岩土工程测试技术讲义赵亚军较全Word文档格式.docx

1、一、分类1.按用途：测力传感器：重量、拉（压）力、力矩、应力位移传感器：长度、厚度、应变、振幅速度传感器：值点振速、流量、流速、转速加速器传感器：振动、冲击、质量等2.按转换性能：参数式：电阻、电压、电参电能式：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.输入特性输入量的形式：被测物理量的类型（非电量）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。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

2、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=。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

3、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.压电式加速度计原理：（画图说明）：a.晶体 b.质量块 c.弹簧 d.附件特点:测量频率范围0106Hz；可测冲击；输出信号强，体积小，质轻。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：线圈 永久磁

4、铁 铁芯 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

5、，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：静态标定：作出加卸载曲线，确定灵敏度及非线性.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 幅频特性 相频特性 谐振频率 阻尼系数 电阻抗三. 传感器的静态标定方法（实验）第三章 记录装置31 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.

6、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： 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. 数字表：直接显示数字及极性。精度高.极性可反。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。 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。 光线示波器：测量频

7、率高。010000HZ误差较大，体积大，笨重，用来测量动态量。 函数记录仪：精度高，测量频率低02HZ 体积较大，用来测量静态量。如：应力应变曲线。 模拟磁带机：精度高，测量频率高020KH 但需回放，不直观。 记忆示波器：测量频率高0100MHZ，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。 数字打印机：记录速度低，精度高，可配计算机。数字磁带机：精度高，但不能直接观察，价格高。 穿孔机： 记录速度低，存储量小，不直观。 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。32

8、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

9、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

10、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=0.60.8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

11、零时，记录幅值均发生畸变。2阻尼最佳时，即=0.60.8 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

12、于F给定（表33）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=fs=STf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41 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

13、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10-82.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f105HZ4.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127.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。42 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

14、线栅式：价廉 粘度低 横向效应小2.简式应变片：敏感栅用0.0030.01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= r，ds= rdr 又。+2+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=k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

15、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=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=43 电阻应变仪一 分类及发展。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

16、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0200kHz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

17、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R1R

18、3-R2R4=0或R1R3=R2R4.当应变片R1产生应变时，R1=R1+R,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R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R1 R2 R3 R4 对应有R1 R2 R3 R4 ,根据（41）式，将各R值代入：U= 略去分母中的R高次项，因R值相等，则： （42）从（42）式可以看出，多臂电桥有如下特性

19、：单臂工作电桥是全等臂电桥 R2 R3 R4 为零时的特例。两相邻桥臂工作时，若相邻桥臂阻值的增量R符号相同，那么输出减小或为0，反之输出增大。两相对桥臂工作时，若电阻的增量R符号相同，输出增大，反之输出减小或为0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。44，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。几何尺寸地选择：即基长（标准）和丝栅宽度的选择。电阻值的选择灵敏度的选择。应变片类型的选择。2.贴片试件表面处理：打磨 清洗涂胶：502胶水，应变胶，换拳胶等贴片检查:万用表，电阻电桥，放大镜防

20、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：动态系统：y= C=静态系统 C同上。45 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

21、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。51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：磁电式（动圈式）压电式应变式电参式电感式按测量内参：位移计速度计加速度计按结构：位移摆式质量弹簧型力平衡型2.组成：1）质量弹簧型：a装换元件 b弹性元

22、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。Af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

23、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。微积分放大器。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：晶体管或集成电路输入阻抗高 输入电缆不能太长1.2米 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。输入阻抗极高1091014输入电缆可达1000多米 输出阻抗低频率范围宽 0.0016200kHZ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

24、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。52.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

25、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

26、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：可采用粘结剂，使拾震器与墩子固定（但要考虑拆卸）可预埋螺栓，然后将拾震器螺栓与其固定。2.表面为土质时：预埋铝盒（300300300）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