仪器设备的选用

9.2　仪器设备的选用

9.2.1　闸门测试的常用仪器

闸门测试分为静力测试与动力测试，不同的测试所用的仪器也有所不同，下面分别介绍。

9.2.1.1　闸门静态测试常用仪器及其功能

1.信号采集仪——传感器

常用的传感器有电阻应变片、应变计式的电桥盒、位移计等。

主要功能是把被测试对象的机械变形物理量转换为电信号，供二次仪表放大、显示、记录和分析处理。

2.信号放大器

常用的信号放大器有静态电阻应变仪。

主要功能是将传感器输出的电信号放大，供示波器显示、记录仪记录和储存、分析设备分析、处理。

3.信号显示与记录设备

常用的显示、记录设备有:X－Y函数的记录仪、光线示波器、电子示波器和磁带记录仪等。

主要功能是将放大的电信号显示、记录与储存，供分析与处理。

4.信号分析、处理设备

信号分析处理分为人工与机器两种方法。即除了人工分析处理外，还可用以电子计算机(含相关的分析处理软件)为主体的数据处理与分析系统。

9.2.1.2　闸门动力测试常用仪器及其功能

1.信号采集仪——传感器

常用的传感器有电阻应变片、应变盒、磁电式速度传感器、压电式加速度传感器、压电式力传感器、压阻式加速度传感器、伺服式加速度传感器、非接触涡流式位移传感器、阻抗头等。

主要功能是把被测试对象的机械振动物理量转换为电信号，供二次仪表放大、记录、显示、储存分析与处理。

2.信号放大器

常用放大器有电压放大器、电荷放大器、测震仪、动态电阻应变仪等。

主要功能是将传感器输出的电信号放大，供示波器显示、记录仪记录、分析设备分析处理等。

3.信号显示与记录设备

常用的显示、记录设备有光线示波器、电子示波器和磁带记录仪等。

主要功能是将放大的电信号显示、记录、储存，以备分析和处理。

4.信号分析和处理设备

特殊情况下采用人工分析。一般情况下采用电子仪器分析，常用的分析、处理设备有频谱分析仪、动态信号处理仪以及含专门分析软件的电子计算机的数据处理与分析系统。

主要功能是对所测的信号进行分析处理。

5.激振设备

闸门动力测试中，常需要使静态对象变成动态对象，这就需要一种激振设备。

常用激振设备按其使用方式可分为脉冲锤、激振器和振动台等。

主要功能是激发被测试对象，使之处于强迫振动状态，以达到某些动力实验(如闸门的动态特性的测试)的目的。

9.2.2　测试仪器选用的重要性与必要性

测量闸门仪器的种类、规格很多，性能、价格、适用条件也不同，必须根据测试目的、要求、内容与测试现场的环境条件，选取适当的测量仪器及其最优的配置系统，才能得到真实的测试信号及客观的测试结果。可见，测试仪器的选用是十分重要和必要的。

9.2.3　测试仪器设备的选用

闸门测试分为静力和动力两种情况，所用的仪器设备一般可分为四大类，即信号采集仪(传感器)、信号放大器、信号显示与记录设备、信号分析处理设备等。动力特性测试时，还需增加一种激振设备。这些设备的种类、规格、性能、适用条件等各不相同，现分别根据静力测试和动力测试两种情况，介绍这些仪器设备的选用。

9.2.3.1　静力测试仪器设备的选用

Ⅰ.信号采集仪的选用

静力测试中的信号采集仪通常是用电阻应变片或应变计式的电桥盒(应变盒)。电阻应变片又分为箔式应变片、绕线式应变片、短接式应变片及半导体应变片。箔式应变片具有性能稳定、灵敏系数的分散性小、散热性能好、横向效应系数小、输出信号大、绝缘电阻高、蠕变与机械滞后较小、疲劳寿命高等特点，但高温下漏电流大，不适于高温的应变测量。绕线式应变片具有制造简便的优点，但有难以制成小标距应变片、横向效应系数较大、工作特性分散性较大、纸基易吸潮等缺点，故它仅在中、高温应变测量中采用。短接式应变片的特点是横向效应系数小，但制造麻烦、疲劳寿命低，因此主要用于温度自补偿应变片。半导体应变片的优点是灵敏系数大，是金属栅的50倍，可使测量电路简化;缺点是灵敏系数的非线性大，拉、压灵敏系数不同，电阻温度系数补偿困难，材料柔软性差，不宜粘在曲面上，仅适用于制作传感器盒在特殊条件下的力学量的测量，并要采用特殊的电路进行非线性补偿。

在众多的应变片种类、规格中，只有选用合适的应变片，才能获得最佳的测量结果。一般应遵循以下原则:

1.应变片标距的选择

它与测试对象的材料盒应变、应力分布有关，一般在均匀应变场或应变梯度小的构件上测量，应采用标距为3～10mm的中标距应变片;在应变梯度大或有应力集中的测点上测量，应选用小于3mm的小标距应变片;如在闸门以外的混凝土构件上测量，应选用长标距应变片，且应变片标距应大于混凝土骨料颗粒直径的4倍。

2.基底的选择

基底的材料与其工作温度有关，常温应变片不能用于高温测试，中、高温应变片也不宜用于常温测试，否则会损坏应变片影响测量精度或不经济。

3.敏感栅个数的选择

它与应力状态有关，单向应力状态的测量用单轴应变片;主应力方向已知的平面应力状态采用二轴90°应变花测量，应变花的二轴沿主应力方向粘贴;主应力方向未知的平面应力状态，采用三轴45°或60°应变花测量。

4.电阻值选择

它与电桥有关，用于应变测量，应选用120Ω的应变片，因应变仪的电桥是按120Ω桥臂电阻设计的。若采用其他电阻，对测量结果要进行修正;如用于制作传感器，且有配用的二次仪表测量，可选用高电阻值的应变片，它可提供桥电压，以获得大的输出信号，使仪器简化。同一电桥上使用的应变片或采用公共补偿的一组应变片，其阻值相差最好小于0.2Ω，以便电桥预调平衡。在曲面上粘贴应变片时，其阻值会发生变化，凸面电阻值增大，凹面电阻值减少，曲率愈大，电阻值改变也愈大，这点应注意，以免造成电桥不能平衡。

此外，在长期的应变测量中(或用于制作应变式传感器)，应选用胶基箔式应变片，敏感栅材料应是康铜(铜镍合金)或卡玛(镍、铬、铝、铁合金)等合金，它们的电阻温度系数小，受环境温度影响也小。

要注意，应变片选好后，要配以合适的温度补偿。温度补偿片应是与测量片同型号、同规格的应变片，并粘贴到与闸门材料相同的补偿块上，补偿块应放置在与闸门相同湿度的环境中，以获得最佳温度补偿效果。

Ⅱ.信号放大器

常用的放大器有静态电阻应变仪。它是测量闸门结构在静荷载作用下的变形和应力的主要仪器。运用它将被测应变转换成电阻率变化进行测量，最后用应变的标度指示出来。常用的静态电阻应变仪有国产YJ-5型、YJB-1型和YJ-18型等。为了测试的方便和取得较好的测量成果，选配应变仪的原则如下:

1.仪器的主要技术指标(应变测量范围、分辨率、基本误差、稳定性、灵敏度变化、灵敏系数范围、灵敏系数误差、电阻平衡范围等)必须满足测试要求，并能较好地与应变片间的阻抗相匹配。

2.仪器应具有结构简单、体积小、操作方便、便于携带、性能稳定、价格便宜和易于维修等优点。

测量时，还要注意应变片与应变仪的连线应尽可能短，以防止电磁场等环境干扰。

Ⅲ.信号显示与记录设备

用手工分析测试数据时，可选用光线示波器;用电子仪器分析数据时，一般选用磁带记录仪等。

9.2.3.2　动力测试仪器设备的选用

Ⅰ.信号采集仪的选用

动力测试中的信号采集仪种类很多，如按照传感器的使用来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器和测力传感器等;若按传感器结构特点或物理效应分类，可分为应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器和磁电式传感器等。这些分类只强调了某一个方面，实际上有的传感器可以同时用于几种被测量，而对于同一种被测量又可采用多种原理和传感器进行测量。所以，在许多情况下，还可将上述两种分类法综合使用。如常称呼的“应变式测力传感器”、“压电式加速度计”、“磁电式速度计”等。

动力传感器的技术指标包括:

1.额定容量

测量范围的上限。

2.过载率

(1)允许过载率:以额定容量的百分率表示。当被测量超过额定容量但不大于过载率对应的上限时，传感器不能按额定的性能指标工作，但卸载后再在额定容量内工作时，性能指标正常。

(2)极限过载率:以额定容量的百分率表示。超过该极限，传感器即损坏。

3.工作温度范围

传感器能正常工作的温度范围。

4.额定输出电压

在额定容量时，电桥输出电压;给出此值时应注明供桥电压。

5.频率响应

被测量的频率超过此范围，传感器的性能变坏。

6.非线性

在同一输入量下，传感器的输入—输出特性和理想直线的偏移量与额定输出比值的百分数，即为非线性。该理想直线可以是连接零点和最大输出所得的直线，也可以是用最小二乘法线性回归得到的最佳“直线”。

7.滞后

加卸载特性曲线的最大差值与额定输出之比，以百分比表示。

8.蠕变

额定载荷下保持一定时间，输出的变化与额定输出之比，用百分比表示。

9.零点漂移

无载时，环境温度变化1℃时输出与额定输出的比值，用百分比表示。

10.动漂

额定载荷下，温度每变化1℃，输出变化与额定输出之比，用百分比表示。

11.重复性

在相同环境条件下，若干次加载至额定值后，输出值的最大偏差与平均输出之比，以百分比表示。

在动力测试中，必须根据测试对象、目的及条件的不同来选配合适的传感器。选配动力传感器一般应遵循以下原则:

(1)动态应变测试分析系统的传感器选择，主要考虑应变片的频响特性。而影响其频响特性的因素是其栅长和应变波在被测试件中的传播速度。

若应变片的栅长为L，应变波波长为λ，测量相对误差为ε，实验得知，L/λ愈小，则ε愈小。当时，ε小于2%。

若应变波在被测试件中的传播速度为v，而取时，则可测的动态应变的最高频率为

当然，还必须考虑应变梯度及应变范围。

(2)非应变式(压电式、电容式或磁电式)的测试分析系统的传感器选择:

①动态范围要宽。无论是测量低加速度的振动，还是高加速度的冲击，传感器均能保持正常工作，因此，要求传感器具有足够高的灵敏度和承受较高的过载能力。当然，也不是说愈高愈好，其量程也要适当。用量程小的传感器去测量大振动量会引起传感器超量程甚至造成仪器损坏，用大量程传感器测量小振动量，灵敏度低，测量精度差。因此，要根据具体情况采用合适的测量仪器。同时，还希望传感器本身的噪音小(因灵敏度愈高，外界噪声也容易混入)，且不容易从外界引进干扰信号。

②频响范围要大。要求传感器对于低频(低于1Hz)和高频(高于10kHz)的振动参数均能测量。在闸门动力测试中所选用的传感器的频率范围要满足闸门动力响应的频率要求。如我们常用的YD-107加速度计，其频率范围为0～100kHz，DPS-0.5型的低频位移计，频率范围为0.5～150Hz。这些传感器均能满足闸门的动力测试要求。

③失真度要小。失真度是指测量的动力参数的误差，失真度小表示测量精度高，即表示传感器的输出与被测量的对应程度高。但是，失真度越小的传感器，其价格就越高，要根据实际情况选择。

④稳定性要好。稳定性是指传感器经过长期使用后，其输出特性不随时间、环境、温度等变化的性能。但影响稳定性的主要因素是时间及环境。为保证其稳定性，须根据时间、环境等因素进行调整，以选择较合适的传感器类型。如电阻应变式传感器，温度影响其零漂，湿度影响其绝缘性，长期使用会产生蠕变现象;磁电式传感器在电场、磁场中工作会产生误差等。

⑤要有一定的线性范围。任何传感器都有一定的线性范围。在线性范围内输入与输出呈线性比例关系。线性范围愈宽，表明传感器的工作量程愈大。故选用时要注意被测物理量的变化范围，使其非线性误差在容许范围内。

此外，要尽可能兼顾到结构简单、重量轻、体积小、抗干扰性能强、价格便宜和易于维修等方面。要综合考虑，保证主要参数，兼顾次要，选好传感器。

Ⅱ.信号放大器的选用

在闸门的动力测试中，常用的信号采集器有磁电速度传感器、压电加速度计、应变片或应变计盒等，与它们配用的信号放大器也不同。常用的放大器有动态电阻应变仪、测振仪、电荷放大器、电压放大器等。要根据测试目的、要求、现场条件等选配信号放大器，选配原则如下:

1.动态应变测试分析系统的动态应变仪选择

主要根据测试系统的仪器配置、闸门各构件的应变梯度、应变范围、测点多少及测试性质等因素来决定动态应变仪的型号、工作频率、测量范围、仪器的线形及精度等。以国产动态应变仪为例，目前使用的国产型号有Y6D-2型、Y6D-3型、YD-15型及Y8D8-5型等，供选择参考。

2.非应变式(压电式、电容式或磁电式)的测试系统的放大器选择

由传感器输出的电信号一般较微弱，需要放大后才能供显示和记录。放大器就是将微弱的电信号进行放大的装置。一般信号放大器中还装置有微积分电路、滤波电路等。所以放大器除了有放大功能外，还有微分、积分和滤波功能。

不同的传感器与它们配用的放大器也不同。传感器选定后，放大器基本上就确定了。如磁电式速度传感器CD-1、CD-2、CD-4等可以与GZ-1、GZ-2测振仪配用，用来测量速度、加速度与不同频率范围的位移。701、65型拾振器可以与701-5型放大器或GZ测振仪配用，用来测速度、加速度和位移。YD系列、JC系列的压电式加速度计可以与电荷放大器配用，用于测量加速度、速度和位移。

Ⅲ.信号显示记录设备的选用

目前在动力测试中，常用的显示记录设备有光线示波器、磁带记录仪、瞬态记录仪或通过带专门分析软件的电脑直接记录和分析。

光线示波器具有结构简单、灵敏度高、性能稳定、记录直观并可在同一时间坐标轴上记录多路信号等特点，适用于人工分析测试成果。磁带记录仪等是利用铁磁性材料的磁化进行记录的仪表，适用于电子分析测试结果。记录仪须与显示器配合，才能观察到记录的信号波形。它可多次重放、复制，可调整重放速度，可以抹掉等，从而实现信号的时间压缩和扩展;它储存信息密度大，易于多线记录，记录信号频率范围宽，抗干扰性能好;它适于配用电脑进一步对数据分析、处理，用电脑直接记录和分析更加方便。所以，在电脑技术广泛应用的今天，光线示波器的使用就大大减少了，甚至可用带专门软件的电脑代替信号的记录、显示和分析处理仪器进行测试。

Ⅳ.信号分析处理设备的选用

目前在动力测试中，常用的动力信号分析处理设备有频谱分析仪、动态信号处理仪或含有专门的动力分析软件的电子计算机。最好是选择带有专门动力测试(集信号采集、显示、储存、分析、处理为一体)软件的电子计算机测试系统。