岩土工程测试技术讲义赵亚军较全Word文档格式.docx
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一、分类
1.按用途:
①测力传感器:
重量、拉(压)力、力矩、应力
②位移传感器:
长度、厚度、应变、振幅
③速度传感器:
值点振速、流量、流速、转速
④加速器传感器:
振动、冲击、质量等
2.按转换性能:
①参数式:
电阻、电压、电参
②电能式:
磁电式、压电式、光热
3.传感器的命名:
将转换特性与用途结合起来如磁电式速度计、压电式加速度计
二、传感器的特性:
1.输入特性
①输入量的形式:
被测物理量的类型(非电量)
②输入量的有效范围:
即量程,下限由传感器本身的灵敏度(灵敏限),误差及干扰信号的信杂比决定;
上限(最大值)由弹性元件的机械强度和输出量的最大线性值决定。
③对被测量的影响(负载作用):
传感器与被测体接触时,或多或少地从被测体中抽取部分能量,会使被测体改变其真实状态,这就是负载作用。
2.转换特性
①转换函数:
输出量与输入量之间的函数关系:
y=f(x)一般为线性,即y=kx+b。
K=
称传感器的灵敏度,理想时K=
。
②传感器的误差:
a.非线性误差:
∆f=±
×
100%
fmax—最大误差的平均值(多次测量)
—满量程输出的平均值
b.滞后误差(迟滞误差):
正反行程输出—输入曲线
不重合的程度:
∆c=±
Cmax—正反行程曲线最大偏差
三、对传感器的要求:
一个理想的传感器,应具有较高的精度,线性度大的测量范围及较强的抗干扰能力,小的负载作用。
2-2传感器的结构原理
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
2.特点:
灵敏度高,输出大,可与多种仪器配合。
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)
第三章记录装置
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
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。
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
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—振子线圈历程
—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
第四章电阻应变测试技术
4—1概述
一.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表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。
二.特点及适用范围
(一)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、强碰场、核辐射、超低温条件下测量。
6.测量范围大。
一般1~2×
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。
可与多种设备配合较大的选择余地。
9.使用方便。
方法易掌握,便于普及。
(二)使用范围
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
一.类型及结构
1.丝栅式应变:
圆角线栅式:
价廉粘度低很想效应大
直角线栅式:
价廉粘度低横向效应小
2.简式应变片:
敏感栅用0.003~0.01㎜的全屏镀膜。
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,但温度效应大
二.电阻应变片的工作原理。
根据电阻定律:
R=p
两边取自然对数:
lnR=lnp+lnl-lns均为变量,两边微分:
=
s=πr²
,ds=2πrdr
又∵
με。
ε
∴
ε+2με+
将式子变成输出量与输人量的关系:
由实验可知:
在一定范围内是常数。
设
=k。
则
=k或
=kε说明输出电阻的变化与输人应变成正比。
这里k是应变片的灵敏系数。
一般为2左右。
半导体应变片的k值可达175.
三.电阻应变片的工作特性。
1.灵敏系数k。
是反映电阻变化与被测应变间关系的重要参数。
影响k的因素很复杂。
目前不能用理论精确计算。
旦能在实际生活中抽样试验。
一般抽样比例为1%。
然后再μ=0.285的强度梁上试验求的。
2.横向效应。
C=
3.应变极限:
在一定温度下,指示应变与实际应变相差10%时的应变值。
4.温度效应:
丝栅电阻率的变化,引起电阻的变化。
丝栅贴在被测材料上,材料的膨胀系数不同。
5.动态响应时间:
测量动应变时:
f=
测量冲击信号时:
上升时间tk=
4—3电阻应变仪
一.分类及发展。
<
一>
分类。
1.静态电阻应变仪:
用来测量缓慢变化的静应变或与应变式传感器配合。
测力,力矩,重量等。
其本身只有一个通边,配合多点转换器可进行多点测量。
如y5-5型号
2.静动态电阻应变仪:
主要用于测量200Hz以下的动应变或静态量的测量。
如y5D-1,
y5D-7型。
3动态电阻应变仪:
用于10kHz以下的动态测量,一般可做成多通边。
如yD-15,y6D-3型号
4超动态应变仪:
用于0~200kHz的应变测量。
如爆炸应力波,冲击波等。
如y6C-9型
二>
发展:
将应变仪与数字技术为一体,向着小型化,多点化,数字化,高精度,自动化,智能化方向发展。
二电阻应变仪的结构原理。
1.静态电阻应变仪:
测量电桥,读数电桥,振荡器。
交流放大器相敏检波器,指示电表,稳压电流。
(框图说明)
2.动态电阻应变仪:
测量电桥,标定电桥,振荡器,交流放大器,相敏检波器,滤波器,输出接口,稳压电流,(框图)
三电阻应变仪的基本测量电路——电桥
1,电桥的分类:
按拱桥电源:
交流电桥直流电桥
按电桥的工作方式:
平衡电桥(零读);
直流电桥(不平衡)
按电桥的输出信号:
电压桥:
放大器的输入阻抗。
功率桥:
放大器的输人阻抗相等。
按电桥的桥臂电阻:
全等臂电桥:
R1=R2=R3=R4.
半等臂电桥:
立式桥(R对称电源),卧式桥(R对称输出)。
按电桥桥臂工作情况:
单臂电桥;
双臂电桥;
四壁电桥。
2,电桥的转换原理:
先以最简单的直流电桥的单臂电压桥为例:
由电工原理可知:
I1=
I2=
UBD=UAB-UAD=I1R1-I2R4=
当电桥处于平衡状态,即UBD=0即R1R3-R2R4=0或R1R3=R2R4.
当应变片R1产生应变时,R1=R1+ΔR,设电桥为全等臂电桥,即R1=R2=R3=R4=R,由上式:
UBD=
由于分母中的ΔR项与4R相比较小,对分母的影响小,可以略去。
因此得:
结合应变片的转换公式
为常数
可以看出,电桥的输出电压与输入应变成线性关系,可用输出电压的大小来表示应变的大小。
3,多臂电桥的转换原理及特性。
在电桥桥臂上有两只以上的应变片工作,称多臂电桥。
设四只应变片的电阻为R1R2R3R4对应有ΔR1ΔR2ΔR3ΔR4,根据(4—1)式,将各ΔR值代入:
U=
略去分母中的ΔR高次项,因R值相等,则:
(4—2)
从(4—2)式可以看出,多臂电桥有如下特性:
①单臂工作电桥是全等臂电桥ΔR2ΔR3ΔR4为零时的特例。
②两相邻桥臂工作时,若相邻桥臂阻值的增量ΔR符号相同,那么输出减小或为0,反之输出增大。
③两相对桥臂工作时,若电阻的增量ΔR符号相同,输出增大,反之输出减小或为0
④电桥的输出电压与供桥电压成正比,在电阻增量符号相同的情况下,电桥的输出越大,电桥的灵敏度越高,
即电桥的灵敏度与供桥电压成正比。
4—4,应变测量中应掌握的几个问题
一.应变片的选用及粘贴。
1.选用。
①几何尺寸地选择:
即基长(标准)和丝栅宽度的选择。
②电阻值的选择
③灵敏度的选择。
④应变片类型的选择。
2.贴片
①试件表面处理:
打磨清洗
②涂胶:
502胶水,应变胶,换拳胶等
③贴片
④检查:
万用表,电阻电桥,放大镜
⑤防潮处理。
二.现场测试前的准备工作。
1.制定测试大纲:
测试目的,要求,测试系统,方案。
2.实验前准备工作:
原始数据,材料设备,测试系统
3.系统标定计数:
①动态系统:
y=
C=
②静态系统
C同上。
4—5电阻应变测试的实际应用
电阻应变测试技术在岩土工程的实际应用,主要是对岩土体的动静应力,应变的测量,包括以下三个方面的内容:
一单向应力测量。
1.锚杆强度及锚固力的测量。
2.巷边围岩及支架压力的测量。
3.岩石试件的弹性参数的测量
二平面应力的测量
1.方向已知的平面应力的测量。
2方向未知的平面应力的测量:
单孔孔底应力解除法单孔孔径应力排除法。
三岩石三维应力测量
用于地下钻孔法测地应力
1.三孔交汇孔底应力排除法
2.单孔孔壁变形法。
第五章爆破震动测试技术
一、爆破测震技术的主要任务。
测量岩土体在爆破作用下,各种动力学和运动学参数。
二、测量目的。
研究爆破引起的地压运动规律和震动对建筑物工程实施的影响,从而采取一定的降震措施,控制它的危害,同时获得最佳的爆破效果,充分发挥它的有益作用。
5—1爆破地震测量仪器
爆破地震测量仪器也是电测系统,且为动态测试系统,其一次仪表为传感器,在这里叫拾震器。
二次仪表有放大器和记录仪组成。
一,拾震器
1.分类:
按转换特性:
①磁电式(动圈式)②压电式③应变式④电参式⑤电感式
按测量内参:
①位移计②速度计③加速度计
按结构:
①位移摆式②质量弹簧型③力平衡型
2.组成:
1)质量弹簧型:
a装换元件b弹性元件c质量块d阻尼元件e外壳引线。
2)位移摆型:
a转换元件,b物理摆,c阻尼元件,d附件。
3.拾震器的主要特性。
1)工作频率(可测频率范围)和阻尼
可用右图表示:
2)不同拾震器的幅度与频率
特性。
A—f特性
3)输出量与输入量的关系。
a,线性关系:
对于测量相应内容的拾震器,其转换关系是线性的,如速度计输出的电压与值点震动的速度成正比,即线性关系,压电式加速度计输出的电荷与值点振动得加速度成线性关系。
b,微积分关系:
对于测量不同内容的拾震器,其输出量的大小与输入量的大小是微积分关系,如用速度去测量加速度,必须对速度计的输出进行微分,才能获得加速度的值,若直接用速度计测位移,必须通过积分电路或者积分放大器,才能获的位移量。
二。
放大器的类型及所组成的测试系统。
1微积分放大器。
1)原理:
即对拾震器输出的电量通过微积分电路进行电学微积分。
①微积分放大器。
②积分放大器:
2)特点:
用一种拾震器可测多种参数。
但精度低。
2电压放大器。
1)组成:
晶体管或集成电路
①输入阻抗高②输入电缆不能太长1.2米③输出阻抗低
3)用途:
与压电式或电动式拾震器配合进行相应测量。
3.电荷放大器:
前级由场效应管,后级有电压放大器组成组成。
①输入阻抗极高109—1014
②输入电缆可达1000多米
③输出阻抗低
④频率范围宽0.0016—200kHZ
与压电式拾震器配合,进行加速度测量。
4动态电阻应变仪组成的测振系统。
由应变式测振传感器及动态应变仪组成。
低频特性好,电缆不宜太长。
与应变式拾震器配合进行相应参数测量。
5—2.爆破震动参数的测量方法。
一。
振动参数及衡量振动强度的物理量。
爆破地震参数主要是指质点振动的运动学参数。
也就是质点的位移,速度,和加速度。
设地震波在无限介质中传播,这时,它符合简谐振动规律,可以把质点振动的位移,速度,加速度表示为:
a=
在震动参数的测量时,通常是测量最大震幅,即:
以便与分析。
我们得到振动参数后,是用它来衡量振动强度,也就是振动的位移,速度和加速度时衡量振动强度的主要依据。
但由于研究的意义不同,具体采用哪种参数也不一样,例如:
中科院和地震部门一般采用加速度峰值,而冶金,铁矿部门一般采用速度峰值,国外一些部门,如美国,有些人提出用能量比
来衡量地质强度。
爆破参数的测量方法。
(一)测量仪的标定(测量系统标定)
在实验室条件下,进行二级标定。
1.二次仪表的标定:
用标准的电信号输给放大器,再记下记录仪的读数。
2.拾震器的标定:
将拾震器固定在振动片上,然后用读数显微镜读出振幅。
例题(八三级试题五题)
(二)质点振动峰值的获得。
每个测点要布置三个方向得拾震器,即
1。
指向爆源(水平径向)
2。
水平切向(垂直于水平径向)
3。
垂直方向(竖直方向)
可得到3个分量,理论上该点振幅峰值,应该是同一时刻各点分量的矢量和。
然后各矢量和比较,取其最大值,作为该点的振幅峰值。
但这样做起来比较麻烦,一般近似用三个分量最大值的矢量和最为该点的振幅。
即:
(三)测点的布置。
1.测点要足够多,每次不少于6个。
2.爆心距有一定差别,为了研究振动的衰减规律,拾震器要布置在距爆破中心不同的同心圆上,且近距离要用强振仪,最远点用弱震仪。
3.在研究振动对通讯物的动力反映时,除建筑物的邻近地方布置测点外,还要在不同的高度布置测点。
(四)拾震器的安装定位
在测振中,必须使拾震器与测点牢固结合,当水平加速度大于0.1g时,必须采取以下措施:
对于岩石表面,浇注平整的砼墩子然后:
①可采用粘结剂,使拾震器与墩子固定(但要考虑拆卸)
②可预埋螺栓,然后将拾震器螺栓与其固定。
2.表面为土质时:
①预埋铝盒(300×
300×
300)
②将土表面整实后铺石子,然后浇注砼墩子,再按方法1,
3.表面为金属,砼或岩