岩土工程测试技术讲义重点.docx

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岩土工程测试技术讲义重点

测试技术讲义

课程名称测试技术

总学时数32学时

使用班级采矿13—1、2、3班

任课学期2015/2016学年第一学期

任课教师赵亚军

编制时间2015年8月31日

第1章测试技术基本知识（第1次课）

一、什么是测试技术，什么是岩土工程测试技术？

测试技术是一门利用仪器、设备对任何量进行某种意义的测量的系统的技术科学。

岩土工程测试技术是借助专用的仪器设备，获得岩土工程中客观存在的，与安全生产有关的各种物理量和各种因素，为岩土工程的研究与施工提供可靠的数据。

二、测试技术在生产及科研中的重要性

主要表现在以下三个方面：

1.有效地维护安全生产：

①露天矿（边坡维护，位移检测）

②地下矿（新奥法支护，地压管理）

③水电工程（大坝及地基监测，地应力测量）

2.可大量提高生产效益，减小材料消耗：

①矿山爆破：

减少震害，提高爆破效果。

②矿柱支护：

满足应力要求的最小支护截石矿柱及最经济的支护材料

③在水电工程中：

能满足应力要求的最小结构尺寸

3.在岩土工程中，其设计、研究的原始数据。

如强度、变形参数等。

都是通过测试技术获得的。

三、测试技术的主要任务和方法

（一）任务

1.获得原始参数，如岩石的弹性模量，泊松比等，可以通过现场或实验室条件获得。

2.测量岩体的变形，确定岩移变化规律，评价岩石稳定性同时根据变形规律采取一定维护措施。

3.测量地应力场及变化规律：

目的是根据应力场来选择工程位置。

在恶劣环境下要采取相应防护措施。

4.测量围岩及支架的受力状态，据此判断支架的安全程度，进行稳定性分析。

5.测量岩石在爆破作用下，各种动力学和运动学参数，以提高爆破效果。

6.对测量信息及实验数据进行分析处理，以获得准确的测量结果以及寻找客观规律。

（二）主要方法

1.机械法：

所用测量仪器、设备是简单的机械结构。

2.声测法：

利用声波在岩石中的传播规律（如振幅，声速等）确定岩石的各种特征，是地球物理探测法的一种。

3.光测发：

以光学原理为基础，对岩体的应力变形等进行测量。

也称光弹性测量法。

4.电测法：

也叫非电量的电测法，是一种利用传感器将被测物理量转换成电量。

传递到电子仪器进行显示，记录或处理数据。

这是我们这门课的主题。

四、电测系统的一般结构

测试系统：

能完成某种意义测量的仪器、设备的总称。

一般可以分为三部分：

1.信息的输入，转换：

称为传感器（也称变换器，变送器，探头等）

2.信息的调节：

放大或衰减，调制，解调，检波，A/D变换等

3.输出装置：

显示或记录。

五、测试技术的发展方向

1.快速多点测量，计算机分析处理数据。

2.仪器设备的小型化，多功能，高性能，微功耗。

3.注意发展敏感元件，使传感器的性能不断提高。

第2章传感器（第2次课）

“传感器”就是传递感受信息的器件，更确切地说，它是一种能将被测信息转换为便于传递、变换、处理和保存的信号，且不受观察者直接影响的测量装置。

1）定义：

能把被测物理量或化学量转变成为电量的一种器件或元件叫传感器。

2）组成：

敏感元件、转换元件、附件、引线、辅助电路。

2.1传感器的分类和性能要求

从测量对象中直接取出所需信号的装置称为传感器，它的作用是把被测物理量转换为与其相应的容易量测、传输和处理的电信号。

对于大多数岩体和土体来讲，是属于非电量电测技术。

非电量电测法的实质，是将被测的非电量通过传感器转换成电量，然后用电技术进行测量。

传感器是测量工作的基本工具。

传感器的作用与人的眼、耳、鼻等器官相似，它可以把被测对象如压力、位移、速度等的变化转换为电测信号，传递到测量电路，经过放大或衰减等变换，传输到记录或显示装置中供测量者观察和使用。

在各种不同的测试系统中，依据不同的具体情况，传感器可以是专用的装置，也可以不是专用装置，而且只将转换元件直接布置在被测物的本体上。

专用的传感器一般主要由转换元件，弹性元件及附件（如外壳、补偿元件、连接头等）组成。

2.1.1传感器的分类

传感器的种类繁多，原理各异，分类方法也是多种多样。

若按传感器的用途来分，则有温度传感器、测力传感器、位移传感器、光电传感器等；若按传感器的能量关系，则可归纳为参数式和发电式两种类型。

1）按用途分类

①温度传感器：

有铂电阻温度传感器、热电阻温度传感器、半导体温度传感器、热电偶温度传感器、温度式风速传感器等。

②测力传感器：

重量、拉（压）力、力矩、应力。

这类传感器除敏感元件以外，应有弹性元件（转换元件）。

典型的有应变式压力传感器。

③位移传感器：

长度、厚度、应变、质点振动位移等。

典型的有差动变压器式位移计。

④速度传感器：

质点振速、流量、流速、转速等。

典型的有转子流量计，磁电式速度计等。

⑤加速传感器：

振动、冲击、质量等。

典型的有压电式加速度计，应变式加速度计等。

2）按能量关系分类

（1）参数式

①电阻式传感器。

其工作原理是在被测量的作用下，电阻器有用部分的尺寸（金属丝的长度或截面）发生变化，因而电阻也相应有了变化。

它适应于测量尺寸、移动距离、水位高低、应力应变等。

②电容式传感器。

其工作原理是在被测量的作用下，电容器的有效极板覆盖面积、两极板间的间隔或极板间介质有改变，因而引起电容的改变，其应用范围也与电感式相似。

③其工作原理是在被测量的作用下，电感器（如有铁芯的电感器）中某些部分的尺寸及相对位置有改变，因而引起其绕组的电感有改变。

它适用于测量力、压力、直线位移等。

（2）电能式

①磁电式。

这类传感器所依据的是电磁感应原理。

在被测量的作用下，传感器中某些部分相对运动，运动的速度取决于被测量的大小。

若其中一个部分具有磁性，则由于相对运动而引起的感应电动势将与被测量有相应的关系。

它多用于测量周期性机械运动的速度（线位移及角位移）和频率。

②压电式。

其原理是利用某些晶体所具有的压电效应。

即当压电晶体上受到压力作用时，晶体两面之间将出现电位差。

它适用于测量压力和机械振动等。

③光电式。

因所用的是有封锁层的光电池，在光的照射下，它的电动势与光的照度有相应关系。

其用途是测量光的照度、温度等。

④热电式。

把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶。

其原理是热电效应。

所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。

由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。

接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。

其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。

温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。

其产生的机理为：

高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。

3）传感器的命名

传感器的名称是通用的，在购买、选择和使用传感器时，只有知道了名称，才能知道选择什么样的测试系统，知道了名称，也就知道了传感器的结构原理。

一般是将按能量关系（按转换性能）分类与用途分类的传感器名称结合起来，作为传感器的全称。

如磁电式速度计、压电式加速度计。

2.1.2传感器的特性

1.输入特性

（1）输入量的形式。

主要是指输入量的物理本质。

当测量方案已定时，输入量的形式就已经决定了。

（2）输入量的有效范围。

其下限主要是取决于传感器本身的灵敏度、误差及干扰信号。

因为当输入量的数值与以上各量具有相同数量级时，传感器便无法正常工作。

其上限主要是防止产生信号失真或引起元件损坏。

（3）对被测量的影响。

理想的传感器应对被测量没有影响，这在理论上是不可能的。

实际上，这个影响是可以忽略不计或被限定。

影响的大小可用由被测量提供用于驱动传感器的力（能或功率）来表示。

2.转换特性

（1）转换函数。

无论多么复杂的传感器，都是由测量元件及一些中间元件所组成。

任何一种元件的特性都可以用典型环节特性来描述。

在稳定状态下，传感器的输出量y的变化与引起此变化的输入量（被测信号）x的变化之比称为传感器的灵敏度，可用下式表示

（2-1）

式中：

s为传感器的灵敏度，也称为元件传递系数。

一般把传感器的输入量x与输出量y之间的关系称为转换函数，而转换函数通常是线性关系，故

（2）传感器的误差。

当传感器的工作不是严格符合转换函数关系时，则实际输出量

有误差

：

误差主要由传感器的零点误差、灵敏度误差、非线性和滞后误差等。

此外，还有动态误差。

（3）传感器的抗干扰能力。

抗环境干扰能力是非常重要的，若传感器受到外界干扰（如温度、压力、加速度、磁场、电场、电源电压的变化等），则传感器不能按严格的转换函数关系工作，并产生误差。

3.输出特性

（1）输出量的形式。

由非电量转换为电量时，其电量的输出形式可以是电流、电压、阻抗或这些量的时间函数。

（2）输出量的有效范围。

其下限受到灵敏度、误差、干扰等因素限制，其上限由传感器输入量的最大值决定。

（3）输出阻抗。

输出阻抗决定了在一定量的输入信号作用下，传感器所能提供出的能量，如果传感器的输出阻抗低于下一级的输入阻抗，则传感器的输出具有恒压源的特性；如果输出阻抗高于下一级的输入阻抗，则输出具有恒流源特性。

当输出阻抗等于下一级输入阻抗（即阻抗匹配）时，则传感器具有最大的输出功率。

2.1.3对传感器的要求

传感器的设计与制造是根据被测物的不同而异，但也有共同之处，为保证对岩体或土体的测试的准确性，通常对传感器有如下要求：

（1）转换线性好。

输入、输出信号间应有一定的函数关系（经常是单值直线的），即在限定的量程内，弹性元件的变形和被测参数成线性关系。

（2）灵敏度高。

要求传感器反应最小非电量的能力要高。

（3）稳定可靠。

要求传感器在指定的条件下，在较长的时间内正常地工作。

（4）准确度要高。

要求传感器所测得的值既准确又要精度高，也就是要求测定值与真实值的偏差尽可能小，而且，在重复测定时，测定值的一致程度要好。

（5）动态特性要好。

这是对用于动态测试的传感器的特殊要求，传感器的自振频率和被测信号频率之比要符合一定要求，以减少由振幅和相位的畸变所造成的误差；同时要求时间常数为最小。

（6）防水性能好。

如果防水性能不好，则对测试结果影响很大，特别是对岩体或土体测量时。

（7）传感器要有足够的强度和刚度，其弹性滞后和弹性后效要尽可能小。

此外，还要求传感器结构简单，经久耐用，价格低廉，维修方便，具有一定的抗震性能和对测量环境有较强的适应性，还不应有损于周围材料的寿命及操作人员的身体健康等。

2.2传感器的结构原理（第3次课）

一、电阻应变式传感器（详细内容以后章节专门介绍）

1.应变式压力盒。

2.钢环应变计。

二、压电式传感器

1.压电效应：

当压电材料（如sio2,酒石酸钾钠钛酸钡等）受力发生变形时，材料的两端有电荷积累的现象。

2.压电式加速度计

①原理：

（画图说明）：

a.晶体b.质量块c.弹簧d.附件

②特点:

测量频率范围0～106Hz；可测冲击；输出信号强，体积小，质轻。

③用途：

测质点振动加速度，也可通过积分放大器测质点振速及位移。

三、电感式传感器

1.差动变压器式

2.电感式压力盒

四、电容式传感器

1.原理：

改变极板的负极或改变极板间距离及介质的介电常数。

2．特点：

灵敏度高，结构简单，负载作用小，动特性好，但电缆电容影响大，需专用仪器。

3.用途：

测量位移、角度、压力、振动参数。

五、磁电式传感器。

1.结构：

①线圈②永久磁铁③铁芯④弹性模片⑤质量块

2.特点：

灵敏度高，输出大，可与多种仪器配合。

3.用途：

用来测量运动体的速度，振动参数等

六、钢弦式压力盒

也叫压力盒。

以后专门介绍。

1.结构：

承压膜，钢弦，线圈，铁芯，钢弦支柱等

2.特点：

灵敏度高，稳定性好，结构简单，但测量仪器为专用仪器。

3.用途：

测地压等

2.3传感器的标定（实验内容）

一、定义及意义：

1.定义:

用试验的方法确定传感器性能参数的过程。

称为传感器的标定。

也叫校准或率定.

2.标定的意义

1是取得准确测量数据和减少误差的依据.

2刚制成的传感器由于材料的性能和几何尺寸的差异，不可能与设计指标完全相同。

要知道其真实指标必须进行标定

3传感器在使用过程中，由于环境的变化，老化，无意损失等因素.使传感器原来的性能发生变化.要想知道传感器在测量时的实际性能，必须进行标定.

二、传感器标定的内容

不同用途的传感器标定的内容不同.

1.测力传感器的标定内容：

①静态标定：

作出加卸载曲线，确定灵敏度及非线性.

②动态标定：

通过对标定时记录曲线的处理，确定动态灵敏度，频率特性及阻尼特性.

2.测震传感器的标定内容：

1灵敏度②幅频特性③相频特性④谐振频率⑤阻尼系数⑥电阻抗

三、传感器的静态标定方法（实验）

第3章记录装置（recordingdevice第4次课）

3.1记录装置基本知识

一、基本概念

1.记录装置：

将测量结果以人们便于观察的形式显示或记录下来的设备，叫记录装置。

2.显示器：

又叫指示器.将测量信号用指针.数字或图示曲线的形式反映出来，使人们便于观察结果的装置叫显示器

3.记录仪：

将测量信号能够记录下来，或暂时保存下来，再用某种方式记录的设备，叫记录仪。

二、记录装置的分类及特点

1显示器的分类：

①各种指针式仪表：

可直观动态区间.精度低.一般极性不能反接.

②数字表：

直接显示数字及极性。

精度高.极性可反。

③屏幕显示器：

可直接显示图形，文字等.具有指针表及数字表的共同优点.缺点是价格贵.体积较大。

④电子示波器：

直接显示电信号的变化过程及特征，测量频率可做得很高，但误差较大，价格贵，体积大。

2记录仪的类型

（1）模拟记录仪：

将输入信号的大小.强弱直接用曲线形式记录下来的仪器叫模拟记录仪。

①光线示波器：

测量频率高。

0~10000HZ误差较大，体积大，笨重，用来测量动态量。

②函数记录仪：

精度高，测量频率低0~2HZ体积较大，用来测量静态量。

如：

应力—应变曲线。

③模拟磁带机：

精度高，测量频率高0~20KH但需回放，不直观。

④记忆示波器：

测量频率高0~100MHZ，直观，记录时间达7天。

精度较低，体积较大。

（2）数字记录仪：

将测量信号以某种代码记录下来。

一般都能与计算机配合使用。

①数字打印机：

记录速度低，精度高，可配计算机。

②数字磁带机：

精度高，但不能直接观察，价格高。

③穿孔机：

记录速度低，存储量小，不直观。

④瞬态记录仪：

精度高，测量频率高，由计算机或单片机控制，能自动处理数据，实现自动化，但价格高。

3.2光线示波器（第5次课）

一、光线示波器的工作原理

光线示波器的基本原理是：

当输入电信号加在电磁线圈上时，线圈受磁场力的作用而摆动，经光学系统及机械系统的配合，变成按输入信号变化的光点的移动，光点又照到记录纸上感光，当记录纸按一定速度移动时，便得到记录轨迹。

二、光线示波器的组成

1、振子系统：

包括振动子，磁系统及恒温装置。

2、光学系统：

光源设备及光学透镜，亮度控制，记录光路，时标光路，分格光路。

3、机械系统：

带有电磁离合器的变速箱，电动机，定长机构，记录纸推动装置，曲线分辨装置等。

4、时标系统：

振荡器，脉冲电源，频闪灯等。

5、电源及辅助装置：

电气部分的供电电源，通风系统，防震器，外壳等。

三、振子系统

1振子的分类及工作原理.

（1）动圈式振子：

活动部分由镜片，张丝和线圈组成。

特点：

体积小，本身不带磁铁，可将数十个振子共用磁极，工作频率较高。

（2）动磁式振子：

由电磁铁，镜片，张丝，磁铁组成。

特点：

抗震性能好，无需外加磁极，总体积小，灵敏度高，但工作频率低。

2动圈式振子的工作特性

（1）振子的灵敏度

单位电流所产生光点的偏移量，叫振子的直流电流灵敏度。

用

表示，

其中：

Y—光点偏移量，即记录幅值，单位是mm

I—输入电流，单位是mA

B—磁极的磁场强度

n—振子线圈匝数

S—振子线圈面积

—光电到记录纸间的距离

G—扭转刚度系数。

振子的灵敏度与线圈的匝数，磁极的磁铁强度，线圈的面积及光臂长成正比，与张丝的扭转刚度成反比。

（2）振子的阻尼

对振子运动状态起约束作用的是振子的阻尼。

如果振子没有阻尼，当测量一个方波信号时，它将在新的平衡位置，以自振频率不停的摆动，反之，如果振动的阻尼很大，信号上升的速率将变得迟缓，不能再观测出方波特征，而产生失真。

振子的阻尼用阻尼系数表示。

当β=0.6~0.8时，称为最佳阻尼状态。

在实验室条件下，可对振子的阻尼系数进行测量或检验：

超量比

阻尼系数

（3）振子的幅频特性

当光线示波器输入幅值一定的电信号时，振子记录光点的幅值随输入信号的频率变化而变化的特性，叫振子的幅频特性。

振子的幅频特性用幅频特性曲线表示，主要体现在以下两个方面：

1．不同的阻尼的振子其幅频特性曲线不同。

当记录直流信号时能真实再现幅值，当测量频率不为零时，记录幅值均发生畸变。

2．阻尼最佳时，即β=0.6~0.8时，如果记录频率不大于振子自振频率的45%.幅频特性曲线接近平直，这时，记录幅值误差较小，随差记录频率的升高，记录幅值将下降。

四．光线示波器的使用要点

1．操作

开机后按启辉按钮，待10分钟左右，超高压水很灯亮度稳定，方可开始记录。

如果在使用过程中突然断电，或短时间停电，要经15分钟左右的冷却时间，才能再开机，否则，高压水银灯容易发生爆炸或损坏。

2．振子的选择

1）型号的选择：

根据光线分波器的型号选（见19页表3-2）如SC16型光线分波器.选FC6系列的振子；SC20型光线示波器，选FC11系列的振子。

2）自振频率的选择：

根据工作频率：

f工大于等于F给定（表3—3）

3）灵敏度的选择：

当振子型号确定后，表中si有两个即LB=n和LB=100cm。

一般选LB=n时的灵敏度。

3．阻抗匹配

当振子内阻大于放大器输出阻抗时，在振子上并联一电阻。

使振子的时效阻抗与放大器输出阻抗相等。

这时应考虑并联后电阻的分流作用。

当振子的内阻小于放大器的输出阻抗时，在振子上串联一电阻。

使二者串联阻值与放大器的输出相等。

4．记录纸速度：

V=f×s=S／T

f——记录最大频率

S——要记录的最小周期的距离

T——记录最小周期

3.3瞬态记录仪

瞬态记录仪是近年来发展的一种新型的动态参数测量和记录设备。

实质上它隶属于数字化测量仪器。

由于半导体技术和电子技术的发展，高速模—数变换（A/D变换）器和半导体存储器的出现，为瞬态记录仪的诞生创造了物质条件。

3.3.1瞬态记录仪的原理和组成

瞬态记录仪实质上是将一个电压模拟信号经过快速采样和比较变成一个数字化的信息，然后将所得到的信息储存在存储器中，这些信息资料可以以数字的形式记录下来，也可以直接输入电子计算机进行运算和处理，在需要观察这个模拟输入信号时，可以通过数—模变换器（D/A变换器）将存储的数字信息转变为模拟信号，直接输入到一个模拟量记录或显示设备中，将该信号显示或记录。

在数—模变化过程中，可以用不同的速度回放再现，因而可以达到频率变换的目的。

对于一个单次的瞬变过程，在重放时可以周期性的再现，因而在示波器上可以获得一个稳定的波形，以利于观察和拍摄记录。

因此，瞬态记录仪对于研究和观测某些快速变化的单次过程或者研究某些过渡过程的细节是十分有用的工具，它在爆炸冲击波测量系统中也有着广泛的应用前景。

此外由于它将一个模拟量经过A/D变换转变为数字化的信息，因此它可以很方便地与数据处理中心或微处理机联接，以利于实现数据处理的自动化。

瞬态记录仪主要由A/D变换器，时钟发生器和控制电路，存储器以及D/A变换器四个部分组成。

图3-28所示是一个典型的瞬态记录仪的结构方框图。

输入的电压模拟信号经过衰减器和放大器，使之达到A/D变换器的最佳工作电平

，由于A/D变换器只工作在正向范围内，

经过极性变换电路（在某些瞬态记录仪中采用零位偏移电路）后再加至A/D变换器，通过A/D变换器以一定的速率采样并进行比较后，模拟量转变为数字信息。

A/D变换器的数字输出由控制电路发出的指令脉冲控制，每次一位地存入数字存储单元中，直至存储器容量满员为止。

所存储的数字信息可以直接打印，也可输入电子计算机进行处理。

图3-28典型的瞬态记录仪结构方框图

1—衰减器和放大器；2—极性变换电路；3—A/D变换器；4—存储器；5—D/A变换器；6—零位偏移电路；7—显示设备；8—时基；9—脉冲（时钟）发生器；10—分频器；11—控制电路

3.3.2瞬态记录仪的主要技术性能指标

从上面的分析可以看到，瞬态记录仪的品质主要决定于A/D变换器和存储器，对A/D变换器性能的主要要求是：

转换速度快；分辨率高，即数字化输出的位数多；可靠性高。

对存储器的主要要求是：

存储速度快；存储容量大；体积小；功耗小。

瞬态记录仪的主要性能指标：

1）采样时间：

它通常以采样频率，或每个字码的采样时间指标给出。

2）存储容量。

3）数字输出位数：

通常用二位进制位数给出，如8bits，10bits。

这个指标实际上体现了A/D变换的精度。

在一些仪器的技术文件中还同时给出了模拟输出的分辨率（或精度），它们以满量程值的百分数给出。

4）记录时间：

每个字码的记录时间变化范围。

5）输入量程。

6）模拟输出电压。

7）频率响应。

它主要决定于前置放大器的频率响应。

8）输入阻抗。

9）其它指标：

如触发方式、尺寸、重量、电源等。

第4章电阻应变测试技术（第6次课）

4.1概述

4.1.1电阻应变测试技术的基本原理

用电阻应变片贴在被测体表面，作为传感元件，将测点的应变转换成电阻的变化，再通过电桥电路将电阻的变化转化成电压或者电流的变化，最后将变化的电信号放大，以应变的标度表示出来（画图）。

4.1.2特点及适用范围

1）特点

①分辨率高。

最小可达10-8

②尺寸小、重量轻、负载作用小，可测较大应力梯度的局部应变

③频响好测量频率f>105Hz+

④误差小0.5%

⑤工作稳定可在高温、高压、强磁场、核辐射、超低温条件下测量。

⑥测量范围大。

一般1~2×105με

⑦用途广。

除测应变外，还可测力，扭矩，压强，振动加速度。

⑧通用性好。

可与多种设备配合，有较大的选择余地。

⑨使用方便。

方法易掌握，便于普及。

2）适用范围

①只能测表面的应变；

②若测应力分布，工作量较大。

4．2电阻应变片

4.2.1类型及结构

1）丝栅式应变：

圆角线栅式：

由0.01-0.01的合金细丝制成。

价廉，精度低，横向效应大。

直角线栅式：

由0.01-0.01的合金细丝制成。

价廉，精度较低，横向效应小。

2）箔式应变片：

敏感栅用0.001～0.01㎜的金属镀膜经光刻腐蚀而成，基底材料为胶基，其特点是精度高，承受电流大，但价格高。

3）半导体应变片：

用半导体材料，经真空蒸镀制成。

其特点是灵敏系数特别大，可达175，但温度效应大。

4.2.2电阻应变片的工作原理

根据电阻定律：

两边取自然对数：

lnR=lnρ+lnl-lns均为变量，两边微分：

。

其中：

s=πr²，ds=２πrdr

又∵

με。

ε

∴

。

将式子变成输出量与输入量的关系：

由实验可知：

在一定范围内是