岩土工程测试技术讲义采矿班.doc

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1、第1章 测试技术基本知识一、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与各种因素，为岩土工程的研究与施工提供可靠的数据。二、测试技术在生产与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：露天矿（边坡维护，位移检测）地下矿（新奥法支护，地压管理）水电工程（大坝与地基监测，地应力测量）2.可大量提高生产效益，减小材料消耗：矿山爆破：减少震害，提高爆破效果。矿柱支护：满足应力要求的最小支护截石矿柱与最经济的支护材料在水电工程

2、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与方法（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.测量地应力场与变化规律：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.测量围岩与支架的受力状态，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，各种动力学与运动学参数，以提高爆破效果。6.对测量信息与实验数据进行分析处理，以获得准确的测量

3、结果以与寻找客观规律。（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

4、换等：显示或记录。五、测试技术的发展方向，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2.1 传感器的分类与性能要求一、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、电容、电感电能式：磁电式、压电式、光电、热电式。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：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

5、限由传感器本身的灵敏度（灵敏限），误差与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与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部分能量，会使被测体改变其真实状态，这就是负载作用。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c.不重合的程度：c= Cmax正反行程曲线最大偏差 满量程输出的平均值三、对传感器的要

6、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与较强的抗干扰能力，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。原理：（画图说明）：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与位移。三、电感式传感器四、电容式传感器1.原理：改变极板的负极或改变极板间距离与介质的介电常数。2特点：灵敏度高，结构简单，负载作用小，动特性

7、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 永久磁铁 铁芯 弹性模片质量块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、定义与意义：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 是取得准确测量数据与减少误差的依据. 刚制成的传

8、感器由于材料的性能与几何尺寸的差异，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 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：静态标定：作出加卸载曲线，确定灵敏度与非线性.动态标定：通过对标定时记录曲线的处理，确定动态灵敏度，频率特性与阻尼特性.2. 测震传感器的标定内容： 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3章 记录装置（recording device）3.1

9、 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、记录装置的分类与特点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：直接显示数字与极性。精度高.极性可反。屏幕显示器：可直接显示图形，文字等.较大。 电子示波器：直接显示电信号的变化过程与特征，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

10、类型（1）模拟记录仪：将输入信。 光线示波器：测量频率高。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

11、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，经光学系统与机械系统的配合，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，磁系统与恒温装置。2、光学系统：光源设备与光学透镜，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、电源与辅助装置：电气部分的供电电源

12、，通风系统，防震器，外壳等。三、振子系统1振子的分类与工作原理.（1）动圈式振子：活动部分由镜片，张丝与线圈组成。 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

13、面积与光臂长成正比，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，主要表达在以下两个方面：1不同的阻尼的振子其幅频特性

14、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 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）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33）3）灵敏度的选择：当振子型

15、号确定后，表中si有两个即LB=n与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4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电流的变化，最后将变化的电信号放大，以应变

16、的标度表示出来（画图）。二、特点与适用范围（一）特点1.分辨率高。最小可达10-8、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、强磁场、核辐射、超低温条件下测量。6.测量范围大。一般12105HZ7.用途广 除测应变外，还可测力，扭矩，压强，振动加速度。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，便于普与。（二）使用范围2.若测应力分布，工作量较大。42 电阻应变片一 类型与结构1丝栅式应变：圆角线栅式：价廉，精度低，横向效应大。 直角线栅式：价廉，粘度低，横向效应小。2.箔式应变片：敏感栅用0.0

17、030.01的全属镀膜。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，但温度效应大。二 电阻应变片的工作原理。根据电阻定律：R= 两边取自然对数：lnR=ln+lnl-lns均为变量，两边微分：=。其中：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入应变成正比。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

18、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。但能在实际生活中抽样试验。一般抽样比例为1%。然后用弹簧钢的强度梁上试验求得。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、分类与发展。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。其本身只有一个通道，配合多点转换箱可进行多点测量。如YJ-5型2. 静动态电阻应

19、变仪：主要用于测量200Hz以下的动应变或静态量的测量。如YJD-1，YJD-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，稳压电源。（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， 稳压电源，（框图）三

20、、电阻应变仪的基本测量电路电桥1、电桥的分类：按供桥电源:交流电桥，直流电桥按电桥的工作方式：平衡电桥（零读）；不平衡（直读电桥）按电桥的输出信号：电压桥：所接放大器的输入阻抗无穷大。功率桥：与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R

21、1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：UBD=,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与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：UBD= (42)从(42)式可以看出，多臂电桥有如下特性：单臂工作电桥是全等臂电桥 R2

22、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。4.4 应变测量中应掌握的几个问题一应变片的选用与粘贴。几何尺寸的选择：即基长与丝栅宽度的选择。电阻值的选择。灵敏度的选择。应变片类型的选择。试件表面处理：打磨 清洗涂胶：502胶水，应变胶，环氧胶等贴片检查:万用表，电阻电桥，放大镜防潮处理。二现场测试前的准备工作1.制定测试大纲：测试目的

23、，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：动态系统：y= C=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.锚杆强度与锚固力的测量。道围岩与支架压力的测量。二、平面应力的测量平面应力的测量。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解除法2.单孔孔壁变形法。 第5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

24、与运动学参数。二、测量目的。 研究爆破引起的地面运动规律与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。二次仪表有放大器与记录仪组成。一、拾震器1.分类:按转换特性：磁电式（动圈式）压电式应变式电容式电感式按测量内容：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。1） 工作频率（

25、可测频率范围）与阻尼可用右图表示：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分放大器，才能获的位移量。二、放大器的类型与所组成的测试系统。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

26、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2）特点：输入阻抗高 输入电缆不能太长 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：1）组成：前级由场效应管，后级有电压放大器组成组成。2)特点：输入阻抗极高1091014输入电缆可达1000多米 输出阻抗低200kHZ3）用途：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。1）组成：由应变式测振传感器与动态应变仪组成。2）特点：低频特性好，电缆不宜太长。3）用途：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

27、量方法一、振动参数与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，与加速度。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，速度与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：中科院与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。二、爆破参数的测量方法。（一）测量仪的标定（测

28、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）（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与。然后各矢量与比较，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与最为该点的振幅。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

29、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：1.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，砼或岩石，可用衬钉枪固定螺栓，然后将拾震器拧紧。三、直观分析1.振幅读数

30、：找出最大震幅，方法有三种：明显的最大振幅，量得峰一峰值，除2不明显的最大震幅，各峰值对比，然后取其大值。除2波峰上由凹陷时，将凹陷反向迭加。2.频率与周期的读数。一般是先量得周期倒数后得频率，根据上述三中确定振幅的方法。对应有三种确定周期的方法：最大震幅相邻的波峰或波谷最大震幅对应的半周期乘以二由峰峰值确定的最大震幅，则周期为峰峰值时间的二倍。53振动速度与安全参数的计算一、质点振动速度的计算。振动速度与炸药量成正比，与爆心距成反比，据前苏联沙道夫斯基的经验公式：其中质点速度cm/s. 地震波随距离衰减有效装药量 kg k与岩性与爆破环境有关R爆心距 m一般k为20800之间，2.8之间。二

31、、安全参数的计算1.建筑物破坏的临界速度为：5cm/s（砖混2.5cm/s）2.稳定巷边坡破坏的的临界速度为：40cm/s第6章 钢弦或测试技术6.1弦测法的基本原理与特点一、原理如图： 压力盒放大器频率计分频器触发器（一）压力盒的压力频率变换。（二）压力盒钢弦振动的激发方式：2.单线圈连续激振（由钨丝与永久磁铁组成）二、弦测发的特点1.性能稳定可靠；无需温度补偿，可使用510年，长着30年。2.精度高，0.05%3.抗干扰，便于遥感，导线长达10003000m4.构造简单，易加工，便于安装。5.值轻，便携，最小1kg。缺点：只能侧静压，一般只能人工读数，实际应用时应配传压囊。6.2钢弦压力盒

32、一.类型：1.按原理：单线圈双线圈钨弦2.按结构：立式 卧式3.按用途：应力（压力） 重量 阻力 扭矩二.构造（单线圈）：图示说明。三.压力盒的转换原理.根据弦的固有频率. 其中L为弦长，推出：当有承压膜间接作用在钢弦时： 代表弦自振频率。6.3 钢弦频率测定仪一.类型与特点：1.示波式：为早期产品，优点少，精度低，笨重，所以一般不用。2.数字周期式：采用数字集成电路，由计数器计时，数码显示时间，精度高，操作简单，轻便，缺点是不能直接读频率。如JD5.3.数字频率式：采用数字集成电路，由计数器测频，数码显示频率，具备2的全部优点，并直接读频率。如GS51型。4.示波数字混合式：采用现代技术将示

33、波器做成轻型，与频率仪合为一体。优点多，直观，便于比较，相当于一台备用仪器。二.结构原理.只介绍数字频率式：时 钟触发器压力盒整形电路显示与门计数6.4 弦测技术应用的几个问题一.传压囊的设置.二.压力盒的性能试验.15秒。 小木槌在2分钟内敲打30次 .f10HZ2.密封防水：水中泡7天，然后加4kg/cm2压力，恒压6小时。是否进水。3.稳定性试验：作完前两项后放置一年，10HZ.4.重复性试验：反复加卸载，与标定相同。5.标定（同传感器标定，一般在液压状态下）三.布置与埋设.1.巷道支护压力测量. 2.峒室支护压力测量.四.观测方法.，并编号.2.定期观测，每次每电测量不小于3次。第七章

34、 岩体声波测试技术 声测技术属现代物理技术，广泛应用于水工，机械，医疗卫生，矿山，国防，土建等。岩体声波测试，是在一定点向岩体发射一定频率的脉冲声波，由于波可以在介质中传播，这样，在发射点一定距离处，可以接受到声波信号，利用这种方法，可以研究声波在岩石中的传播途径，这种方法在地质勘探与岩石力学研究中，已成为常用的与很有发展前途的一种无破损测试手段。7.1 岩体声波测试的基本原理一.声波测试中的声波特征。1.声波的波速：即声波在介质中的传播速度，当介质受到扰动后产生的弹性变形，它在平衡位置振动或旋转，扰动以一定速度不断向前传递，也就是声波以一定速度传播。2.声波的频率:岩体声测技术涉与的声波频率

35、一般是指几千赫兹至几兆赫兹的声波或超声波。3.纵波（p波）：声波在介质中传播，表现为压缩或膨胀交替出现，所以又叫压缩波，膨胀波或疏密波，简称为p波。其特点是质点振动方向与波的传播方向一致。4.横波（s波）是剪切变形引起的质点振动所形成的波，其特点是质点的振动方向与波的传播方向垂直，并且只能在固体中传播。二.岩石的弹性参数与波速之间的关系。根据我们以前学过的弹性力学中弹性介质的波动理论，在无限介质中，纵波与横波与岩石的弹性参数有以下关系： 可视为无限介质的条件为：垂直传播方向的尺寸为：D10 沿传播方向的尺寸为： 满足以上条件，可以按照无限介质处理。若声波在有限介质中传播，常见的是杆体内的声波，

36、我们把它成为柱波，它是波的一种，只是垂直传播方向的尺寸足够小，才存在。细长杆中的柱波与弹性参数有以下关系： 可视为细长杆弹性介质的条件为：1.岩性对波速的影响：岩性越好，越致密，波速越高，据此可以划分岩性，岩层等。2.岩体结构对声波传播速度的影响：结构面越多，风化越强，波速越低，与结构面垂直方向的波速低于平行方向的波速。3.岩体应力状态对波速的影响：随着岩石应力的增加，岩石裂隙闭合，孔隙减小，使波速增加；但当应力增加到超过岩石的弹性状态进入破坏状态时，裂隙再次出现，岩石即将破坏，波速也将急速下降。4.岩体强度对波速的影响:岩石的单轴抗压强度与波速成正比：5.湿度对波速的影响：湿度增加波速略有增

37、加，当含水量达70%以上时，波速增加较快。7.2 岩体声波测试技术常用的声波探测仪器一.声波换能器（声波探头）1.类型：横波探头，纵波探头。2.结构组成：a.压电晶体 b.辐射体 c.配重 e.引线 如图： 3.电特性：a.输入输出阻抗：低阻b.谐振频率：即工作频率 几千几兆c.辐射方向：单向辐射d.辐射角：越小越好。有时用指向性表示二.声波探测仪的工作原理.如图所示：发射系统发射探头岩石试样接受探头接受放大器记时显示触发信号其中：发射系统由单稳，脉冲放大与发射探头三部分组成。接收，计时，显示由接收探头，放大，示波，计数，标刻扫描延时，发射延时与振荡器八部分组成。7.3 岩体声波探测的基本方法

38、一.透射波法（直达波法）即发射探头与接收探头对接，中间为被测体.1.测量条件：被测岩石能使两探头在同一条直线上，且距离已知。2.特点：获得的能量大，探测距离远，可达30米。3.用途：岩石试样的弹性波测试，两钻孔之间，巷边矿柱等测量.二.反射波法（回波法）发射探头与接受探头同向放置，固定于岩石表面.1.测量条件（反射条件）：遇结构面，层石对不同声速的介质。2.特点：同一测点可测岩体的一定范围，但直达波的干扰严重。3.用途：岩层，支护层，结构面的厚度与位置。三.折射波法（首波法）这种方法类似光的全反射现象，当声波从一种低速介质传到另一种高速介质时，具有折射现象，当折射角为90时，声波会沿着第二种介

39、质的表面传播，这种波叫折射波，又叫滑行波。1.测量条件：=902.特点：折射波位于波形的最前列，可以排除干扰。3.用途：主要用于声波测井，区分岩层。四.波形的识别方法.1.纵波与横波的区别：a.在同一介质中，一般纵波的波速大于横波的波速，若 如果要突出某种波形，可用不同的探头布置方式：a.突出纵波：可用透射波法b.突出横波：收发探头与探测方向成一定角度c.可用专门的横波探头，可以大量突出横波振幅。3.波形的调整：为了便于确定波形的特征（纵，横波），可以改变发射脉冲宽度，使波形幅值增大，波形最简单。4.纵波与横波初至时间的确定。a.纵波初至时间的确定：纵波波形在示波器的最左端，找到波形以后，增大

40、放大器的增益，减少扫描宽度，然后将时间标划线的尖脉冲移至起跳点。b.横波初至时间的确定.横波速度低于纵波速度，在示波器上位于纵波之后（右），按横波特征找到横波波形以后，可以减少放大器的增益，将纵波降至与基线相当，然后减少扫描宽度，并将时间标刻移到横波波形的起跳点。五.探头的耦合：为了使探头与被测介质紧密接触，尽量减小能量损失与时间误差，探头与介质之间用耦合剂耦合，对于纵波探头，可用黄干油，凡士林作为耦合剂，横波探头可用石腊，杨酸苯脂等热熔固定耦合。7.4 岩体声测技术的应用一.岩石弹性模量与泊松比的确定.(动态)1.纵波速度的测量方法：可选用510cm或5510cm标准试件，按无限介质理论： D10 f= 即选用1兆赫的声波探头，然后用透射波法求出.用横波初至时间的确定方法确定起跳点，利用传播时间与传播距离确定 二.井巷围岩松动圈的确定。三.声波测井.四.地下矿柱稳定性的测定.五.井巷岩体主应力方向的测定. 第 33 页