矿山测试技术复习要点.docx

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矿山测试技术复习要点

矿山现代测试技术

复习要点

1、测试技术在采矿工程方面有哪些应用？

测试技术贯穿采矿工程的各个阶段，包括科学研究、采矿设计和安全生产几个方面。

具体包括：

采矿科学研究和设计：

（1）包括矿山工程如巷道、矿柱、矿房、边坡等的稳定性和采场稳定性研究和设计一般方法；

（2）建立力学模型、进行应力、位移、稳定性、破坏等分析

矿山生产阶段监测：

（1）验证初步设计参数选择正确性；

（2）改进未来的设计；

（3）对施工技术优越性和合理性进行评估和改进；

安全监测：

（1）矿山工程如巷道、矿柱、矿房、边坡等的稳定性监测；

（2）采场稳定性监测；

（3）爆破震动监测；

（4）爆破冲击波监测

环境监测：

（1）矿井温度、湿度、粉尘监测；

（2）有毒、有害、可燃、可爆气体监测；

（3）通风热力学参数监测；

（4）放射性强度监测；

（5）爆破、机械噪声监测

采矿自动化

2、被测信号的分类？

包括确定性信号和随机信号：

确定性信号：

可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号；确定性信号有静态信号和动态信号两种。

随机信号：

不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号，即无法确切预测未来任何瞬间的精确值的信号，只能用数学统计模型来预测、描述和分析。

3、什么是传感器？

传感器是一种把物理量和化学量转换为电量的装置。

传感器的作用：

直接感受被测物理量并将被测物理量转换成便于放大、记录的电量（如电流、电压或电路参量）

4、什么是信号调理器（变送器）？

有什么作用？

信号调理器是传感器与显示记录仪表之间的中间电路，能把传感器输出的信号转换成规范化标准信号：

4～20mA电流信号；0～5电压信号

信号调理器的作用：

（1）放大：

传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大（测控放大器）

（2）预滤波：

传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比（高频、低频、带通、带阻滤波器）

（3）阻抗变换、调制解调

常用的电路：

电桥电路、放大电路、滤波电路、调制解调电路、相敏检波电路、湝振电路、阻抗变换电路、A/D转换电路、V/F转换电路、线性化电路等。

5、线性系统具有哪些性质？

（1）叠加性：

系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即，

若x1（t）→y1（t），x2（t）→y2（t），则x1（t）±x2（t）→y1（t）±y2（t）

（2）比例性：

常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即，

若x（t）→y（t），则kx（t）→ky（t）

（3）微分性：

系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即，

若x（t）→y（t），则x'（t）→y'（t）

（4）积分性：

当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即，

若x（t）→y（t），则∫x（t）dt→∫y（t）dt

（5）频率保持性：

若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即，

若x（t）→y（t）且x（t）=Acos（ωt+φx），则y（t）=Bcos（ωt+φy）

6、什么是测试系统的静态特性？

什么是静态校准条件？

静态特性：

指系统在被测信号处于不变或缓慢变化时，输入与输出的关系。

静态校准条件：

指没有加速度，没有冲击，振动，环境温度为20±5℃，相对适度不大于85％，大气压力为0.1±0.08MPa的情况。

7、什么是标定曲线？

标定曲线：

在标准条件下，给定输入值，对系统重复进行全程逐级加载和卸载获得曲线。

8、什么是灵敏度？

对测试系统输入一个变化量Δx，就会相应地输出一个变化量Δy，则测试系统的灵敏度s为

.

9、什么是线性度？

线性度：

标定曲线与理想直线的接近程度称为测试系统的线性度。

若在系统的标称输出范围（全量程）内，标定曲线与参考理想直线的最大偏差为Bmax，则线性度可用下式表示

10、什么是回程误差？

回程误差（迟滞Hysteresis）：

在相同测试条件下和全量程范围yFS内，在输入由小增大和由大减小的行程中，对于同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值Δhmax与量程yFS的比值的百分率：

11、什么是量程？

什么是分辨力和阀值？

什么是动态范围？

系统在正常工作时所能测量的最大量值范围，称为测量范围称之为量程.。

分辨力（Resolution）是指系统能检测到的输入信号的最小变化值的能力。

阀值（Threshold）是指当一个系统的输入从零开始极缓慢地增加，只有达到了某一最小值后，才测得出输出变化，这个最小输入值输入就称为系统的阈值（死区Deadband）。

动态范围：

跨度与绝对分辨力之比，

12、什么是幅频特性和相频特性？

幅频特性：

表示输入、输出正弦信号振幅随频率的变化规律；

相频特性：

表示输入、输出正弦信号相位差随频率的变化规律；

13、传感器的分类有哪些？

（1）按传感器用途分类

按被测物理量来分类的，它能明显体现传感器的功能

如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、气敏传感器、流量传感器等

（2）按工作原理分类

按传感器工作原理来分类

如电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式传感器

14、请绘制惠斯顿电桥电路，并给电压平衡条件；请用公式表示当桥臂1有电压变化∆R时，电桥输出电压变化∆U？

电压平衡条件：

当电压平衡条件时，电桥输出电压为零

即电桥平衡时相对桥臂电阻的乘积相等。

当桥臂1电阻产生

时，电桥失去平衡，此时电桥输出电压为

15、应用电阻应变片进行测量时，如何消除环境温度影响？

。

常采用桥路补偿法消除温度变化引起的应变。

在常温范围内，采用桥路补偿方法，就是利用在电桥的两个相邻桥臂上，同时产生量值相同、符号亦相同的电阻变化量，不改变电桥输出的性质，消除温度变化带来的附加应变。

这种方法有两种实现方式：

补偿片补偿法

在与被测试件材料相同、但不受应力的补偿件上，粘贴和工作片性能完全相同的补偿应变片，并使补偿件和被测试件同处于相同的温度环境中。

工作片与补偿片分别接入测量电桥的相邻桥臂，通过电路本身的特性来抵消两应变片由温度产生的电阻增量。

（2）工作片补偿法

在一定条件下，补偿片亦可由工作片代替。

如图悬臂梁，上下两表面应变量值相等，符号相反，温度条件相同，各贴一个类型、阻值和灵敏度系数均相同的应变片，并各自连接在电桥的两个相邻桥臂上。

这两个工作片互为温度补偿片。

同时可使电桥灵敏度提高。

增加测量的精度：

16、简述电容式传感器的工作原理？

对于平板电容器，当忽略边界效应时，两个金属平板之间的电容为：

其中：

—两极板间的介电常数；

S—两极板相对有效面积；

d—两极板间的间隙；

C—两金属板间的电容。

改变电容C的方法有三种：

其一改变两个极板间的距离；其二改变形成电容的有效面积；其三改变介质介电常数；以上任何一种变化都将产生电容值的改变，从而构成电容式变换器。

17、简述动态信号记录仪的工作原理？

动态信号记录仪主要由CPU（中央处理器）、存储管理控制器、显示控制器等几个部分组成，通过系统总线把这几部分连接起来。

各自独立的N路采集通道和内部计算机通过存储管理控制器相连共同组成整个系统，每个通道均由程序控制放大器、高速A/D（模／数）变换器、RAM存储器等组成。

被测信号经过相应的传感器变成模拟电压信号，输入到动态测试分析记录仪；经程序控制放大器成合适的电平加至高速A/D变换器，通过A/D变换器以一定的速率采样、量化、编码，模拟信号转变为离散的数字信号；A/D变换器的数字输出由控制电路发出的指令脉冲控制，先逐一地存入RAM存储器，再通过存储管理控制器控制磁盘控制器工作，使数据存入磁盘，控制显示控制器工作，使数据通过高分辨率显示器显示出来。

18、简述典型的数据采集系统的组成及各部分功能？

典型的数据采集系统由硬件和软件组成，其中硬件由程控放大器、抗混滤波器、采样保持器、模数转换器、总线与接口和计算机组成。

计算机——是数据采集系统的核心，在软件引导下，对整个数据采集系统进行控制，并对采集的数据进行处理；

软件——使PC和数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统；

程控放大器——使不同数量级的输入电压都具有最合适的电平，使A/D变换器达到最佳变换；

抗混滤波器——滤去高频干扰，保证后续的采样/保持器、A/D变换器有合适的工作频率（满足采样定理所要求的频率）；

采样/保持器（sample/hold）——以一定时间间隔拾取模拟信号的瞬时值，并保持幅值恒定，以保证A／D转换器正常工作。

A/D变换器——实现瞬时值量化、编码，将模拟信号转换数字信号；

系统总线和接口——把数据采集系统各部分连接起来，实现计算机与系统各部分之间的数据通讯。

19、动态测试记录仪的主要特点

（1）系统构成特点

前端系统——多种采样率、量化分辨率的采集系统

后端系统——相同的后处理系统及处理软件

优点——标准体系结构，可靠性提高，便于维护硬件；软件模块化设计，使仪器组合灵活方便

（2）自动测量

多通道并行数据采集，并能自动测量信号幅度、频率、上升时间、相位等

（3）具有很强的数据处理和分析能力

在时域处理方面：

波形的加、减、乘、除、微分、积分等，

在频域处理方面：

FFT、功率谱处理

（4）.具有多种用户类型接口和计算机扩展功能

其数据输出很方便，如，存盘、通信、打印、绘图等多种方式

方便了对测试结果的分析，以及测试报告的生成等

20、电阻应变测量的优缺点？

电阻应变测量的优点：

（1）测量范围广、灵敏度和精确度高；

最小可测1～5微应变，最大可测2～3万微应变。

其测量误差一般小于2％。

（2）频率响应范围大

可以测量静载下的应变，而且可以测量动载以及冲击载荷（5×105Hz）的应变。

（3）应变片尺寸小，重量轻、惯性小

尺寸只有（0.2mm）,对被测试件工作状态和应力状态影响极小.

（4）适用范围广

高温、低温、高压、高速、旋转等特殊环境下均可使用，将应变片做成各种形式的传感器，用以测量加速度、位移、压力、重量等物理力学参数。

（5）能实现远距离测量和自动记录

电阻应变测量的缺点：

（1）常规应变片在大应变状态下，电阻变化率与应变的关系呈现较大的非线性；

（2）普通电阻应变片输出信号较小，在强电磁场内易受干扰；

（3）测出的应变是一小块面积的平均应变，对几何尺寸较小的被测试件就难以显示其应力梯度和应力分布情况。

21、应变片规格选择有哪些原则？

（1）实际值是标距内的平均应变，应变场梯度大或高频变化的应变以及在传感器上应用的，选用标距小的；

（2）在不均匀的材料或有裂隙材料上测量时，如砼、岩石宜采用标距大的应变片

（3）在长期观测使用时，用大标距应变片可以减小应力松驰效应

（4）应尽量选用大标距应变片，小标距应变片制造精度不易保证、粘贴质量比较敏感，粘贴方向也不易保证，

（5）在复杂应力状态下，主应力方向未知时，应选用应变花，以便反映某点应力

22、应变片类型选择有哪些原则？

（1）应变片结构类型选择

在测量精度要求不高情况下，可用丝绕式应变片；在重要测量和传感器上使用，宜选用短接式或箔式应变片；半导体应变片和薄膜应变片体积小，输出大，传感器上应用；

（2）基底种类选择

应变片基底材料有纸基、胶、金属等，在常温下可用纸基应变片，在温度较高、湿度大，甚至水下，应选择胶基应变片。

重要测量和传感器上应用，也应选择胶基应变片；

（3）敏感栅材料选择

应变片敏感栅材料有铜镍合金、康铜、镍铬合金等，铜镍合金、康铜材料温度系数小，有良好温度稳定性，适用长期静载下使用，镍铬合金灵敏系数大，热稳定性差，适合动载下测应变。

23、数字静态电阻应变仪组成有几部分？

数字静态电阻应变仪组成有8部分：

（1）信号调理电路——提供电源和桥臂补偿电路；

（2）信号放大器——微伏级直流放大器；

（3）抗混叠滤波器——滤去无用频带的信号；

（4）多通道切换器——任一时刻只选择某一通道接通；

（5）自动增益放大器——各通道所共用；

（6）直流电源——仪器供电

（7）数字显示表—直接显示应变读数；

（8）输出接口—扩展功能。

24、简述动态信号记录仪的工作原理？

动态信号记录仪主要由CPU（中央处理器）、存储管理控制器、显示控制器等几个部分组成，通过系统总线把这几部分连接起来。

各自独立的N路采集通道和内部计算机通过存储管理控制器相连共同组成整个系统，每个通道均由程序控制放大器、高速A/D（模／数）变换器、RAM存储器等组成。

被测信号经过相应的传感器变成模拟电压信号，输入到动态测试分析记录仪；经程序控制放大器成合适的电平加至高速A/D变换器，通过A/D变换器以一定的速率采样、量化、编码，模拟信号转变为离散的数字信号；A/D变换器的数字输出由控制电路发出的指令脉冲控制，先逐一地存入RAM存储器，再通过存储管理控制器控制磁盘控制器工作，使数据存入磁盘，控制显示控制器工作，使数据通过高分辨率显示器显示出来。

25、什么是岩体声波探测技术？

是指以人工的方法，向介质辐射声波，并观测声波在介质中传播的特性，利用介质的物理性质与声波传播速度等参数之间的关系，探测岩体的地质构造、物理和力学性质。

声波是指频率在20~20000Hz范围内的振动波，低于20Hz为次声波，高于20000Hz为超声波。

26、岩体声波探测技术在工程中的作用有哪些？

（1）工程岩体进行分类、分级

（2）评价工程围岩的稳定性

包括围岩松弛带范围的测定和围岩稳定性的定期观测

（3）确定地质剖面、风化层厚度

配合进行工程地质勘探钻孔

（4）岩石和岩体的物理力学性质的测定和估算

如动弹性模量、泊松比等

（5）岩体中存在缺陷

如构造断裂、岩溶洞穴的位置、规模，张开裂隙的延伸方向和长度的探测

（6）工程施工及加固措施效果的检查

如爆破、喷锚支护、补强灌浆的质检

27、请阐述声波传播的恵更斯原理（波前原理）、叠加原理、射线原理（费玛原理）。

波前原理（恵更斯原理）指出：

（1）波阵面上的每一点都看作是发射次级子波的波源；

（2）子波朝各个方向传播产生新波；

（3）新波的包络线是原波的新波前。

叠加原理：

在弹性介质中，两个波在某区域内相遇，则相遇时波的强度等于它们的代数和（重叠），若相遇后又重新分开，则此后两个波的传播情况仍好似未曾相遇过一样。

射线原理（费玛原理）：

波总是沿射线传播的，波沿射线传播从一点达到另一点所需时间是最短的（直线传播）。

28、请阐述波的绕射（衍射）现象。

声波遇到障碍物时，如果障碍物反射系数很大，波将改变传播方向，绕过障碍物传播，产生绕射波。

例如：

入射波波前到达障碍物的边缘A点时，将形成新的波源并绕过障碍物继续向前传播。

29、简述波的衰减规律？

（1）扩散衰减：

当声源为有限面积时，随声波传播距离增加由于波阵面的扩散而引起的声能和声压的减小，在理想弹性介质中，介质本身没有能量损耗。

（2）几何衰减规律：

在球形波场中，振幅与声源距离的平方成反比；

在柱面波场中，振幅与声源距离的平方根成反比；

在理想平面波场中，不存在扩散衰减；

（3）吸收衰减机理：

介质的粘滞性，阻碍质点振动，造成质点间的内摩擦，使部分声能转变成热，质点振动状态转换的迟缓，即应力和应变非同相，产生弛豫吸收。

30、什么是波场、波阵面、射线？

波场：

波在传播时所形成物理量在时间和空间的分布状态；

波前（波阵面）是指在某一时刻，岩体中刚开始震动的各质点所构成的曲面，即已震动区和末震动区的交界面；

射线：

与波前相垂直的法线，射线是弹性波由一点向另一点传播时，经过的路程。

31、什么是球面波、柱面波、平面波？

球面波：

自震源发出的波，其波前构成一个球面，在均匀岩体中，球形震源或点震源将产生的球形波；

柱面波：

波前构成一个柱形面，在均匀岩体中，长圆柱体震源或线状震源将产生的柱面波；

平面波：

波前构成一个平面，所研究区段取得足够小且距震源足够远，球面波和柱面波也可视为平面波。

32、什么是波的散射现象

在岩体中传播的波，遇到不光滑的界面时，如果界面上的凹凸处的曲率半径和波长的相比很小，会发生波前的散射。

33、阐述声波速度与岩石力学性质的关系？

（1）声波速度与岩体密度的关系

（2）声波速度与弹性常数的关系

（3）声速与岩体抗压强度的关系

岩体的抗压强度是由岩石试块的抗压强度和结构面的性质决定的，是一个综合性指标，岩石抗压强度大，声速则高，反之声速低。

结构面使岩体强度变低，声速变低。

岩块的抗压强度和波速之间关系为

（4）声速与岩石类型的关系

不同岩性的岩石声速差别较大，一般越坚硬致密的岩石（如花岗岩）波速越高，反之，越松软的岩石（如泥岩），波速越低。

（5）声速与岩体结构面的关系.

结构面的存在使声速降低，结构面使声速在岩体中传播形成各向异性：

垂直结构面方向的声速低，平行于结构而方向的声速高。

声波速度随岩体风化程度而变化：

风化越严重，声速越低

（6）岩石的孔隙率关系

孔隙增加，声速下降很快，其关系下可用下式表示

34、数字声波仪的工作原理？

（1）逻辑控制器启动发射机，同时开始计时；

（2）发射机向发射换能器发射电脉冲，激励晶片振动，产生声波，向岩石发射；

（3）在岩石中传播的声波被接收换能器接收，把声能转换成微弱的电讯号送至接收机，经放大、模数转换、存贮，同时停止计时；

（4）在屏幕上显示出波形图或直接读数声波的传播时间t、振幅、频率等波形参数；

（5）根据已知的探测距离L，便可计算出声波的速度.

35、什么是视速度、真速度和时距曲线：

真速度：

声波沿射线方向的传播速度；

视速度：

声波沿测线方向的传播速度。

时距曲线：

指震动波走时与距离的关系曲线。

36、岩体声发射的规律是什么？

岩体声发射过程中的声发射参量具有明显的规律性四个阶段

（1）声发射缓慢增加阶段（OA段），此阶段内声发射逐渐增加，声发射参量平均每分钟增量在15％～20％之间

（2）声发射迅速增加阶段（AB段）。

此阶段声发射迅速增加，声发射参量平均每分钟增量达30％

（3）声发射下降（或停止阶段）（BC段）。

这一阶段的声发射信号逐步下降或者完全停止

（4）声发射信号再度迅速增长至破坏（失稳阶段）（CD段）。

这一阶段声发射信号再度显著增加，直至破坏（失稳），声发射参量平均每分钟增量大于30％