《桥梁施工控制技术01.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桥梁施工控制技术01.pptx（82页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 静止的水面称为水准面，水准面是受地球重力影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。与水准面相切的平面称为水平面。水平面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成的闭合曲面，称为大地水准面。大地水准面是测量工作的基准面。并选择陕西泾阳县永乐镇某点为大地原点，进行了大地定位。由此而建立起来全国统一坐标系，这就是现在使用的“1980年国家大地坐标系”。由于地球椭球的扁率很小，因此当测区范围不大时，可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为6371km 当测区的范围较小时，可以把测区球面当作两面处理，直接将地面点沿铅垂线投
2、影到水平面上，用平面直角坐标来表示。平面直角坐标原点一般选在测区西南方，以该测区子午线方向(真子午线或磁子午线)为x轴，北方向为正。y轴与x轴垂直，东方向为正。第1页/共82页陕西泾阳县永乐镇第2页/共82页1 几何形态监测高程系统地面点的地面点的高程高程是指地面点到某一高程基准面的垂直距离。是指地面点到某一高程基准面的垂直距离。测量上常用的高程基准面有测量上常用的高程基准面有参考椭球体面参考椭球体面和和大地水准面大地水准面。大地高大地高：以：以参考椭球体面参考椭球体面为高程基准面。大地高是地面点沿为高程基准面。大地高是地面点沿法线法线到到椭球体面的距离，用椭球体面的距离，用H大表示。大表示。
3、海拔高海拔高：以：以大地水准面大地水准面为高程基准面。即地面点沿为高程基准面。即地面点沿垂线垂线到大地水准到大地水准面的距离，也称为面的距离，也称为绝对高程绝对高程，用，用H海表示。海表示。“1956年黄海高程系年黄海高程系”，青岛市观家山水准原点高程为，青岛市观家山水准原点高程为72.289m。“1985年国家高程基准年国家高程基准”，青岛市观家山水准原点高程为，青岛市观家山水准原点高程为72.260m。1987年后启用此基准。年后启用此基准。在局部地区特殊条件下，不需要和国家高程系统联系，可采用一个在局部地区特殊条件下，不需要和国家高程系统联系，可采用一个假设水准面假设水准面为高程起算面。
4、所得到的地面高程称为假设高程或相对高程。为高程起算面。所得到的地面高程称为假设高程或相对高程。地面两点的高程差称为高差，用地面两点的高程差称为高差，用h表示，表示，第3页/共82页(1-7)1 几何形态监测特征点的测定特征点的测定方法：卫星定位几何测量定位 利用卫星信号接收机，同时接收多颗定位卫星发射的信号进行定位，称为卫星定位。若在待测点P安置卫星接收机，在某时刻同时接收三颗卫星信号，测定卫星至接收的距离Rip。已知该时卫星空间三维坐标，即可用下式求出待测点三维坐标：第4页/共82页GPSGPS卫星定位测量使用GPSGPS接收机第5页/共82页手持型GPS机车载型GPS机第6页/共82页(1
5、-8)几何测量定位几何测量定位：如地面上有三个点A、B、C，其中A点坐标已知，待求点为B、C，见图1-12。测定a、b间平距Dab,及x纵坐标北方向与ab边的夹角ab(称为方位角)，即可求定b点平面坐标：若已知若已知A、B坐标，只坐标，只要测定要测定角和距离角和距离Dbc,即可确即可确定定C点位置。点位置。常规测量中，常规测量中，量距、量距、测角和测高差测角和测高差是确定地面是确定地面点位的点位的基本测量工作基本测量工作。第7页/共82页1.1 GPS卫星定位系统 GPS系统的组成：空间星座部分、地面支撑系统、用户设备部分 空间星座部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨
6、道面内。卫星轨道倾角为55，各轨道平面相差60。轨道平面高度为20200km，卫星运行周期11小时58分。地面观测者见的卫星颗数最少为4颗，最多可达11颗。空间星座部分的作用：向广大用户连续发送定位信息；接收和存储由地面监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时地发送给广大用户；接收并执行由地面监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等；通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。第8页/共82页GPS系统的特点:全球、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间。不受天气的影响。定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。功能多
7、、应用广：大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等。第9页/共82页地面支撑系统：主控站：根据跟踪观测数据计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气修正参数等，编制成导航电文并传送至各注入站；调整偏离轨道的卫星；启用备用卫星；管理协调各地面监控系统的工作。注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器；向主控站发射信号报告自己的工作状态。监测站：数据自动采集中心，用GPS接收机对可见卫星进行连续观测，为主控站提供卫星的观测数据。用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。包括G
8、PS接收机及天线、微处理器、终端设备和电源等。天线单元能够接收来自任何方向的GPS信号，将极微弱的GPS信号电流予以放大。微处理机能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几何图形；能根据观测值及卫星星历求得所需的定位信息。第10页/共82页其它卫星定位导航系统 Galileo卫星定位导航系统：Galileo系统是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理。能够和GPS、GLONASS系统实现多系统内的相互合作，用户可以用一个多系统接收机来实现定位导航。中国在2004年10月正式加入“Galileo计划”。Galileo系统由30颗（27颗
9、工作卫星+3颗在轨备用卫星）卫星组成，均匀分布在3个轨道上，整个系统拟在2010年之前投入正式运行。GLONASS系统：前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，由卫星星座、地面监测控制站和用户设备组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。GLONASS系统采用军民合用、不加密的开放政策。目前在轨工作卫星约为18颗。第11页/共82页北斗卫星定位导航系统：中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统。北斗一代包括
10、2颗地球同步卫星、2颗备用星、地面中心站和用户终端。北斗系统三大功能：快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送4060个汉字的短报文信息；精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。第12页/共82页GPS定位原理 利用无线电测距交会确定点位的方法，可以根据3个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之也可以利用3颗以上卫星的已知空间位置交会出地面位置点（用户接收机）的位置。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置
11、信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至每颗卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，然后根据距离交会法解算出测站P的位置。第13页/共82页GPS定位方法分类（1 1）绝对）绝对/单点定位单点定位(point positioning)(point positioning)确定观测点在确定观测点在WGS-84WGS-84系中的坐标，即绝对位置。系中的坐标，即绝对位置。（2 2）相对定位）相对定位(relative positioning)(relative positioning)确定观测点在国家或地方确定观测点在国家或地方独立坐
12、标系中的坐标，即相对位置。独立坐标系中的坐标，即相对位置。GPS的后处理测量方法 1 1静态测量静态测量(static surveying)(static surveying)（1 1）方法：将几台）方法：将几台GPSGPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测同步观测4 4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1 1小小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。第14页/共82页（2 2）用途）用途 是精度最高的作业模式
13、。主要用于大地测量、控制测量、变形是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。测量、工程测量。（3 3）精度）精度 可达到（可达到（5mm+1ppm5mm+1ppm）2 2动态测量动态测量(kinematic surveying)(kinematic surveying)（1 1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第另一台接收机在第1 1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐
14、标。动态相对定位的作业将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过范围一般不能超过15km15km。（2 2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。）用途：适用于精度要求不高的碎部测量。（3 3）精度：可达到（）精度：可达到（1020mm+1ppm1020mm+1ppm）第15页/共82页静态相对定位模式静态相对定位模式流动站动态相对定位模式动态相对定位模式第16页/共82页GPS实时动态定位（RTK）方法 1 1RTK(real-time kinematic)RTK(real-time kinematic)工作原理及方法工作原理及方法 与动态相对定位方法相比，
15、定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。第17页/共82页2 2RTKRTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。测量。3 3作业范围：目前一般为作业范围：目前一般为10km10km左右。左右。4 4精度：可达到（精度：可达到（1020mm+1ppm1020mm+1ppm）第18页/共82页1.2 全站仪全站仪的构造 光、机、电一体化，集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体。组成部分：电源
16、 测角系统 测距系统 数据处理部分 通讯接口 存储器 显示屏及键盘等全站仪的分类全站仪的分类初期阶段：积木式全站仪初期阶段：积木式全站仪成熟阶段：整体式或集成式成熟阶段：整体式或集成式 光电测距仪的光波发射、接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合成同轴光电测距仪的光波发射、接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合成同轴的整体式全站仪。的整体式全站仪。第19页/共82页手柄粗瞄镜光学对中器操作健整平脚螺旋物镜显示器基座水平制动、微动螺旋第20页/共82页电池竖直制动、微动螺旋计算机连接插口调焦手轮目镜管水准器圆水准器第21页/共82页单棱镜组微型棱镜三棱镜组第22页/共82页全站仪的基本功能全站仪的基本功
17、能 测量坐标（测量坐标（NEZENZ)NEZENZ)测量距离测量距离(斜距、平距、高差）斜距、平距、高差）测量角度（水平角、垂直角）测量角度（水平角、垂直角）放样工作（平距、高差、高程、坐标等放样元素）放样工作（平距、高差、高程、坐标等放样元素）测量参数设置测量参数设置数据处理数据处理全站仪与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度全站仪与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘（或编码盘）盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量的。和读数传感器进行角度测量的。根
18、据测角精度可分为根据测角精度可分为0.50.5，11，22，33，55，1010等几个等级。等几个等级。第23页/共82页全站仪的基本操作与使用全站仪的基本操作与使用 1 1）水平角测量）水平角测量 （1 1）按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目）按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标标A A。（2 2）设置）设置A A方向的水平度盘读数为方向的水平度盘读数为0000000000。（3 3）照准第二个目标）照准第二个目标B B，此时显示的水平度盘读数即为两方向间，此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。的水平夹角。2 2）距离测量）距离测量 （1 1）设置
19、棱镜常数）设置棱镜常数 测距前须将棱镜常数输入仪器中，仪器会自动对所测距离进行测距前须将棱镜常数输入仪器中，仪器会自动对所测距离进行改正。改正。（2 2）设置大气改正值或气温、气压值）设置大气改正值或气温、气压值 光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化，光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化，1515和和760mmHg760mmHg是仪器设置的一个标准值，此时的大气改正为是仪器设置的一个标准值，此时的大气改正为0ppm0ppm。实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值（也实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值），并对测距结果
20、进行改正。可直接输入大气改正值），并对测距结果进行改正。（3 3）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。（4 4）距离测量）距离测量 第24页/共82页3 3）坐标测量）坐标测量 （1 1）设定测站点的三维坐标。）设定测站点的三维坐标。（2 2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪会自动计算后视方向方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪会自动计算后视方向的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。（3 3）设置棱镜常数。
21、）设置棱镜常数。（4 4）设置大气改正值或气温、气压值。）设置大气改正值或气温、气压值。（5 5）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。（6 6）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。显示测点的三维坐标。第25页/共82页1.3 施工控制测量 为了保证桥梁施工的精度，施工时必须做好各部分的测量工作，施工测量的方法及精度要求随桥梁轴线长度而定。桥梁施工测量的内容主要包括：桥梁施工控制网的建立、桥梁墩台测设及用于施工过程中的变形监测等。1）桥梁施工控制网（平面）设置桥梁施工控制网的主要目的是：依
22、据规定的精度求得桥梁轴线的长度，并据此进行墩、台的定位（放样）。桥轴线在两岸的控制桩A、B间的距离，称桥的轴线长度。施工测量时，首先要将桥墩、台测设于轴线上。轴线长度是设计墩、台位置的依据。（桥位的控制桩包含在桥的三角网中，边长一般为河宽的0.5-1.5倍)设墩台中心点位放样的极限误差为设墩台中心点位放样的极限误差为D D（通常取（通常取D D=10 mm=10 mm），中误差为），中误差为D D/2/2，则相邻二墩台中心的跨距中误差为则相邻二墩台中心的跨距中误差为设全桥共有设全桥共有N N跨，则桥轴线长度的中误差为跨，则桥轴线长度的中误差为第26页/共82页双三角形 大地四边形双大地四边形
23、加强型大地四边形第27页/共82页2)桥梁高程控制测量 桥梁施工阶段，为了在河流两岸建立可靠而统一的高程系统，需将高程由河的一岸传递到另一岸。桥梁高程控制可采用跨河水准测量或光电测距三角高程的方法建立。（也可以应用差分GPS测量的方法建立平面和高程控制点）当水准路线路越江河，视线长度在200m以内时，可用普通水准测量方法。当视线长度超过200m时，应根据跨河宽度和仪器设备等情况，选用跨河水淮测量或光电测距三角高程方式进行观测。各水准点应沿桥轴线两侧以400 m左右的间距均匀布设，并构成连续水准环。水准点应与相邻的线路水准点联测，以保证桥梁与相邻线路在高程位置上的正确衔接。水准测量的等级、精度、
24、限差应符合相应的规定。为了便于施工监测，可根据实际需要在施工地点附近设立若干个施工水准点。施工水准点的高程必须定期检测。在桥址两岸布设一系列基本水准点和施工水准点，用精密水准测量联测，组成桥梁高程控制网。第28页/共82页1.4 桥梁施工几何监测内容1.主梁线形监测主梁轴线监测 主梁高程监测2.桥墩（塔）线形监测 轴线监测 变形监测3.斜拉索（主缆索）空间位置监测第29页/共82页2 应力（应变）监测 应力监控是桥梁施工监控的基本内容之一，它直接关系到结构的安全，是结构安全的预警系统。通过应力理论值与实测值的对比，是参数估计、状态预测和调整的重要依据之一。通过埋设应力、温度、索力、压力传感器可
25、以达到3个目的：(1)提供某些施工关键工况的必要信息，比如混凝土浇筑、预应力张拉、斜拉索张拉等工况的结构响应；(2)提供施工控制反馈分析的基本信息；(3)为运营阶段的结构长期观测服务。第30页/共82页2.1 传感器一、传感器的作用1.传感器在测控系统中的位置第31页/共82页2.专家推理：蒸汽机工业革命；计算机信息革命；传感器自动化革命；3.专家预言：谁掌握了传感器技术谁就能够支配新时代第32页/共82页二、传感器分类电参数型传感器电阻式传感器：电阻应变式传感器；电阻式温度传感器电容式传感器：变间隙式；变面积式；变介电常数式电感式传感器：自感式；互感式（变压器式）电涡流式传感器：输出电量的方
26、式有四种：等效电感变化，等 效电阻变化，等效Q值变化，等效阻抗变化电量型传感器磁电式传感器压电式传感器热电式传感器光电式传感器超声波传感器第33页/共82页1.电阻应变式传感器第34页/共82页原理：由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件组成，在导 体产生机械形变 时，其电阻值发生变化。基于应变效应：导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象。受到拉力F作用时，将伸长dL，横截面积相应减小dA，电阻率改变d，从而引起电阻值相对变化。举例1：金属丝式传感器第35页/共82页 因为金属电阻率不变，电阻变化仅由体积变化产生，在塑性变形范围内泊松比0.5。第36页/共82页金
27、属电阻应变片的种类 丝式、箔式电阻应变片 结构：由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅有丝式（电阻丝直径0.010.05mm）、箔式（金属箔栅厚度0.0030.01mm）两种形式。基片和覆盖层材料：胶膜、纸、玻璃纤维布等绝缘材料。12345丝绕式应变片1覆盖层 2基底 3引出线4粘结剂 5敏感栅第37页/共82页电阻应变片的测量电路UR1R2R3R4I1,2I3,4BCD电压输出桥A电阻变化后：第38页/共82页 单应变片法的输出电压 温度补偿法第39页/共82页 双应变片法的输出电压 第40页/共82页 四应变片法的输出电压 第41页/共82页布片：尽可能使片子的方向与主应力方向一致
28、。主应力方向未知时，必须由三个独力量才能确定一点的应力状态。三片45应变花04590三片60应变花060120第42页/共82页第43页/共82页第44页/共82页第45页/共82页用45应变花测得一点的三个线应变后，求该点的主应变。0max45xyu第46页/共82页2 振弦式传感器 弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改变鼓皮的张紧度弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改变鼓皮的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。和厚度，就可改变它们的发声频率。一、工作原理和测量电路（一）工作原理 顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力F，可
29、以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数关系对已定传感器：第47页/共82页（二）弦的激发方式要测量振弦振动频率，必须先激发振弦起振，给弦以足够的激励力。振弦的激振方式：（1）间歇激发（2）连续激发第48页/共82页（1）间歇激发当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。（2）连续激发连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2接受感应电势
30、，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。第49页/共82页（三）部件性能对传感器性能的影响振弦电磁铁弦的夹紧件振弦式传感器的应用如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。第50页/共82页3 光纤传感器光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变
31、等物理量的测量。第51页/共82页3.1 3.1 光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率第52页/共82页斯乃尔定理斯乃尔定理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：第53页/共82页3.2 3.2 光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。第54页/共82页光纤传感器光学测量的基本原理光纤传感器光学测量的基本原理l光就是一种电磁波，光的电矢量E 被
32、测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制第55页/共82页3.3 3.3 光纤传感器的分类光纤传感器的分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型光纤传感器强度调制遮光板断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气
33、体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMCbb注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤 第56页/共82页3.4 3.4 光纤传感器的特点光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。3.5 3.5 光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤压力传感器强度调制型：基于弹性元件受压变形
34、，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。第57页/共82页（1 1）采用弹性元件的光纤压力传感器）采用弹性元件的光纤压力传感器1Y形光纤2壳体3膜片膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度与所加的压力呈线性关系若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。第58页/共82页（2 2）光弹性式光纤压力传感器）光弹性式光纤压力传感器l光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变
35、化，从而呈现双折射现象。1）光源 2、8）起偏器 3、9）1/4波长板 4、10）光弹性元件 5、11）检偏器 6）光纤 7）自聚焦透镜从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈呈4545的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中测出压力的变化。其中1/41/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵波长板用于
36、提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。敏度。第59页/共82页4 温度传感器摄氏温标 是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：t=T-273.15 T=t+273.15 K华氏温标 它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：m=1.8n+32 n=5/9(m-32)第60页/共82页4.1 温度传感器应满足的条
37、件特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。第61页/共82页4.2 温度传感器的种类及特点接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。(1)膨胀式温度计(2)热电阻温度计 (3)热电偶温度计 (4)其他原理
38、的温度计。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。(1)辐射式温度计 (2)光纤式温度计：第62页/共82页（）接触式温度传感器1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.82
39、53-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。（二）非接触式温度传感器l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。第63页/共82页温度传感器温度传感器热电偶热电偶热电阻热电阻热敏电阻热
40、敏电阻第64页/共82页4.3 热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。一、热电偶的工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫热电
41、势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB热端冷端第65页/共82页热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使E EABAB(T T0 0)=)=常数，则回路热电势E EABAB(T T，T T0 0)就只与温度T T有关，而且是T T的单值函数，
42、这就是利用热电偶测温的原理。第66页/共82页4.5 热敏电阻温度传感器热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。各种热敏电阻传感器结构(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)6 543 2112D0.20.5A型 B型(j)温度检测用的各种热敏电阻器探头1热敏电阻；2铂丝；3银焊；4钍镁丝；5绝缘柱；6玻璃第67页/共82页4.6 铂电阻温度传感器 利用
43、纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制200650范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有比其他元件良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850。123451云母片骨架；2铂丝；3银丝引出线；4保护用云母；5绑扎用银带第68页/共82页在0850范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为 在2000范围内为：式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值；A、B、C常数值，其中：A=3.9684710-3-1或3.9485110-3-1 B=5.84710-7-2或5.85110-7-2
44、C=4.2210-12-4或4.0410-12-4铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 Rt=R0（1+At+Bt2）第69页/共82页5 索力仪5.1目前斜拉索索力测试方法1压力表测定法 拉索用液压千斤顶张拉时，由于千斤顶张拉油缸中的液压和张力有直接的关系，只要测得油缸的液压就可以求出索力。但张拉用的千斤顶油压表要用精密压力表事先标定，求得压力表的液压和千斤顶
45、张拉力之间的关系，用此法测定的精度可达1%2%。也可以用液压传感器测定千斤顶的液压，液压传感器感受液压输出相应的电讯号，送入接受仪表后即可显示压强或经换算后直接显示出张拉力，电讯号可由导线传入，因此能进行遥控，使用方便。由液压换算索力简单方便，是施工过程中控制索力比较实用的一种办法。用来测定斜拉索张拉过程中的索力，但挂索后，要用此法来测索力就十分困难，工程量大，所测索力与荷重传感器一样代表一点(张拉端)的索力。由于液压换算索力的方法简单易行，可直接借助施工中已有的千斤顶，故是施工控制中索力量测最实用的方法之一。第70页/共82页2压力传感器测定法 在索力张拉时，千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索
46、锚具，如果在连接杆上套一个穿心式的压力传感器，张拉时位于千斤顶张拉活塞和连接杆螺母之间的传感器，在受压后就输出电讯号，于是就可在配套的二次仪表上读出千斤顶的张拉力。为了减小传感器的高度，常采用孔幅式或轮幅式传感器，其精度一般可达0.5%1%。如需长期测定索力，也可以将穿心式传感器放在锚具和索孔垫板之间，进行在线监测。由于此传感器价格较高，自身重量也大，因此，这种方法量测的精度虽好，但只能在特定场合下使用。第71页/共82页3振动频率法 这种方法是利用斜拉索的索力与振动频率之间存在对应关系的特点，对于某一根给定的拉索，通过测量拉索的振动频率，进而计算出该拉索的索力，由于此法具有简单、快速的特点，
47、在应用中通过测量斜拉索的固有频率就可计算出斜拉索的索力大小，而得到工程技术人员的青睐。第72页/共82页4磁通量测定法 利用放在索中的小型电磁传感器测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系推算索力。磁通量法所用的材料是电磁传感器，这种传感器由2层线圈组成，除磁化拉索外，它不会影响拉索的任何力学特性和物理特性。对任一种铁磁材料在实验室进行几组应力、温度实验，建立磁通量变化与结构应力温度的关系后即可用来测定用该种材料制造的拉索索力。材料中的应力变化时，磁滞曲线也发生变化。测量磁导率系数就可以推算出拉索的应力。采用脉冲信号激励时,在激励线圈中就激发一个瞬间磁场，根据法拉第电磁感应原理,磁力线
48、在试件轴向传导。拉索磁导率系数影响磁场强弱，由于相互感应,在感应线圈中产生感应电压。进行温度补偿，最后得到拉索应力。第73页/共82页索力测量方法的对比第74页/共82页5.2频率法测试索力原理 频率测定法利用索的脉动进行索力测量，将高灵敏度的传感器绑在斜拉索上，经过信号放大，即可测出索的自振频率，再换算成索力。测试的流程为:加速度传感器一滤波放大器一信号分析仪一计算机和软件。用频率测定法测索力的原理如下:拉索的平衡方程为：式中：y为横向坐标(垂直于索长度方向)；x为纵向坐标(沿索长方向)；m为单位索长的质量；T为索的张力；t为时间；EI为拉索的抗弯刚度；假设索的两端为铰支，则该微分方程的解为
49、:式中：n为索自振频率的阶数；fn为索的第n阶自振频率；l为索长第75页/共82页如果索的抗弯刚度很小，与索长的平方相比，可以忽略不计，则上式后一项可省略，则变为:由上式可得：根据测量拉索振动频率的不同方法，频率法又可分为共振法和随机振动法。采用共振法测量拉索的索力时，要用人工激振的方法，使拉索做单一的频率振动，然后用频率计测出拉索的基频。用随机振动法测量拉索振动频率时，不用对拉索进行人工激振，而是利用风、桥面振动等环境随机激振源对拉索的激励。第76页/共82页 目前在国内应用最为广泛的索力测试方法是振动频率法，振动频率法测试索力准确度能满足工程准确度的要求（在其他影响因素都得到较好控制的时候
50、）。通常，振动频率法索力测试仪器所提供的计算索力的公式，是基于经典弦振动理论推导得到的计算公式，既不考虑索的垂度，也不考虑索的斜度，认为其抗弯刚度为零，并认为索两端是铰接的，是一根能完全能自由振动的弦。在实际应用中，经常会碰到一些与这种理想状态相差甚远的索，所以在进行索力测试的时候就会产生由各种原因引起的误差，从而不能反映真实索力。当然，一般索力动测仪均可以根据需要输入索力与频率的计算系数，所以振动频率法索力动测仪的使用是比较灵活的。根据获取拉索振动信号的传感器的不同，频率法又可以分为两类：接触式测量和非接触式测量。第77页/共82页 用振动频率法进行索力测量时，存在一些影响测量结果准确性的因