可以用来观测某一钻孔内不同深度一钻孔内不同深度36个测点的位移。广泛应用于个测点的位移。广泛应用于建筑物基础及隧洞、边坡、坝基等不同深度基岩的建筑物基础及隧洞、边坡、坝基等不同深度基岩的变形观测。变形观测。25p 收敛计收敛计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介收敛计又称带式伸长计，可测量两个外露测点的相对位移变化。使用简收敛计又称带式伸长计，可测量两个外露测点的相对位移变化。使用简便。主要用于固定在建筑物、基坑、边坡及周边岩体的锚栓测点间的相便。主要用于固定在建筑物、基坑、边坡及周边岩体的锚栓测点间的相对变形的观测；也可以在施工期或竣工后定期观测隧洞顶板下沉、基坑对变形的观测；也可以在施工期或竣工后定期观测隧洞顶板下沉、基坑变形、边坡表面位移等。变形、边坡表面位移等。26p 收敛计收敛计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介数字式钢尺收敛计数字式钢尺收敛计27p 测缝计测缝计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介测缝计是测量结构接缝开度或裂缝两侧块体间相对位移的观测仪器。可测缝计是测量结构接缝开度或裂缝两侧块体间相对位移的观测仪器。可用于观测大体积混凝土表面及内部的裂缝发展；建筑物接缝的开度变化；用于观测大体积混凝土表面及内部的裂缝发展；建筑物接缝的开度变化；软弱基岩中夹泥层的变形；断层破碎带的变形监测等。软弱基岩中夹泥层的变形；断层破碎带的变形监测等。28p 测斜仪测斜仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介u 测斜仪：测斜仪：是通过测量钻孔中测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量来是通过测量钻孔中测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量来观测土、岩石及建筑物侧向位移的高精度仪器。观测土、岩石及建筑物侧向位移的高精度仪器。u 应用：应用：广泛用于大坝坝肩、坝基和坝体中侧向位移的监测；边坡滑广泛用于大坝坝肩、坝基和坝体中侧向位移的监测；边坡滑动剪切面的位置和位移方向的确定；挡土结构物的斜度观测；开挖基坑、动剪切面的位置和位移方向的确定；挡土结构物的斜度观测；开挖基坑、洞室边墙、竖井、坑道及其他地下工程周边岩土体稳定的监测等。洞室边墙、竖井、坑道及其他地下工程周边岩土体稳定的监测等。u 测斜仪可分为：测斜仪可分为：伺服加速度计式测斜仪、固定式测斜仪、伺服加速度计式测斜仪、固定式测斜仪、EL型梁型梁式测斜仪、倾角计等。式测斜仪、倾角计等。29p 测斜仪测斜仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（1）伺服加速度计式测斜仪：）伺服加速度计式测斜仪：伺服加速度计式测斜仪由测斜仪伺服加速度计式测斜仪由测斜仪测头、测斜管和接收仪表三部分组成。测头、测斜管和接收仪表三部分组成。测头与接收仪表测头与接收仪表测斜管测斜管30p 测斜仪测斜仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（2）固定式测斜仪：）固定式测斜仪：在某些情况下，把测斜仪固定在测斜管内某在某些情况下，把测斜仪固定在测斜管内某个位置，用遥测的方式来测该位置倾角的连续变化。个位置，用遥测的方式来测该位置倾角的连续变化。固定式测斜仪由固定式传感器、连接电缆、遥测集线箱、测斜管和读数固定式测斜仪由固定式传感器、连接电缆、遥测集线箱、测斜管和读数仪表组成。通常造价昂贵。仪表组成。通常造价昂贵。固定式传感器固定式传感器31p 测斜仪测斜仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（3）EL型梁式测斜仪：型梁式测斜仪：EL型梁式测斜仪可以用来监测建筑物的型梁式测斜仪可以用来监测建筑物的位移和转动。适用于监测地下工程中开挖对周围建筑物的影响；边坡、位移和转动。适用于监测地下工程中开挖对周围建筑物的影响；边坡、滑坡及挡土结构物的变形和稳定性；以及桥梁结构在荷载下性态的评估滑坡及挡土结构物的变形和稳定性；以及桥梁结构在荷载下性态的评估等等。等等。32p 测斜仪测斜仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（4）倾角计：）倾角计：倾角计又称点式倾斜仪，是一种监测结构物和岩土体倾角计又称点式倾斜仪，是一种监测结构物和岩土体的水平倾斜或垂直倾斜的快捷观测仪器。的水平倾斜或垂直倾斜的快捷观测仪器。无线倾角计无线倾角计固定式倾角计固定式倾角计33p 沉降仪沉降仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介u 沉降仪：沉降仪：是测定建筑物及其基础、边坡、开挖和填方在垂直方向的是测定建筑物及其基础、边坡、开挖和填方在垂直方向的升降变化。升降变化。滑动式沉降仪滑动式沉降仪电磁式沉降仪电磁式沉降仪34p 沉降仪沉降仪2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介水管式沉降仪水管式沉降仪钢弦式沉降仪钢弦式沉降仪35p 应变计应变计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介u 应变计：应变计：用于观测建筑物及基岩内部应力应变。用于观测建筑物及基岩内部应力应变。（1）差动电阻式应变计：）差动电阻式应变计：差动电阻式应变计可观测建筑物表面应差动电阻式应变计可观测建筑物表面应变，也可埋入混凝土中观测内部应变。变，也可埋入混凝土中观测内部应变。36p 应变计应变计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（2）钢弦式应变计：）钢弦式应变计：钢弦式应变计直接埋设于混凝土中，通常用钢弦式应变计直接埋设于混凝土中，通常用于测量基础、桩、桥、坝、隧道衬砌等混凝土的应变值。于测量基础、桩、桥、坝、隧道衬砌等混凝土的应变值。37p 应变计应变计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（3）无应力应变计：）无应力应变计：无应力应变计直接埋设于混凝土中，通常用无应力应变计直接埋设于混凝土中，通常用于测量混凝土由于温度、湿度以及水泥水化作用等原因产生的自由体积于测量混凝土由于温度、湿度以及水泥水化作用等原因产生的自由体积变形。变形。38p 应变计应变计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（4）表面应变计：）表面应变计：表面应变计主要用于观测混凝土结构物的表面应表面应变计主要用于观测混凝土结构物的表面应变。国外多采用钢弦式传感器；而国内多用电阻应变片直接粘贴在结构变。国外多采用钢弦式传感器；而国内多用电阻应变片直接粘贴在结构物表面，经防水防潮处理后量测。物表面，经防水防潮处理后量测。钢弦式表面应变计钢弦式表面应变计点焊型钢弦表面应变计点焊型钢弦表面应变计39p 应变计应变计2、内部变形观测仪器简介、内部变形观测仪器简介（4）表面应变计：）表面应变计：电阻应变片电阻应变片粘贴后的电阻应变片粘贴后的电阻应变片（三）压力测试仪器（三）压力测试仪器40p 压力测试压力测试包括土压力观测、混凝土应力观测、孔隙水包括土压力观测、混凝土应力观测、孔隙水压力观测（渗透压力观测）、钢筋应力观测以及岩体应压力观测（渗透压力观测）、钢筋应力观测以及岩体应力（地应力）观测等。力（地应力）观测等。1、压力测试及方法简介、压力测试及方法简介（三）压力测试仪器（三）压力测试仪器41p（1）土压力计：）土压力计：在岩土工程中，土压力的观测是非在岩土工程中，土压力的观测是非常重要的。土压力计可以分为埋入式和边界式两种，埋常重要的。土压力计可以分为埋入式和边界式两种，埋入式土压力计是直接将土压力计埋入土体中测定土中应入式土压力计是直接将土压力计埋入土体中测定土中应力分布；边界式土压力计是安装在刚性结构物表面，受力分布；边界式土压力计是安装在刚性结构物表面，受压面面向土体，测量接触压力。压面面向土体，测量接触压力。2、压力测试仪器简介、压力测试仪器简介（三）压力测试仪器（三）压力测试仪器42p（1）土压力计：）土压力计：2、压力测试仪器简介、压力测试仪器简介埋入式土压力计埋入式土压力计边界式土压力计边界式土压力计（三）压力测试仪器（三）压力测试仪器43p（2）孔隙水压力计（渗压计）：）孔隙水压力计（渗压计）：用以量测土、混凝土用以量测土、混凝土或基岩内的渗透水压力，也可以兼测埋设位置的温度；或基岩内的渗透水压力，也可以兼测埋设位置的温度；如果配备动态仪表，还可以测量水流的脉动压力或动态如果配备动态仪表，还可以测量水流的脉动压力或动态水位。水位。2、压力测试仪器简介、压力测试仪器简介（三）压力测试仪器（三）压力测试仪器44p（3）钢筋应力计：）钢筋应力计：用以量测钢筋混凝土内钢筋的应用以量测钢筋混凝土内钢筋的应力。力。2、压力测试仪器简介、压力测试仪器简介（三）压力测试仪器（三）压力测试仪器45p（4）锚索测力计：）锚索测力计：用以量测预应力锚杆或锚索的张用以量测预应力锚杆或锚索的张拉应力；监测锚索的断破。拉应力；监测锚索的断破。2、压力测试仪器简介、压力测试仪器简介差动电阻式锚索应力计差动电阻式锚索应力计钢弦式锚索应力计钢弦式锚索应力计三、误差及数据处理三、误差及数据处理1、误差的定义、误差的定义46u 误差误差：利用测量器具或仪表对被测对象进行测量，所得到的测量数利用测量器具或仪表对被测对象进行测量，所得到的测量数据称为测量值。测量值与被测量的客观真实值之差称为据称为测量值。测量值与被测量的客观真实值之差称为误差误差。测量误差测量值真值测量误差测量值真值u误差可为正值或负值，误差反映了测量值与其真实值偏离的大小。误差可为正值或负值，误差反映了测量值与其真实值偏离的大小。u 误差与真实值之比称为相对误差：误差与真实值之比称为相对误差：相对误差误差相对误差误差/真值真值误差误差/测量值测量值三、误差及数据处理三、误差及数据处理2、误差产生的原因：、误差产生的原因：47误差产生的原因主要有以下四个方面：误差产生的原因主要有以下四个方面：u（1）设备仪表误差：）设备仪表误差：所使用的仪器、器件、引线、传感器等都所使用的仪器、器件、引线、传感器等都可引入误差。可引入误差。u（2）环境误差：）环境误差：周围环境的温度、湿度、压力、振动以及各种可周围环境的温度、湿度、压力、振动以及各种可能干扰测量的因素，均能使测量值发生变化，使测量失准，产生误差。能干扰测量的因素，均能使测量值发生变化，使测量失准，产生误差。三、误差及数据处理三、误差及数据处理2、误差产生的原因：、误差产生的原因：48u（3）人员误差：）人员误差：测量人员分辨能力、测量经验和习惯，都会影测量人员分辨能力、测量经验和习惯，都会影响测量误差的大小。响测量误差的大小。u（4）方法误差：）方法误差：研究与试验方法引起的误差。如试验设计不合理、研究与试验方法引起的误差。如试验设计不合理、经验公式的选择不当及运算过程中过多的舍入而累计的误差，最终都会经验公式的选择不当及运算过程中过多的舍入而累计的误差，最终都会是测量结果误差变大。是测量结果误差变大。三、误差及数据处理三、误差及数据处理3 3、误差的分类：、误差的分类：49（1 1）随机误差：）随机误差：（2 2）系统误差：）系统误差：（3 3）粗大误差：）粗大误差：产生是随机的，没有确定的规律性，带有偶然性。产生是随机的，没有确定的规律性，带有偶然性。在相同的测量条件下，多次测量同一物理量时，误在相同的测量条件下，多次测量同一物理量时，误差不变或按一定规律变化。差不变或按一定规律变化。由于量测人员粗心大意、操作不当或思想不集中所由于量测人员粗心大意、操作不当或思想不集中所造成的读数、记录和运算错误而产生。造成的读数、记录和运算错误而产生。三、误差及数据处理三、误差及数据处理4、数据处理：、数据处理：50数据处理的含义：数据处理的含义：对测试中得到的大量原始数据运用适当的对测试中得到的大量原始数据运用适当的力学理论和数学工具进行分析处理，得到能真实反映被测对力学理论和数学工具进行分析处理，得到能真实反映被测对象性质的物理参数或物理量之间变化规律的函数关系，以及象性质的物理参数或物理量之间变化规律的函数关系，以及结构性能的数据、公式、图表等的过程。结构性能的数据、公式、图表等的过程。数据处理包括两方面内容：数据处理包括两方面内容：（1）消除误差）消除误差（2）拟合物理量之间的函数关系）拟合物理量之间的函数关系三、误差及数据处理三、误差及数据处理5、数据处理的方法：、数据处理的方法：51（1）消除误差的方法：）消除误差的方法：最小二乘法、方差分析最小二乘法、方差分析（2）拟合物理量之间的函数关系：）拟合物理量之间的函数关系：回归分析、灰色回归分析、灰色 系统分析。系统分析。