仪器的检验与率定.pptx
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1、从岩土工程监测看,内观法建立的测试系统都需要应用传感器,将输入的非电量的物理量(与位移、变形、力、压力等)转换为与之有确定对应关系的电量输出(如电流、电压、电阻、电容、频率等),以便测量、记录、处理物理量的变化。根据传感器的定义,这种转换是按照一定规律进行的,输入与输出之间有明确的对应关系,且满足一定的精度要求。1、在传感器制造完成后,需要给定一系列已知的物理量来确定输入与输出的关系(率定卡片含率定数据、图表及方程)及确定是否满足精度要求(合格证)。2、现场使用根据测定的电量变化,根据率定卡片给定的对应关系计算观测物理量。第第1节节传感器的标定与方法传感器的标定与方法第第1节节传感器的标定与方
2、法传感器的标定与方法2传感器的标定CALIBRATION:是指在明确传感器输入与输出关系的前提下,利用某种标准器具对传感器进行标度,通过试验建立输入与输出之间的关系,并检验仪器性能及参数的过程。标定曲线:标定试验结果反映的传感器或测试系统输入x与输出y之间关系的曲线。标定曲线可以是线性的,也可是非线性的,但必须是单调和一一对应的。标定系数:根据标定曲线拟合或回归后,得到的传感器输入与输出之间的数学表达式中的常数项。一般来讲,对新研制或生产的传感器进行全面的技术验一般来讲,对新研制或生产的传感器进行全面的技术验定,称为标定;将传感器在使用中或存储后进行的性能复测,定,称为标定;将传感器在使用中或
3、存储后进行的性能复测,称为校准,有时也称为检验。称为校准,有时也称为检验。传感器标定的原则:传感器标定的原则:1、标定需要有、标定需要有长期稳定且精度高的基准长期稳定且精度高的基准;2、精度的传递精度的传递:标定传感器时必须要有比被标定的传感器:标定传感器时必须要有比被标定的传感器精度高的标准器,而该标准的精度还需要精度高的标准器,而该标准的精度还需要比它精度更高比它精度更高的标的标准器进行定期的标定。准器进行定期的标定。3、工作环境的一致性工作环境的一致性:传感器标定时的工作环境(如温度、:传感器标定时的工作环境(如温度、湿度、气压、电压)等应与传感器使用时的工作环境基本一湿度、气压、电压)
4、等应与传感器使用时的工作环境基本一致。如:室温(致。如:室温(205)、相对湿度)、相对湿度85、大气压力、大气压力(1013087998)Pa。4 4、标定的分级(分档标定的分级(分档):标定应分级进行,在全量程范围):标定应分级进行,在全量程范围内应至少内应至少分分5 51010个测点个测点,测点间距基本一致。,测点间距基本一致。第第1节节传感器的标定与方法传感器的标定与方法3第第1节节传感器的标定与方法传感器的标定与方法4标定的目的:标定的目的:1、找出输入、输出之间的对应关系(包、找出输入、输出之间的对应关系(包括数据、图表、方程、率定系数及影响系数)括数据、图表、方程、率定系数及影响
5、系数)2、检验传感器的性能指标及传递特性是否满足要求。、检验传感器的性能指标及传递特性是否满足要求。包括:量程、分辨率、精度、稳定性及传递特性(非线性包括:量程、分辨率、精度、稳定性及传递特性(非线性度、滞后、重复性),参照已制定的标准,判断传感器是度、滞后、重复性),参照已制定的标准,判断传感器是否合格。否合格。复习:复习:线性度:线性度:标定曲线与理想直线的接近程度。理想直线可用最小二标定曲线与理想直线的接近程度。理想直线可用最小二乘法近似求得,若标定曲线与理想直线的最大偏差为乘法近似求得,若标定曲线与理想直线的最大偏差为B,全量程为,全量程为A,则线性度为则线性度为B/A100。重复性:
6、重复性:标定过程可能分几个循环过程,进程或回程中在同一输标定过程可能分几个循环过程,进程或回程中在同一输入时,输出的最大差值与全量程的百分比。入时,输出的最大差值与全量程的百分比。滞后滞后(滞迟性、回程误差)滞迟性、回程误差):在相同测试条件下,当输入从小到:在相同测试条件下,当输入从小到大变换到反向的行程中,对同一输入值所得到的两个输出值之间的最大变换到反向的行程中,对同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值与全量程的百分比。大差值与全量程的百分比。传感器标定(率定)的基本方法:传感器标定(率定)的基本方法:A利用标准设备产生已知的标准值(如标准力、压力、利用标准设备产生已知的标准值(如标
7、准力、压力、位移等)作为输入量,输入到待标定的传感器中,得到传位移等)作为输入量,输入到待标定的传感器中,得到传感器的输出量,然后将传感器的输出量与输入的标准量作感器的输出量,然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较,从而得到标定曲线。比较,从而得到标定曲线。如给弹簧秤加如给弹簧秤加标准砝码标准砝码进行标定。进行标定。B用一个标准的测试系统,去观测未知的被测物理用一个标准的测试系统,去观测未知的被测物理量,再用待标定的传感器测量同一被测物理量,将两个结量,再用待标定的传感器测量同一被测物理量,将两个结果进行比较,得到传感器的标定曲线。果进行比较,得到传感器的标定曲线。如用如用天平天平和弹簧秤同
8、时观测一系列重物,一一对应形和弹簧秤同时观测一系列重物,一一对应形成标定曲线。成标定曲线。第第1节节传感器的标定与方法传感器的标定与方法5第第2 2节节监测仪器的现场检验与率定监测仪器的现场检验与率定监测工程(监测工程(INSTRUMENTATIONWORKS)的主要环节的主要环节1、监测设计、监测工程招投标、合同签订等、监测设计、监测工程招投标、合同签订等2、仪器的采购、运输、储存、保管、仪器的采购、运输、储存、保管3、仪器的现场检验与率定、仪器的现场检验与率定4、仪器安装的土建施工(如钻孔等)、仪器安装的土建施工(如钻孔等)5、仪器的安装、埋设、调试、保护等、仪器的安装、埋设、调试、保护等
9、6、初读数的取得与相关记录,、初读数的取得与相关记录,7、日常观测、巡视与记录,随工程进展的电缆铺设、日常观测、巡视与记录,随工程进展的电缆铺设8、资料整理分析与信息反馈、资料整理分析与信息反馈9、工程竣工资料与运行期自动化监测的实施、工程竣工资料与运行期自动化监测的实施 岩岩土土工工程程监监测测一一般般选选用用有有多多年年生生产产历历史史及及多多个个工工程程实实践践应应用用实实例例的的正正规规仪仪器器厂厂家家的的仪仪器器设设备备,仪仪器器出出厂厂时时都都进进行行了了各项检验与标定,并附有标定卡片及合格证。各项检验与标定,并附有标定卡片及合格证。但但从从仪仪器器出出厂厂到到安安装装前前还还有有
10、运运输输、储储存存等等环环节节,仪仪器器的的性能可能会发生变化。性能可能会发生变化。岩岩土土工工程程内内部部监监测测中中,监监测测仪仪器器大大多多在在隐隐蔽蔽的的工工作作环环境境下下长长期期运运行行。仪仪器器一一旦旦安安装装埋埋设设之之后后,一一般般无无法法再再进进行行检检修修和和更更换换。因因此此,对对所所有有将将要要埋埋设设的的仪仪器器必必须须在在现现场场进进行行全全面的检验和率定。其主要的任务是:面的检验和率定。其主要的任务是:(1)(1)校核仪器出厂参数的可靠性。校核仪器出厂参数的可靠性。(2)(2)检验仪器工作的稳定性,以保证仪器性能长期稳定。检验仪器工作的稳定性,以保证仪器性能长期
11、稳定。(3)(3)检验仪器在搬运过程中是否损坏。检验仪器在搬运过程中是否损坏。第第2 2节节监测仪器的现场检验与率定监测仪器的现场检验与率定2 2 现场的常规检验:监测仪器运到现场必须检验,常规检验的内容是:监测仪器运到现场必须检验,常规检验的内容是:(1)(1)出出厂厂时时仪仪器器资资料料参参数数卡卡片片是是否否齐齐全全,仪仪器器数数量量与与发发货货单是否一致。单是否一致。(2)(2)外观检查。仔细查看仪器外部有无损伤痕迹,锈斑等。外观检查。仔细查看仪器外部有无损伤痕迹,锈斑等。(3)(3)用万用表测量仪器线路有无断线。用万用表测量仪器线路有无断线。(4)(4)用兆欧表测仪器本身的绝缘是否达
12、到出厂值。用兆欧表测仪器本身的绝缘是否达到出厂值。(5)(5)用二次仪表试测一下仪器测值是否正常。用二次仪表试测一下仪器测值是否正常。经经检检验验,苦苦有有上上述述缺缺陷陷者者暂暂放放一一边边,待待以以后后详详查查。如发现有缺陷的仪器较多应退货或向厂商交涉处理。如发现有缺陷的仪器较多应退货或向厂商交涉处理。第第2 2节节监测仪器的现场检验与率定监测仪器的现场检验与率定3 3监测仪器的监测仪器的性能检验性能检验包括(一般指差阻式仪器):包括(一般指差阻式仪器):1、力学性能检验:变形(受力)与仪器输出的关系、力学性能检验:变形(受力)与仪器输出的关系如:端基线性度检验、非直线度检验;如:端基线性
13、度检验、非直线度检验;不重复性检验、最小读数(分辨率)检验不重复性检验、最小读数(分辨率)检验2、温度性能检验:含、温度性能检验:含0电阻检验、温度系数检验等电阻检验、温度系数检验等3、防水性能检验、防水性能检验4、绝缘性能检验、绝缘性能检验4、长期稳定性检验、长期稳定性检验5、其它性能检验等。、其它性能检验等。第第2 2节节监测仪器的现场检验与率定监测仪器的现场检验与率定4 4第第2 2节节监测仪器的现场检验与率定监测仪器的现场检验与率定5 5一般对重要的监测工程,监测实施单位应在施工现场组一般对重要的监测工程,监测实施单位应在施工现场组建建监测试验室监测试验室,配备必要的仪器设备,在仪器安
14、装埋设前对,配备必要的仪器设备,在仪器安装埋设前对其进行检验和率定。一般需要配备的其进行检验和率定。一般需要配备的检验率定设备检验率定设备包括:包括:1、万用电表、兆欧表、万用电表、兆欧表M、百分表、千分表、水银温度计、百分表、千分表、水银温度计、湿度计、标准压力表、保温桶等通用仪表、设备。湿度计、标准压力表、保温桶等通用仪表、设备。2、专用率定设备:大校正仪、小校正仪、一级活塞式压力、专用率定设备:大校正仪、小校正仪、一级活塞式压力计、压力率定罐、万能材料试验机等。计、压力率定罐、万能材料试验机等。3、二次仪表:比例电桥、频率计及其他读数装置。、二次仪表:比例电桥、频率计及其他读数装置。4、
15、工具:扳手、钳子、起子、砝码、磁性表座等。、工具:扳手、钳子、起子、砝码、磁性表座等。5、附件及材料:垫片、液压油、纯净水、记录表等。、附件及材料:垫片、液压油、纯净水、记录表等。大、小校正仪大、小校正仪活塞式压力计活塞式压力计材料试验机材料试验机恒温水浴恒温水浴压力罐压力罐专业的率定设备专业的率定设备位移传感器的率定第第3 3节节 差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定 3 3、1 1 概述概述 目目前前我我国国使使用用的的差差动动电电阻阻式式仪仪器器主主要要有有:大大小小应应变变计计、钢钢筋筋计计、测测缝缝计计、渗渗压压计计、温温度度计计、应应力力计计、土土压压计计等等,二二
16、次次仪仪表表均均为为水水工工比比例例电电桥桥。现现场场检检验验的的内内容容包包括括力力学学性性能能检检验验、温温度度性性能能检检验验、防防水水性性能能检检验验、绝绝缘缘性性能能检检验验等等。率率定定的的内内容容有有:最小读数最小读数(f f)、温度系数、温度系数()等。等。A A、试验条件:、试验条件:参比工作条件参比工作条件 室温稳定室温稳定 湿度小于湿度小于8080。B B、设备、设备:如前述校正仪、压力计、试验机、比例电桥等。:如前述校正仪、压力计、试验机、比例电桥等。C C、注意事项、注意事项:a a、应将仪器在参比工作条件下预先置放、应将仪器在参比工作条件下预先置放24h24h以上;
17、以上;b b、将将仪仪器器安安放放在在检检验验装装置置上上时时应应控控制制电电阻阻比比的的变变化化不不大大于于200.01200.01。c c、检检验验前前,应应在在测测量量范范围围上上下下限限的的1.21.2倍倍内内预预先先拉拉压压循循环环3 3次以上,直至测值稳定。次以上,直至测值稳定。第第3节节差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定D、率定的分档、率定的分档:按不同仪器在仪器量程范围内确定测:按不同仪器在仪器量程范围内确定测点数,使各测点的测值间距相等。点数,使各测点的测值间距相等。如:应变计可分为如:应变计可分为79档,间距档,间距0.200.40mm钢筋计可分为钢筋计可
18、分为69档,间距档,间距2540MPa压应力计可分为压应力计可分为6档,间距档,间距0.51.0MPa测缝计可分为测缝计可分为712档,间距档,间距1.0mm渗压计可分为渗压计可分为69档,间距档,间距20200kPa锚索测力计可按量程的锚索测力计可按量程的10进行分档检验。进行分档检验。温度计可考虑按温度计可考虑按0、35、70进行检验进行检验仪器的温度效应可按仪器的温度效应可按0、20、40进行检验进行检验第第3节节差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定3.2差阻式仪器检验的计算:差阻式仪器检验的计算:A、端基线性度检验:、端基线性度检验:1先将仪器下行至下限值(如应变计的压
19、缩),量测电阻比之后,逐档先将仪器下行至下限值(如应变计的压缩),量测电阻比之后,逐档上行,每档测试全程共测得上行,每档测试全程共测得n个电阻比,再向下逐档测试个电阻比,再向下逐档测试n个电阻比,共个电阻比,共完成完成3个循环,计算如下指标:个循环,计算如下指标:1)各点电阻比总平均值:)各点电阻比总平均值:Za,i(Zu,i+Zd,i)/2Zu,i-i档上行测值平均,档上行测值平均,Zd,i-i档下行测值平均档下行测值平均2)各档测点的理论值计算:)各档测点的理论值计算:Zt,i=zi/(n-1)+Za,ii-测点序号(测点序号(0-n-1),z-量程上下限各自量程上下限各自6次测值平均值之
20、差。次测值平均值之差。3)各测点电阻比测值的偏差计算:)各测点电阻比测值的偏差计算:iZa,iZt,i4)仪器端基线性度误差仪器端基线性度误差计算公式:计算公式:a1=1/z100,1-取取i的最大值的最大值。第第3节节差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定B B、非直线度、非直线度 a a2 2 的检验的检验a2=2/z1002为每一循环中,各测点上行及下行两个电阻比测值之间的偏差最大值。为每一循环中,各测点上行及下行两个电阻比测值之间的偏差最大值。C C、不重复性误差、不重复性误差a a3 3的检验:的检验:a3=3/z1003为三次循环中各测点上行及下行的各自三个电阻比测值
21、之间的偏差最大值。为三次循环中各测点上行及下行的各自三个电阻比测值之间的偏差最大值。D D、最小读数、最小读数 f f 的检验:的检验:相当于率定系数,对差阻式仪器,最小读数相当于率定系数,对差阻式仪器,最小读数f为全量程的物理量变化除以为全量程的物理量变化除以全量程的电阻比输出全量程的电阻比输出z。如:。如:应变计应变计:fL/L1/z其中其中L为全量程的变形量为全量程的变形量mm,L为应变计的标距为应变计的标距mm。第第3节节差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定最小读数最小读数f的检验:的检验:钢筋计:钢筋计:fP/A1/zP-检验时的最大拉力检验时的最大拉力N,A-钢筋计
22、截面积钢筋计截面积cm2测缝计:测缝计:fL/zL-全量程的变形量全量程的变形量mm渗压计:渗压计:fP/zP-检验时的最大压强检验时的最大压强kPa最小读数最小读数f的误差计算:的误差计算:af(fTfi)/fTfT、fi分别为分别为厂家和用户检验的厂家和用户检验的f值。值。E E、差阻式仪器的误差限要求差阻式仪器的误差限要求:项目项目a1a2a3af限差限差2113第第3节节差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定3.3 3.3 差阻式仪器的温度性能检验:差阻式仪器的温度性能检验:主要设备:双层保温桶、标准水银温度计、恒温水浴和水银导电表、主要设备:双层保温桶、标准水银温度计、
23、恒温水浴和水银导电表、水工比例电桥、水工比例电桥、500V500V直流兆欧表等。直流兆欧表等。A、注意事项:1)试验)试验0电阻时,仪器之间需铺电阻时,仪器之间需铺810cm厚、厚、直径小于直径小于3cm的碎冰层,保证仪器在的碎冰层,保证仪器在0情况下情况下恒温恒温2h,测值稳定。,测值稳定。2)试验温度系数时,仪器要侵入水下)试验温度系数时,仪器要侵入水下5cm,保,保证温度变化在证温度变化在0.1以内恒温以内恒温1h,测值稳定。,测值稳定。3)应在测记温度和电阻的同时,测量仪器的电)应在测记温度和电阻的同时,测量仪器的电阻比及绝缘电阻。阻比及绝缘电阻。4)、分档如下:温度计:)、分档如下:
24、温度计:0、35、70差阻式仪器:差阻式仪器:0、20、40、60(渗压计渗压计除外)除外)第第3节节差阻式仪器的现场检验与率定差阻式仪器的现场检验与率定B、试验步骤试验步骤1)将若干冰块敲碎,冰块小于将若干冰块敲碎,冰块小于30mm备用。备用。2)恒温水浴底均匀铺满碎冰,厚恒温水浴底均匀铺满碎冰,厚100mm,把仪器横卧在,把仪器横卧在冰上,仪器与浴壁不能接触,再覆盖冰上,仪器与浴壁不能接触,再覆盖100mm厚的碎冰,仪厚的碎冰,仪器电线线按上电桥的接线柱,把温度计插入冰中。向放好仪器电线线按上电桥的接线柱,把温度计插入冰中。向放好仪器的碎冰槽内注入自来水,水与冰的比例为器的碎冰槽内注入自来
25、水,水与冰的比例为3:7左右,恒温左右,恒温2h以上。以上。3)0电阻测定每隔电阻测定每隔10分钟读一次温度和电阻值。并记下分钟读一次温度和电阻值。并记下测值。连续三次读数不变后,结束测值。连续三次读数不变后,结束0试验。得到零度时的试验。得到零度时的电阻值电阻值(Ro)。4)再加入水或温水,搅动使温度升到再加入水或温水,搅动使温度升到10左右,恒温左右,恒温30分钟。保持分钟。保持10分钟读一次温度和电阻。连续测读了三次,结分钟读一次温度和电阻。连续测读了三次,结束该级温度测试。再加入温水搅匀,使温度保持恒温后读数。束该级温度测试。再加入温水搅匀,使温度保持恒温后读数。按上述办法,测四级。按
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