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1、现代力学测试技术第1页，本讲稿共39页一、概述一、概述 随着现代科学技术的迅猛发展和生产水平的提高，各种测试技术已越来越广泛地应用于各种工程领域科研工作中，测试技术水平的高低越来越成为衡量一个国家科技现代化的重要标志之一。第2页，本讲稿共39页当代测试技术的作用主要体现在四个方面；1.各种参数的测定；2.自动化过程中参数的反馈、调节和自控；3.现场实时检测和监控；4.实验过程中的参数测量和分析。第3页，本讲稿共39页测量测量 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，用数值和单位共同表示检测对象的量值。测量是揭示客观
2、世界规律的手段。广义地说，任何(实验科学)的结论，都是对实验数据统计推断的结果，而数据的取得，只有靠测量来完成。第4页，本讲稿共39页计量计量 计量的主要任务是建立统一的基准单位，使测量有客观标准。测试测试 测试的基本任务是获取有用的信息，通常包含了测量、计量、计算、检验，判断等多层含义，具有比单纯的测量更为丰富的内容。第5页，本讲稿共39页测试的范畴有：1、将被测量与标准量进行比较，以获得被测对象的数值结果。2、将被测量与设定值进行比较，以获得被测对象在性能、参数、质量、功能等方面的评价。这种评价常采用通过不通过、合格不合格、正常越限、好坏等定性指标来表示或采用分成若干等级的分类值来表示。3
3、、对测试数据进行各种处理，根据测试要求不同，处理结果可形成各种信息，也可去执行各种操作。第6页，本讲稿共39页测试技术的地位和重要性：科学的发展突破是以测试技术的水平为基础的，同时科学技术的发展又促进测试技术发展。测试技术已渗透到人类的科学研究、工程实践和日常生活的各个方面。在生产活动中广泛应用测试技术，如生产过程中产品质量的控制、节能和生产过程的自动化等。这些都要测量生产过程中的有关参数和(或)进行反馈控制，以保证生产过程中的这些参数处于最佳最优状态。第7页，本讲稿共39页发展方向发展方向：人类的信息化时代必将为智能测试提供更为广阔的应用前景。随着科学技术的发展，现代测试技术将向着高可靠性、
4、高智能化方向发展。1采用新型信息处理方法 2集成仪器（虚拟仪器）3采用高智能化软件 4网络化 5通用化与标准化 第8页，本讲稿共39页 就工程结构而言，运用现代各种测试技术对结构进行无损检测、监测与故障诊断是目前该领域中最受关注的一个研究方向。第9页，本讲稿共39页二、工程结构的无损检测与故障诊断二、工程结构的无损检测与故障诊断 1结构无损检测与故障诊断的内涵 即对结构进行检测、分析和评估，以确定结构是否有故障存在，进而判别故障的程度和方位，以及结构目前的状况、使用功能和结构故障的变化趋势等，从而对结构作出安全性评价、使用寿命评估等。第10页，本讲稿共39页2无损检测无损检测 是指以不损及材料
5、、结构和其将来使用及使用可靠性的方式，对材料或结构或此两者进行物理力学性能变化，几何特性，组织结构，化学成份，宏观缺陷等检测。检测是故障诊断的前提。第11页，本讲稿共39页 一般无损检测技术是利用结构内部异常或缺陷的存在所引起的对声、光、电、磁、热等反应的变化，而对结构进行“无损”检测。无损检测一般有三种含义，即 无损检测NDT(Nondestructive Testing)无损检查NDI(Nondestructive Inspection)无损评价NDE(Nondestructive Evaluation)。第12页，本讲稿共39页 目前所说的无损检测大多是指NDT，但是，近年已逐步从NDT
6、和NDI向NDE过渡，也即用无损评价来代替无损检测和无损检查；另一方面NDE还具有更广泛的内容，它要求无损检测工作者有更扎实的基础和更强的综合分析能力。一般地说，NDT仅仅是检测出缺陷；NDI则以NDT检测结果为判定基础，对检测对象的使用可能性进行判定，含有检查的意思，而NDE则是指掌握对象的负载条件、环境条件（如断裂力学中预测材料的安全性及寿命等）下，对构件的完整性、可靠性及使用性能等进行综合评价。第13页，本讲稿共39页3无损检测在土木工程全面质量控制中的作用 无损检测无损检测材料科学与工程发材料科学与工程发展设计设计研制施工生产研制施工生产运行使用运行使用材料表征材料表征在役检测在役检测
7、工艺工艺检测检测无损检测是一全领域的技术。第14页，本讲稿共39页 设计阶段：靠设计确定产品的性能、可靠性，靠设计选择产品的结构形式，靠设计指定检查、实验的方法和验收标准，是设计决定着产品的固有质量。研制、施工生产阶段：设计要求 材料的研制生产 材料、结构的力学性能检测 无损评价方法和验收标准的建立。这已被视为完整而不可分割的系统工程。使用运行阶段：在役检测，安全运行、可靠性评价。通过检测，了解现状、分析问题的原委，对提高设计理论水平、改进施工工艺和质量，提高使用性能、延长使用寿命都是至关重要的。第15页，本讲稿共39页4故障诊断流程 工程结构结构损伤机理研究结构损伤故障数据采集测试数据处理提
8、取特征向量结构损伤初步诊断正常否？精密诊断结构损伤程度评估结构损伤位置确定结构损伤类型识别程度判别？处 理处 理异常是否第16页，本讲稿共39页1-2 测试方法及其特点测试方法及其特点 1振动法检测 结构振动检测技术广泛应用于结构抗震、振动强度和可靠性、隔振、减震、舒适性等问题的分析研究。利用振动响应和动力特性参数的变化来进行故障的监测、预报，是结构故障诊断中的重要研究手段之一。任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统。结构动力特性是结构的固有特性。结构的损伤必然引起结构动态响应的变化，进而引起结构实验获取的模态参数的变化。因此，模态参数的改变可视为结构损伤发生的标志。实验模态
9、分析技术就是对被测结构系统进行激励，通过振动测试、数据采集和信号分析，由输入和输出确定结构的动力特性。第17页，本讲稿共39页常用方法：（1）基于固有频率变化的识别技术；（2）基于振型变化的识别技术：（3）基于柔度变化的识别技术；（4）基于刚度变化的识别技术；（5）基于能量变化的识别技术；（6）基于传递函数变化的识别技术；（7）基于统计信息的识别技术。第18页，本讲稿共39页2超声波法检测 超声检测是利用超声波在介质内传播时的反射、透射和散射特性进行的。超声检测仪器：（1）连续波探伤仪：可分为穿透式和反射式两种。（2）脉冲波探伤仪 （3）多通道超声波探伤仪第19页，本讲稿共39页工程应用：混凝
10、土的无损检测（1）混凝土强度的超声检测超声脉冲法 以混凝土强度和超声波在混凝土中的传播参数（声速、衰减系数等）之间的相关关系为基础的，即建立 RC关系曲线。推定方法：（a）校准曲线法；（b）修正系数法第20页，本讲稿共39页(2)混凝土厚度的超声检测 混凝土结构破坏层厚度、路面厚度以及巷道喷锚支护混凝土厚度的测量，都具有重要意义和使用价值。（a）窄脉冲探头直读法；（b）脉冲相关法；（c）分离谱法第21页，本讲稿共39页(3)裂缝的超声检测 结构混凝土裂缝中开裂深度小于500mm的裂缝，可采用平测法或斜测法。平测法适用于只有一个可测表面。采用不跨缝和跨缝测量声时变化。当结构的裂缝部位具有两个相互
11、平行的测试表面时，可采用斜测法检测。如果发射（T）和接受（R）探头的连线通过裂缝，则接受信号的波幅和频率明显降低。如果大体积混凝土结构中预计裂缝深度在500mm以上，可在裂缝两侧用钻孔对测法测裂缝深度。第22页，本讲稿共39页(4)不密实区和空洞检测。对测法、斜测法、钻孔或预埋管法。(5)混凝土结合面质量检测(6)混凝土表面损伤层检测第23页，本讲稿共39页第24页，本讲稿共39页3波动法检测瑞利波法 瑞利波法是一种原位测试勘探方法，利用其频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性进行探测和分析。在均匀介质中，瑞利波的速度VR与振动频率f（即与R）无关，即瑞利波的传播速度是无频散性；而在非均
12、匀介质中，由于边值条件的改变，方程中将包含频率f，说明瑞利波的速度VR是频率f的函数，也即非均匀介质将导致瑞利波的频散。瑞利波在非均匀介质中的这种频散特性是瑞利波探测的物理基础。第25页，本讲稿共39页第26页，本讲稿共39页第27页，本讲稿共39页 测出一系列频率的VR值，就可以得一条VRf曲线，即所谓的频散曲线。VRf曲线或VR曲线的变化规律与所测介质存在着内在联系，通过对频散曲线进行解释，可推断某一深度范围内的介质构造。值的大小与介质的物理特性有关，同一频率的瑞利波波速在水平方向的变化反映出介质条件的横向不均匀性，不同频率的瑞利波波速的变化反映出介质在深度方向的不均匀性。由于瑞利波相对于
13、体波而言其能量较强、速度较小、频率较低，容易分辨，因此在揭示地下地层结构的物探方法中有一定的优越性。第28页，本讲稿共39页4电磁波法检测雷达波法 同 步 器变 频 器T发射天线R接收天线数据采集系统目标体第29页，本讲稿共39页 电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，通过图象的处理和分析，可确定地下界面或目标的空间位置或结构。这一探测手段在国内外被应用于交通路面及地基厚度探测、地质地层研究、地下废弃物及空洞的勘测、地下埋设物探测、堤岸等探测。第30页，本讲稿共39页小浪底大坝迎水面硬
14、质河底淤泥厚度第31页，本讲稿共39页黄河大堤丁坝河床河床下根石床沙黄河大堤丁坝河床河床下根石床沙第32页，本讲稿共39页第33页，本讲稿共39页5结构损伤声发射检测 声发射技术在故障诊断中的主要应用是对大型构件结构的完整性进行检测和评价。结构或组成结构的材料受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射，也称应力波发射。采用声发射检测能对活动性缺陷进行动态检测。第34页，本讲稿共39页6结构损伤的红外检测 红外技术在结构损伤检测中的主要应用是对工程结构因损伤而导致的温度变化进行检测。任何高于绝对温度零度的物体都是红外辐射源，即当物体内部存在缺陷时，他将改变物体的热
15、传导，使物体表面温度分布发生变化。红外检测仪可以测量表面温度分布变化，探测缺陷位置。第35页，本讲稿共39页7射线检测 射线检测是依据被检构件由于成份、密度、厚度等的不同，对射线（电磁辐射或粒子辐射）产生不同的吸收或散射的特性进行的。即采用适当的检测器（主要是射线胶片）拾取射线照射被检构件所形成的透射射线强度的分布图象，对被检构件的质量状况、尺寸、特性等进行评价。常用方法有：x射线检测技术；射线检测技术；中子射线检测技术；电子射线检测技术等。第36页，本讲稿共39页8其它检测方法 电学法检测 光学法检测 磁学法检测第37页，本讲稿共39页1-3 本课程主要讨论的内容本课程主要讨论的内容现代力学测试技术涉及的研究内容及应用领域相当广泛，本课程主要讨论以下几部分的内容：一、监测技术一、监测技术 监测的原理和方法地下结构、基坑等现场监测技术及应用；二、检测技术二、检测技术1超声法混凝土结构检测及工程应用；2振动法结构模态测试技术；3.光测法测试技术及应用。第38页，本讲稿共39页参考文献：参考文献：1土木工程监测技术中国建筑工业出版社 2基坑工程手册，中国建筑工业出版社 3结构混凝土现场检测技术，湖南大学出版社 4无损检测手册，机械工业出版社 5结构损伤检测与智能诊断，科学技术出版社 6现代光测力学技术，哈尔滨工业大学出版社 第39页，本讲稿共39页