導(dǎo)語：如何才能寫好一篇聲速測量實(shí)驗(yàn)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：聲速測量；駐波法；相位比較法；數(shù)據(jù)處理；Origin軟件；擬合直線

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）15-0261-03

Abstract： Data processing methods of sound velocity measurement experiment frequently use the gradual deduction method and the least square method， but need more calculation， and the process is complicated. In order to facilitate the data processing， in this paper the velocity measurement data processing using of Origin software were studied. The results show that the fitting line of standing wave method and phase comparison method is equally， also show that the datd of measuring sound velocity of the two methods have good linear relationship. But the measurement error of the phase comparison method is less than the standing wave method， illustrate the phase comparison method on the sound velocity measurement is better than that of standing wave method， but may be caused by the data interval made great when use the phase comparison method to measure . which needs further proof.

Key words： sound velocity measurement； standing wave method； phase comparison method； data processing； origin software； fitting line

1 概述

聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的彈性機(jī)械波。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率在20～20000Hz的聲波稱為可聞波，而超過20000Hz的聲波稱為超聲波[1]。超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等特點(diǎn)，使得在超聲波段測量聲速比較方便。實(shí)際應(yīng)用中超聲波傳播速度對于超聲波測距、定位、液體流速測定、溶液濃度測定、材料彈性模量測定等方面都有重要意義[2]。聲速測量方法可分為兩類：第一類方法是根據(jù)關(guān)系式V=l/t，測出傳播距離l和所需時間t后，即可計(jì)算出聲速；第二類方法是利用關(guān)系式V=λf，測出其波長λ和頻率f也可計(jì)算出聲速V[3-4]。本文用到的駐波法和相位比較法屬第二類方法，即利用聲速和波長、頻率的關(guān)系測量聲速。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 駐波法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，從發(fā)射換能器S1發(fā)出一定頻率的平面波，經(jīng)過空氣傳播到接收換能器S2，一部分被接收并在接收換能器電極上有電壓輸出，一部分向發(fā)射換能器方向反射。如果換能器的接收平面和發(fā)射平面平行，則反射波和入射波將在兩端面間來回反射疊加[5-6]，由波的干涉理論可知，兩列反向傳播的同頻率波干涉將形成駐波，駐波中振幅最大的點(diǎn)稱為波腹，振幅最小的點(diǎn)稱為波腹。由于聲波傳播過程中出現(xiàn)能量損耗，兩列波形成的駐波并非理想駐波，但相鄰波腹（或波節(jié)）之間的距離剛好等于半波長的整數(shù)倍，即示波器觀察到的波形中相鄰振幅極大值（或極小值）之間的距離為半個波長[7]。改變兩只換能器間的距離l，同時用示波器監(jiān)測接收換能器上的輸出電壓幅值變化，可觀察到電壓幅值隨距離周期性的變化。若保證聲波頻率f不變，使用測試儀上的數(shù)顯尺記錄各相鄰電壓振幅極大值的位置，即可求出聲波波長λ，則聲速為

因此，只要測出聲波頻率f和波長λ，就可利用（1）式計(jì)算出聲速[8]。

2.2 相位比較法

波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。聲波在傳播過程中各個點(diǎn)的相位是不同的，當(dāng)發(fā)射端與接收端的距離發(fā)生變化，入射波和反射波的相位差也變化[9]。將發(fā)射換能器和接收換能器分別與示波器的Y1、Y2通道連接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分別輸入了兩只換能器所在處的聲波的簡諧振動信號，這兩個簡諧振動的振幅、頻率相同，干涉后形成的圖形稱為李薩如圖形。相位差不同時，李薩如圖形也不同，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時改變S1、S2之間的距離l，相當(dāng)于改變了入射波和反射波之間的相位差，在示波器上可觀察到相位的變化，即李薩如圖形的變化。當(dāng)S1和S2之間的距離變化剛好等于一個波長λ時，則發(fā)射與接收信號之間的相位差也正好變化一個周期（即φ=2π），相同的圖形就會出現(xiàn)。實(shí)際上，從任何一個狀態(tài)開始觀察，只要李薩如圖形復(fù)原，S2移動的距離就為一個波長，但為了取得較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時以李薩如圖形變?yōu)橹本€時為記錄點(diǎn)。只要準(zhǔn)確觀察記錄相位差變化一個周期時S2移動的距離，即可得出其對應(yīng)聲波的波長λ，即可利用公式（1）計(jì)算出聲速V[10-14]。

2.3 空氣中聲速的理論值

空氣中的聲速與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)，若只考慮溫度的影響，聲速的理論計(jì)算式為：

其中t為環(huán)境溫度，采用攝氏溫標(biāo)，T0=273.15K，V0為0℃時的聲速，對于空氣介質(zhì)V0=331.45m/s。根據(jù)（2）式可計(jì)算出t℃時空氣中聲速的理論值。

3 數(shù)據(jù)原始記錄

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)原理，聲速測量時首先要測量環(huán)境溫度t，本次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度t=13.2℃。其次是測試系統(tǒng)的最佳工作頻率，如表1所示。用駐波法測聲速時，調(diào)節(jié)S1、S2之間的距離，使干涉波形的振幅達(dá)到極大值，記錄此時數(shù)顯尺的讀數(shù)l1，然后同方向移動S2，依次記錄振幅極大值時數(shù)顯尺的讀數(shù)l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比較法測聲速時，調(diào)節(jié)S1、S2之間的距離，使李薩如圖形出現(xiàn)一、三象限斜直線，記錄此時數(shù)顯尺的讀數(shù)l1，然后同方向移動S2，每出現(xiàn)5次一、三象限斜直線時記錄一次數(shù)顯尺讀數(shù)，分別記為l2、l3、……、l6，如表3所示，這樣兩個相鄰數(shù)據(jù)之間的差值為5個波長的長度。

4 數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 空氣中聲速理論值

環(huán)境溫度為13.2℃時，聲速的理論值：

=339.364m/s

4.2 駐波法

設(shè)擬合直線方程為y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打開Origin軟件后，界面上會出現(xiàn)兩列空白數(shù)據(jù)表格A（X）、B（Y），分別輸入1～12和l1～l12的值，以i為橫坐標(biāo)，li為縱坐標(biāo)，利用Origin進(jìn)行線性擬合，擬合直線如圖1所示，擬合報(bào)告如表4所示。

從圖1中可以看出擬合直線和理論曲線符合得較好，即i和li具有嚴(yán)格的線性關(guān)系，這也可以從擬合報(bào)告中看出，因?yàn)殛P(guān)聯(lián)系數(shù)r=0.99999，非常接近于1，所以理論曲線接近于直線。擬合報(bào)告中b=λ/2=4.76449，所以波長λ=9.52898≈9.529mm。因此聲速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s與理論值的誤E=（V-Vs）/Vs=0.88%。

4.3 相位比較法

設(shè)擬合直線方程為y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打開Origin軟件后，界面與駐波法一樣，在數(shù)據(jù)表格A（X）、B（Y）中分別輸入1～6和l1～l6，以i為橫坐標(biāo)，li作為縱坐標(biāo)，利用Origin進(jìn)行線性擬合，擬合直線如圖2所示，擬合報(bào)告如表5所示。

從圖2中可以看出相位比較法的擬合直線效果與駐波法一樣，因?yàn)槎叩年P(guān)聯(lián)系數(shù)r=0.99999，非常接近于1，所以相位比較法測聲速時也可以得到較好的結(jié)果。擬合報(bào)告中b=5λ=47.39303，所以波長λ=9.478606≈9.479mm。因此聲速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s與理論值的誤差E=（V-Vs）/Vs=0.35%。

5 結(jié)束語

本文利用Origin軟件對聲速測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，從結(jié)果上來看，駐波法和相位比較法測聲速在直線擬合時效果都較好，因?yàn)槎叩年P(guān)聯(lián)系數(shù)r一樣，所以兩種方法測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有良好的線性關(guān)系。但兩種方法測得聲速實(shí)際值與理論值的誤差不一樣，相位比較法的誤差小一些，說明相位比較法比駐波法在測聲速上具有優(yōu)勢。但也可能是數(shù)據(jù)間隔較大引起的，駐波法的數(shù)據(jù)間隔是半波長，相位比較法的是5個波長，這點(diǎn)有待筆者進(jìn)一步證明。

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篇2

關(guān)鍵詞: 空氣中聲速測量方法 改進(jìn) 注意點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)

一、常見空氣中聲速測量方法

聲速的測量通常有兩類方法:一種方法是測量聲波傳播的距離s和時間t,然后根據(jù)公式v=s/t計(jì)算出聲速;另一種方法是測量聲波的頻率f和波長λ,然后根據(jù)公式v=λf計(jì)算出聲速。

前一種方法只需要長度測量工具刻度尺和時間測量工具秒表,后一種方法則需要聲速測量儀、示波器、信號發(fā)生器等專業(yè)工具,且后期的分析處理較為復(fù)雜。所以在初中物理學(xué)中聲速的具體測量方案都是基于前一種方法設(shè)計(jì)的。教材中普遍使用了發(fā)令槍測聲速,即一名同學(xué)持發(fā)令槍在起點(diǎn)發(fā)令,另一名同學(xué)在終點(diǎn)測出看到發(fā)令槍冒煙和聽到槍聲間的時間間隔t,再根據(jù)公式v=s/t算出空氣中聲速。

在實(shí)際教學(xué)中,我們基于前一種測量原理,進(jìn)行了各種聲速測量嘗試,找到一種較為準(zhǔn)確且簡單的測量方法:利用摩托車測量法。

二、改進(jìn)后的空氣中聲速測量方法

1.實(shí)驗(yàn)原理

v=s/t。

2.實(shí)驗(yàn)器材

摩托車(豪爵海王星)、卷尺、秒表(電子式)。

3.實(shí)驗(yàn)方案

首先用卷尺測出合適的直線距離s,在該直線距離的起點(diǎn)放置一輛摩托車,并將摩托車頭部正對直線距離終點(diǎn)的同學(xué)乙,起點(diǎn)同學(xué)甲使得摩托車?yán)群皖^部車大燈(頭燈)同時工作,終點(diǎn)的乙同學(xué)自看到摩托車車燈亮起時開始用秒表計(jì)時,待聽到摩托車?yán)嚷晻r停止計(jì)時,所測時間即為聲音在直線距離s中傳播所用時間t,再根據(jù)v=s/t計(jì)算出空氣中的聲速。

為了解決傳統(tǒng)發(fā)令槍測聲速中距離難把握的問題,我們在實(shí)驗(yàn)中采取從聲源(摩托車?yán)?逐漸遠(yuǎn)離的方法進(jìn)行了對比,在確保能較清晰地聽到聲源發(fā)出聲音的前提下,通過多次比較發(fā)現(xiàn)距離在600m左右為最佳,大大減小了人的反應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

在多次對比實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上了最終確定了直線距離為s=612m,并測量出了18組數(shù)據(jù)。根據(jù)公式v=s/t我們分別算出18次實(shí)驗(yàn)中的聲速,如表1所示。

根據(jù)多次測量取平均的方法,根據(jù)18次所測得聲速求得所測聲速為v=327.8m/s。

同學(xué)甲將起點(diǎn)摩托車移至終點(diǎn)位置,而乙同學(xué)移至起點(diǎn),重復(fù)實(shí)驗(yàn),再測出18數(shù)據(jù)。根據(jù)公式v=s/t,我們分別算出了18次實(shí)驗(yàn)中的聲速,如表2所示。

根據(jù)多次測量取平均的方法,根據(jù)18次所測得的聲速可求得所測聲速為v=321.5m/s。

5.實(shí)驗(yàn)思考

為什么兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的差異?

分析:測量中所選擇的直線距離沿著南北方向,兩次聲源和測量者的位置正好相反,前18組數(shù)據(jù)是順風(fēng)測量的,而后18組數(shù)據(jù)是逆風(fēng)測量(風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)),風(fēng)速影響了聲速。

三、實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)

綜合多次實(shí)際測量操作,在具體實(shí)驗(yàn)時我們需要注意以下幾點(diǎn)。

1.所選摩托車的車頭大燈亮度較亮,摩托車?yán)嚷曇糨^響。

2.所測直線距離要適中,對于豪爵海王星踏板摩托車距離600m左右較為合適。不同型號摩托車的喇叭響度不同,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可采取從聲源處逐漸遠(yuǎn)離的方法尋求最佳距離。

3.為保證車燈和喇叭同時工作,先將車燈開關(guān)打開,同時左手長按喇叭按鈕,右手通過撥動鑰匙來使得摩托車電路接通,使得車燈和喇叭同時通電而同時工作。

4.盡量選擇無風(fēng)或風(fēng)速較小時進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以減小風(fēng)速對聲速的影響。

5.為防止環(huán)境噪聲的影響,可選擇晚上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而且可增加對車燈的可視度,提高實(shí)驗(yàn)的精確度。

6.在具體實(shí)驗(yàn)前,甲乙同學(xué)應(yīng)進(jìn)行多次練習(xí),熟練配合,實(shí)驗(yàn)時應(yīng)該進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),確保實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性。

四、實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)點(diǎn)

該方案原理簡單,所用器材簡單常見,無需專業(yè)測量儀器,操作簡單,可行性較強(qiáng),適宜所有中學(xué)使用。更重要的是在夜晚漆黑安靜環(huán)境中操作實(shí)驗(yàn),摩托車車燈的視覺效果和摩托車?yán)嚷曇舻穆犛X效果較好,實(shí)驗(yàn)中聲音傳播距離較長,最大限度地減小人的反應(yīng)時間的影響,測量結(jié)果較精確。

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關(guān)鍵詞：超聲波 介質(zhì) 能量 衰減

中圖分類號：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0116-02

1 壓電陶瓷換能器

壓電陶瓷換能器由壓電陶瓷片和兩種金屬組成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射端的壓電陶瓷固有頻率等于信號發(fā)生器的發(fā)射頻率時，將產(chǎn)生共振，發(fā)射端產(chǎn)生超聲波。并且向前傳播。當(dāng)超聲波傳到接收端時，壓電陶瓷也將產(chǎn)生共振，在經(jīng)過轉(zhuǎn)化電路把壓電陶瓷的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號傳給示波器，可以將信號發(fā)生器的脈沖信號表示成： （1）

當(dāng)壓電陶瓷換能器發(fā)射端的超聲波經(jīng)過介質(zhì)傳到接收器，并且發(fā)射器探頭與接收器探頭平行時，在接收器與發(fā)射器之間，入射波與反射波相干疊加，當(dāng)放入介質(zhì)的時候峰-峰值會隨著探頭的距離變化而發(fā)生變化。

2 利用極大值法測量

2.1 超聲波在紙張里的能量衰減

測量數(shù)據(jù)如表1所示（表格中的d1為紙張的厚度0.04 mm/層；Vp-p為電壓峰峰值）。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)超聲波在紙張中的能量衰減曲線如圖1所示。

2.2 超聲波在布料里的能量衰減

測量數(shù)據(jù)如表2所示（表格中的d2為布料的厚度0.041 mm/層；Vp-p為電壓峰峰值）。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，得出超聲波在布料中的能量衰減曲線如圖2所示。

3 超聲波在介質(zhì)中傳播能量損失的原因分析

通過對超聲波能量在介質(zhì)中的損失研究表明，損失主要由以下幾個原因造成。

3.1 吸收損耗

由于超聲波在介質(zhì)中傳播時介質(zhì)非理想，不均勻，使物質(zhì)內(nèi)部的分子之間相互運(yùn)動，導(dǎo)致超聲波能量被介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。超聲波的能量衰減程度會隨著物質(zhì)的致密性增加而增加。

3.2 擴(kuò)散損耗

超聲波在傳輸過程中波陣面不斷擴(kuò)大，造成單位面積上的能量減小，波陣面上的平均功率密度減小，表現(xiàn)為聲強(qiáng)的衰減，所以超聲波的能量隨著超聲波在物質(zhì)中的傳播距離的增加而減弱。隨著距離的衰減而加強(qiáng)。

3.3 散射損耗

超聲波在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)時，將發(fā)生散射，從而損失超聲波的能量，散射主要發(fā)生在介質(zhì)的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不規(guī)則，在傾斜的界面上發(fā)生反射、折射等，導(dǎo)致能量損耗。

4 超聲波在紙張和布料不同介質(zhì)中的能量衰減對比圖

圖3中測量點(diǎn)為“”表示紙張圖線，對超聲波的衰減特別大，有一層紙（紙張厚度d1=0.040 mm/層）已經(jīng)將同樣大小的超聲波，差不多已損失殆盡，而另一測量點(diǎn)為“■”圖線表示的是布料（布料厚度d2=0.041 mm/層），則衰減比較緩慢，隨著厚度的增加，兩種介質(zhì)對超聲波的衰減趨勢將變得緩慢。

在研究中通過對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)超聲波在不同的介質(zhì)中能量的衰減變化不相同，超聲波會隨著材料的材質(zhì)，還有物質(zhì)的厚度發(fā)生變化，并且會有超聲波次極大值的出現(xiàn)，在超聲波測量當(dāng)中要嚴(yán)格地把握材料的相似性。有些沒有辦法避免的因素，應(yīng)該用控制變量的方法，得出每一個影響超聲波能量的因素。

超聲波在介質(zhì)傳播過程中，伴隨著介質(zhì)形變、壓縮、溫度升高等一些現(xiàn)象，并且在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使得超聲波的能量減弱，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波在不同的物質(zhì)中，它的衰減程度不相同，在均勻致密的物質(zhì)衰減的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在不均勻稀疏的物質(zhì)，這其中吸收損耗占主要作用，但是隨著介質(zhì)厚度的增加，能量衰減曲線的變化變得非常緩慢，這時起主要作用的是擴(kuò)散損耗，當(dāng)介質(zhì)的厚度到達(dá)一定程度，能量曲線就變得很微弱了，散射損耗的損失就加大了，占了損耗的大部分。所以超聲波在介質(zhì)中的能量損失是有幾種損失共同作用的結(jié)果，隨著材料的不同、結(jié)構(gòu)的不同，發(fā)生著變化。

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篇4

將超聲波液位計(jì)合理安裝在車廂水箱上方，通過超聲波測距模塊對水箱水位進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee發(fā)送模塊傳輸?shù)桨惭b在駕駛室內(nèi)的接收模塊，最后將數(shù)據(jù)通過顯示模塊12864或者1602進(jìn)行顯示，這樣駕駛員可以直接觀察水箱水量的使用情況，從而摒棄了停車觀測或通過駕駛員經(jīng)驗(yàn)來對水位進(jìn)行判斷。

超聲波模塊共3個，圖2是超聲波模塊2發(fā)射電路原理圖。OUTPUT_2輸出的40kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后進(jìn)到超聲波換能器的另一電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻，除了可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。

圖3是超聲波模塊2接收電路原理圖。CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

接口電路為超聲波與外部電路連接的接口，包括INPUT、OUTPUT、VCC、GND接口。

Zigbee發(fā)送和接收模塊

圖4是傳感器終端無線發(fā)送和接

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

片機(jī)相應(yīng)輸入捕捉通道計(jì)算從發(fā)射到接收的時間t，聲速便可以得出。由于補(bǔ)償聲波與測量聲波傳播途徑所處環(huán)境極為相似，所受到環(huán)境影響也基本一致，其聲速通常也較為接近，所以這種方法是目前使用最精確的聲速修正方式。

時間修正法可以有效修正軟硬件系統(tǒng)造成的延時。在實(shí)際系統(tǒng)中，我們可以用下面的方法來對這個固定的延時時間Δt來進(jìn)行修正。設(shè)S1、S2為兩個已知固定距離，t1、t2分別為對應(yīng)這兩個固定距離采集的回聲值(內(nèi)含Δt因素)，則超聲波在S1、S2距離內(nèi)往返傳播所用的時間實(shí)際上分別為t1-Δt和t2-Δt。故有：

S1=C×(t1-Δt)/2 (3) S2=C×(t2-Δt)/2 (4)由上面兩式可得：

Δt=(S1×t2-S2×t1)/(S1-S2) (5)

在實(shí)際測量中，將測量得到的S1、S2、t1、t2值代入式中求得Δt，再將各個回聲時間減去Δt，即可消除延遲時間的影響。在此S1可取貨車水箱直徑2R，S2可取R。

經(jīng)上面兩種方法校正，由(2)、(5)式可得：

L= C×(T-Δt )/2 (6)

此外為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射波造成的影響系統(tǒng)需延時0.1ms。因此最后得出的等式應(yīng)為：

L=C×(T-Δt-0.1ms)/2 (7) Zigbee水箱液位設(shè)計(jì)

Δt -100)* Vt /20000;

Distance1 = (uint8)(CaptureTime1-Δt -100)* Vt /20000;

Distance2 = (uint8)(CaptureTime2-Δt -100)* Vt /20000;

代碼中C a p t u r e T i m e 0、CaptureTime1、CaptureTime2為Timer1三個輸入捕捉通道所捕捉的聲波傳輸時間；Δt為時間修正法后得到的系統(tǒng)延時時間；Vt為聲速校準(zhǔn)補(bǔ)償法得到的聲速。

最終得到液位數(shù)據(jù)Report_Data為：

If (counterfag= =5) { Report_Data= (value_0+value_1+value_2)/3;counter fag=0;}

現(xiàn)實(shí)中該值多次測量后與實(shí)際值進(jìn)行比較，采用最小二乘法來修正，通過Excel線性擬合，得出線性擬合式子[4]，這樣根據(jù)擬合等式得出的位置

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關(guān)鍵詞：中國先進(jìn)研究堆 反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng) 風(fēng)量測量 技術(shù)改進(jìn) 皮托管風(fēng)速變送器

中圖分類號：TL36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0133-04

Abstract：Reactor Hall Ventilation System （RHVS） is one important sub-system of the China Advanced Research Reactor （CARR） ventilation air conditioning system. Since the beginning of trial operation in 2012， the deviation of air flow between actual measured value with the displayed value on the screen of distributed control system （DCS） have had an increasing trend， the latter were larger. Sometimes the intake air flow was larger than exhaust one. These problems would easily cause confusion of operating crew and nuclear safety supervisors. Through inspection and analysis， it was the main reason of causing deviation that the original hot type wind speed transmitter was inclined to adhere dust in CARR operation condition. So the pitot-tube type wind speed transmitters were used as an alternative. After finishing installation and debugging， several months of operation practice showed the deviation had a obvious decrease ，the measure values were stable and accurate.It proved that the new transmitters are suitable for CARR.

Key Word：China Advanced Research Reactor；Reactor hall ventilation system；Air flow measurement technique，Technical modification，Pitot-tube type wind speed transmitter

中國先進(jìn)研究堆（CARR）是由我國自主設(shè)計(jì)、建造的多用途研究性反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)核功率60 MW。目前，CARR處于調(diào)試試運(yùn)行階段，正在進(jìn)行運(yùn)行許可證的申請工作。

CARR通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是CARR反應(yīng)堆系統(tǒng)中重要的組成部分，用以減少放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境的泄露，排出機(jī)械、電氣設(shè)備及管道散發(fā)的熱量及維持工作場所的溫濕度在合理范圍內(nèi)。CARR通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時，要求各工藝間排風(fēng)量略高于送風(fēng)量，工藝間壓差30±10Pa，防止放射性氣體在各工藝間擴(kuò)散。

CARR通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試完成并投入運(yùn)行今以來，計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）的通風(fēng)系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)量指示偏差越來越大，尤其是反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)，普遍風(fēng)量指示過大或過小，已不能實(shí)際反映運(yùn)行狀況。于是決定查找原因進(jìn)行整改。

1 原風(fēng)速變送器檢查

為了搞清問題存在的原因，我們抽出了問題最大的操作大廳送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速變送器進(jìn)行檢查。

原風(fēng)速變送器為熱線式風(fēng)速變送器，探桿及上面的探頭粘上一層灰黑色灰塵，探桿有一定彎曲，可能是送風(fēng)溫度有時較高所致。具體狀況見圖1所示。

熱線式風(fēng)速變送器是一種以熱線為探頭的流速測量儀器，由探頭、信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱線式風(fēng)速變送器探頭―熱敏電阻極易沉積灰塵，最終使風(fēng)速變送器失效。

在檢查其他的風(fēng)速變送器時，也發(fā)現(xiàn)有的風(fēng)速變送器安裝位置不當(dāng)、變送器探桿過短，導(dǎo)致不能反映實(shí)際風(fēng)量的問題。

鑒于熱線式風(fēng)速變送器不適合CARR實(shí)際運(yùn)行狀況，影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行，決定選用新形式的風(fēng)速變送器。

2 新風(fēng)速變送器選擇

2.1 常見的風(fēng)速測量技術(shù)

依據(jù)測量原理不同，目前市場應(yīng)用常見的風(fēng)速測量技術(shù)有：機(jī)械式風(fēng)速測量、皮托管式（差壓式）風(fēng)速測量、熱敏式風(fēng)速測量、激光多普勒式風(fēng)速測量和超聲波式測量。

2.1.1 熱敏式風(fēng)速測量

熱敏式風(fēng)速測量技術(shù)是一種以熱敏材料為敏感元件的流速測量儀表，由熱敏感元件、信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱敏感元件按結(jié)構(gòu)分為熱線、熱球和熱膜3種，均由電阻值隨溫度變化的熱敏材料構(gòu)成。市場應(yīng)用較多的是熱線式風(fēng)速測量儀表，目前CARR使用的就是熱線式風(fēng)速變送器。

2.1.2 機(jī)械式風(fēng)速測量

機(jī)械式風(fēng)速變送器主要有葉輪式和風(fēng)杯式兩種，一般應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測和管道風(fēng)速測量?；驹硎橇鲃託怏w帶動葉輪或風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈一定的關(guān)系，通過測量旋轉(zhuǎn)速度來測量風(fēng)速大小。

機(jī)械式風(fēng)速變送器的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)械式風(fēng)速變送器適用于中低段平均風(fēng)速的測量。葉輪式風(fēng)速儀廣泛應(yīng)用于通風(fēng)現(xiàn)場送排風(fēng)口風(fēng)量測量。

2.1.3 皮托管式風(fēng)速測量

皮托管式（差壓式）風(fēng)速測量的方法為一種間接測算法，通過皮托管和差壓計(jì)聯(lián)合測定出風(fēng)速。實(shí)際測量時，使氣流方向垂直于皮托管的管口，測得該位置的全壓與靜壓之差，得出動壓，然后通過風(fēng)速與動差的關(guān)系式求算出相應(yīng)的風(fēng)速值。

皮托管測量構(gòu)造簡單，安裝方便，測量時也不受氣體紊流的影響，維護(hù)方便；流動阻力小，可測速度分布；低風(fēng)速段測量響應(yīng)迅速，對粉塵環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。缺點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)皮托管管口較小，濕度及粉塵較大的環(huán)境中管口容易堵塞；標(biāo)準(zhǔn)皮托管安裝角度對精度有一定的影響。

2.1.4 激光多普勒式風(fēng)速測量

激光多普勒測速技術(shù)（簡稱LDA或LDV）的基本原理是將激光束穿透流體照射在隨流體一起運(yùn)動的微粒上，檢測微粒散射光的頻率，根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)確定微粒即流體的運(yùn)動速度。

激光多普勒風(fēng)速儀價(jià)格較為昂貴，目前還未普及。

2.1.5 超聲波式風(fēng)速測量

超聲風(fēng)速儀根據(jù)測量方法不同，分為超聲速差測風(fēng)儀和超聲渦街測風(fēng)儀。

超聲波風(fēng)速測量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是測量范圍廣，精度高，缺點(diǎn)是長期穩(wěn)定性不佳，價(jià)格較高。

2.2 風(fēng)速變送器最終選定

針對CARR通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，需要一種能適應(yīng)一定的灰塵環(huán)境，安裝更換方便，而且信號輸出穩(wěn)定的風(fēng)速變送器。經(jīng)過調(diào)查比較，確定選用皮托管式風(fēng)速變送器進(jìn)行安裝試驗(yàn)驗(yàn)證（見表1）。

2.3 廠家定制

通風(fēng)系統(tǒng)矩形或圓形管道中，風(fēng)速的分布是中心高，四周逐漸降低。風(fēng)速變送器探桿的長度要根據(jù)管道尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。探桿取壓點(diǎn)位于管道截面寬（長）度或直徑的約1/3處。標(biāo)準(zhǔn)長度的風(fēng)速變送器并不適合所有尺寸的通風(fēng)管道。

變送器探桿長度根據(jù)以下公式計(jì)算：L=1/3D+M+Z

式中：D為通風(fēng)管道直徑，單位：mm。M為探桿裕量，根據(jù)實(shí)際需要確定，約10～20 mm。Z為探桿首對測壓孔至探桿頂端的距離，10 mm。

表2是根據(jù)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)管道實(shí)際情況，確定的一些技術(shù)參數(shù)，表中風(fēng)速量程及相應(yīng)尺寸探桿要求廠家依此定制。

技術(shù)要求：（1）廠方設(shè)計(jì)探桿首個探孔位置應(yīng)在管道進(jìn)深的1/3處。（2）表頭必須有數(shù)據(jù)清零按鈕。（3）風(fēng)速變送器電源，交流24 V或交、直流24 V通用型。（4）直流4～20 mA信號輸出。

3 皮托管風(fēng)速變送器安裝調(diào)試

3.1 前提條件

（1）皮托管風(fēng)速變送器做校準(zhǔn)試驗(yàn)，出具校準(zhǔn)證書。

（2）安裝前再次檢查風(fēng)速變送器零點(diǎn)是否合格。方法是：用塑料袋將風(fēng)速變送器探桿包嚴(yán)，以免環(huán)境微風(fēng)影響，然后通電測零點(diǎn)電流，4 mA±3%為合格。

3.2 安裝步驟

（1）停止反應(yīng)堆廠房所有風(fēng)機(jī)，相應(yīng)風(fēng)閥關(guān)閉。

（2）按照風(fēng)速變送器的安裝要求檢查反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)原風(fēng)速變送器安裝位置。較為理想安裝位置應(yīng)在距上游彎管段大于6倍或距下游彎管段大于3倍管徑處。風(fēng)速變送器不能安裝在彎管或變徑處。

（3）拆除原風(fēng)速變送器，安裝皮托管風(fēng)速變送器套管頭，用螺釘固定。

（4）將探桿插入套管頭，注意動壓測孔要保證垂直迎風(fēng)方向，固定探桿。

（5）接通電源線、電流信號輸出線，測皮托管變送器零點(diǎn)輸出電流，4 mA±3%為合格。

3.3 風(fēng)量實(shí)測

遵循的原則是：用風(fēng)速儀實(shí)測反應(yīng)堆廠房各通風(fēng)子系統(tǒng)中各個工藝間風(fēng)口風(fēng)量，再把各個工藝間風(fēng)口風(fēng)量累加得出此通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量或排風(fēng)量實(shí)際值；然后調(diào)整皮托管風(fēng)速變送器探桿進(jìn)深，使其風(fēng)量輸出值大致等于實(shí)測值。

3.3.1 風(fēng)量實(shí)測方法

使用葉輪式風(fēng)速儀，根據(jù)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)中各工藝間送排風(fēng)口截面積大小不同，采用9點(diǎn)法或5點(diǎn)法測風(fēng)口風(fēng)速。

風(fēng)口平均速度： （1）

式中：為風(fēng)口平均風(fēng)速，單位：m/s；

為各測點(diǎn)風(fēng)速，單位：m/s；

n為測點(diǎn)數(shù)量。

風(fēng)口風(fēng)量按下式計(jì)算：

風(fēng)口風(fēng)量： （2）

式中：Q為風(fēng)口風(fēng)量，單位：m3/h 。

F為風(fēng)口通風(fēng)面積，單位：m2；為風(fēng)口平均風(fēng)速，單位：m/s。

風(fēng)量測量操作步驟如下：

（1）啟動CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)所有送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)A，調(diào)整好各樓層工藝間壓差，關(guān)閉工藝間房門。

（2）記錄風(fēng)機(jī)電壓、電流，記錄送風(fēng)機(jī)初效過濾器壓差、中效過濾器壓差；記錄排風(fēng)機(jī)預(yù)過濾器壓差、高效過濾器壓差；記錄送風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)壓，記錄排風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)壓。

（3）用風(fēng)速儀測風(fēng)口平均風(fēng)速，計(jì)算各風(fēng)口風(fēng)量，將某通風(fēng)子系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)口風(fēng)量累加即得相應(yīng)通風(fēng)子系統(tǒng)的送、排風(fēng)實(shí)際量。

（4）根據(jù)實(shí)測風(fēng)量，計(jì)算調(diào)整新更換皮托管風(fēng)速變送器輸出電流。風(fēng)速變送器輸出電流推導(dǎo)如下：

風(fēng)速： （3）

式中：V為通風(fēng)管道中的風(fēng)速，單位：m/s；IO為皮托管風(fēng)速變送器輸出電流，單位：mA；L為皮托管風(fēng)速變送器量程，單位：m/s。

風(fēng)量：FV （4）

式中：Q為通風(fēng)子系統(tǒng)送、排風(fēng)量，單位：m3/h；F為總送、排風(fēng)管道截面積，單位：m2。

根據(jù)（3）式、（4）式得出：IO （5）

調(diào)節(jié)風(fēng)速變送器探桿的進(jìn)深，現(xiàn)場實(shí)測輸出電流，使其等于計(jì)算的輸出電流IO，即使風(fēng)量大致等于實(shí)測風(fēng)量，并用紅色油漆標(biāo)示探桿進(jìn)深位置，以備下次更換參照。

（5）修改主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件中風(fēng)量計(jì)算公式，風(fēng)量按（4）式計(jì)算。

（6）停止送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)A。再啟動送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)B，調(diào)01子項(xiàng)各樓層工藝間壓差匹配，按（2）、（3）步驟實(shí)測反應(yīng)堆廠房各通風(fēng)子系統(tǒng)送排風(fēng)量，與主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)顯示值對比，驗(yàn)證新安裝的皮托管風(fēng)速變送器輸出的準(zhǔn)確性。

3.3.2 風(fēng)量實(shí)測實(shí)例

以物理實(shí)驗(yàn)大廳排風(fēng)系統(tǒng)為例。01物理實(shí)驗(yàn)大廳排風(fēng)系統(tǒng)有2臺排風(fēng)機(jī)，即A、B排風(fēng)機(jī)，對應(yīng)1臺高效過濾裝置。01物理實(shí)驗(yàn)大廳有6個排風(fēng)口，A排風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，排風(fēng)量實(shí)測、計(jì)算見表2。

根據(jù)實(shí)測總排風(fēng)量計(jì)算風(fēng)速變送器輸出電流：

Io=z16×11679/（3600×0.7×0.45×15）4{≈14.98mA

調(diào)整排風(fēng)總管道新更換皮托管風(fēng)速變送器探桿的進(jìn)深，現(xiàn)場實(shí)測輸出電流，使輸出電流約為14.98 mA。更改主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件中風(fēng)量計(jì)算公式，風(fēng)量按（4）式計(jì)算。

Q=（A×B）×C

式中：A為PLC接收模擬信號轉(zhuǎn)換的風(fēng)速值；B為風(fēng)管截面積，對于01物理實(shí)驗(yàn)大廳排風(fēng)系統(tǒng)，管道截面積為0.3969m2。C為系數(shù)，等于3600。

修改后，檢查計(jì)算機(jī)顯示值與實(shí)測風(fēng)量值比較，偏差≤5%為合格。

4 運(yùn)行評價(jià)

反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測量技術(shù)改進(jìn)工作從2015年4月開始一直持續(xù)到2015年12月，新更換了9只定制的皮托管式風(fēng)速變送器。

以表3是技術(shù)改進(jìn)后，記錄的反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)顯示值與實(shí)測值的對比表。（說明：實(shí)測風(fēng)量符合設(shè)計(jì)風(fēng)量）

（1）從表3可以看出，DCS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量顯示數(shù)據(jù)與實(shí)測值比較較為準(zhǔn)確，偏差小于5%，經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行考驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示基本穩(wěn)定，基本能夠如實(shí)反映通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，說明新安裝的皮托管風(fēng)速變送器是適用的。

（2）風(fēng)速變送器探桿安裝位置調(diào)試完成后用紅漆標(biāo)示，下次更換時依此確定新風(fēng)速變送器（需是按表1定制的）的位置，這樣省去了繁瑣的風(fēng)量實(shí)測工作。

（3）皮托管風(fēng)速變送器維護(hù)方便，測壓孔粘泥堵塞影響工作時，可以取下清洗測壓孔，檢測輸出電流信號合格后，即可繼續(xù)使用。

5 結(jié)語

中國先進(jìn)研究堆通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是保證核反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測量問題的解決，有效保證了反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，保障了反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。另外，這次技改積累的一些安裝調(diào)試的成功經(jīng)驗(yàn)，對后續(xù)其它通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測量改進(jìn)，也具有益的借鑒意義。

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篇6

關(guān)鍵詞：煤層氣；測井技術(shù)；探討

Abstract: The authors combine practical work experience, analyze the CBM Well Logging Technology for peer reference draw.Keywords: CBM; logging technology; explore

中圖分類號：TU7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2104（2012）

1 煤層氣測井現(xiàn)狀

目前用于煤層氣測井的主要設(shè)備有美國蒙特系列Ⅲ數(shù)字測井儀、渭南煤礦專用設(shè)備廠 TYSC 型和北京中地英捷物探儀器研究所 PSJ-2 型數(shù)字測井儀系統(tǒng)。 煤層氣裸眼井常測的參數(shù)有自然伽瑪、長短源距人工伽瑪、自然電位、雙側(cè)向、雙井徑、聲波、補(bǔ)償中子、井溫、井斜等，而固井質(zhì)量檢查測井則用自然伽瑪、聲幅、聲波變密度和磁定位等方法。受井徑過大的影響，密度三側(cè)向測井、聲速和補(bǔ)償中子測井會存在較大誤差。另外《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》是單一企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中有些規(guī)定在實(shí)際執(zhí)行過程中存在諸多問題，需在實(shí)踐中進(jìn)行修正。①早先國內(nèi)各大石油勘探局（公司）憑著技術(shù)、儀器設(shè)備的優(yōu)勢和固井、射孔、壓裂方面的能力，率先進(jìn)入煤層氣測井市場，測井項(xiàng)目、測井參數(shù)、報(bào)告格式均按照石油測井模式進(jìn)行。 現(xiàn)行的唯一一個煤層氣測井規(guī)程--《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/CUCBM 0401-2002）基本照搬了石油測井的標(biāo)準(zhǔn)。 測井儀器系統(tǒng)有 CSU-D、SKD-3000、SKH-2000、SKN-3000 等等。②隨著煤層氣測井市場的不斷擴(kuò)大， 許多煤田

勘探測井隊(duì)伍進(jìn)入煤層氣測井市場， 測井儀器設(shè)備主要有美國蒙特系列Ⅲ數(shù)字測井儀、 渭南煤礦專用設(shè)備廠的 TYSC 型和北京中地英捷物探儀器研究所的 PSJ-2 型數(shù)字測井儀系統(tǒng)。

2 煤層氣測井儀器對比分析

①石油測井儀器設(shè)備具有組合化程度高、 可測參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，如感應(yīng)測井、地層產(chǎn)狀測井、微球聚焦等儀器。但儀器體積大、笨重，施工成本高，采樣間隔大，解釋精度低。②美國蒙特系列Ⅲ數(shù)字測井系統(tǒng)方法儀器多，配備有中子、全波列、產(chǎn)狀儀等，基本可以滿足煤層氣測井參數(shù)要求； 渭南煤礦專用設(shè)備廠的 TYSC 型數(shù)字測井儀需要另外配備其它儀器廠的補(bǔ)償中子、雙側(cè)向、全波列等測井探管；北京中地英捷物探儀器研究所基本可以配全煤層氣測井儀器系統(tǒng)。 這些煤田測井儀器設(shè)備均具有輕便靈活的特點(diǎn)， 雖然組合化程度比石油測井儀器低， 但對于煤層氣鉆孔只是n×100m 的孔深來說，效率并不低，而采樣間隔密，解釋精度高，施工成本低，適用于煤層氣測井。

3 測井地質(zhì)成果

煤層氣測井的主要地質(zhì)任務(wù)為：

①劃分鉆井巖性，進(jìn)行巖性分析；

②確定煤層的深度、厚度及其結(jié)構(gòu)；

③進(jìn)行煤質(zhì)分析， 計(jì)算目的煤層的固定碳、灰分、水分及揮發(fā)份，計(jì)算目的煤層的含氣量；

④進(jìn)行含水性、滲透性分析；

⑤測量鉆井的井斜角和方位角，計(jì)算鉆孔歪斜情況；

⑥測量井溫，了解儲層溫度；

⑦檢查固井質(zhì)量，評價(jià)水泥環(huán)的膠結(jié)情況等。

對于鉆井巖性的劃分和煤層深度、厚度及其結(jié)構(gòu)的確定，可以說是煤田測井儀器的強(qiáng)項(xiàng)，其較高的儀器分辨率可以劃分煤層中 10cm 左右的夾矸，井溫、井斜測量也可以進(jìn)行連續(xù)測量。在煤質(zhì)分析、碳、灰、水及含氣量計(jì)算中，其關(guān)鍵是選擇計(jì)算參數(shù)。在一個地區(qū)實(shí)施煤層氣測井，要盡量收集目的煤層的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)， 并將其與測井的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對比，找出相關(guān)關(guān)系，以便使測井計(jì)算出的煤層各項(xiàng)指標(biāo)更客觀、更接近實(shí)際。

石油測井儀器采樣間隔大，對煤層的解釋一般精確到 0.1m，對巖層巖性的劃分較為粗略。再者石油天然氣儲層與煤層氣儲層特性和產(chǎn)出機(jī)理不同，顯然不能用石油測井的理念來解決煤層氣儲層問題。

4 實(shí)測效果

利用北京中地英捷物探儀器研究所生產(chǎn)的PSJ-2 型數(shù)字測井儀系統(tǒng)對河南焦作地區(qū)煤層氣試驗(yàn)井實(shí)施測井，其裸眼井所測參數(shù)有自然伽瑪、長短源距人工伽瑪、自然電位、雙側(cè)向、雙井徑、聲波、補(bǔ)償中子、井溫、井斜等，固井質(zhì)量檢查測井參數(shù)有自然伽瑪、聲幅、聲波變密度和磁定位等。對所測曲線進(jìn)行檢查， 其單條曲線質(zhì)量均達(dá)到《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/CUCBM 0401-2002）的優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《煤田地球物理測井規(guī)范》（DZ/T0080-93）甲級標(biāo)準(zhǔn)。

在測井現(xiàn)場提交監(jiān)視曲線圖和煤層、井徑、井斜解釋成果。根據(jù)測井所取得的參數(shù)曲線，解釋的目的煤層厚度 0.65～10m。 校正了鉆探判定的煤層 5 層，最大厚度誤差近 3m，發(fā)現(xiàn)鉆探打丟煤層 4 層，其中有一層達(dá)到 1.4m 厚，若通過勘探確定該煤層連續(xù)穩(wěn)定，具有很好的開發(fā)利用價(jià)值。

按測井設(shè)計(jì)要求計(jì)算了鉆井的全角變化率，并給出歪斜方位和偏移距。 按要求計(jì)算了煤層的碳、灰、水含量和煤層含氣量，并對固井質(zhì)量進(jìn)行檢查測井，評價(jià)其水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。聲波變密度與石油測井對比，效果較好，特別是 PSV-2 型聲速測井探管變密度波形清晰，易于分辨。測井提供的各種成果為下步施工提供了一定的依據(jù)， 使整個煤層氣開發(fā)工程能夠順利進(jìn)行，目前焦作位村地區(qū)鉆井已部分壓裂，抽氣點(diǎn)火獲得成功。

在鉆井過程中部分煤層常會出現(xiàn)垮塌造成孔徑嚴(yán)重變大，一些測井參數(shù)會受到一定影響。 例如，密度三側(cè)向測井屬于全探管推靠， 雖然有推靠貼壁裝置，但由于推靠限度與煤層氣鉆井孔徑相比偏小，存在井徑過大貼不上壁的情況， 聲速和補(bǔ)償中子探管本身沒有貼壁裝置，受井徑影響更大，如何消除這些影響，有必要進(jìn)一步探討。

5 結(jié)束語

因其具有改善能源結(jié)構(gòu)，緩解能源壓力，保障煤礦安全生產(chǎn)，保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，近年來，煤層氣開發(fā)利用成為能源勘探的一個亮點(diǎn)。 為進(jìn)一步加大煤層氣抽采利用力度，強(qiáng)化煤礦瓦斯治理，減輕煤礦瓦斯災(zāi)害，國務(wù)院辦公廳了《關(guān)于加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的若干意見》。在煤炭資源勘探日趨減少的情況下， 煤層氣勘探給煤炭地質(zhì)勘探帶來了一個新的發(fā)展機(jī)遇。利用煤田數(shù)字測井儀系統(tǒng)實(shí)施煤層氣測井完全滿足測井目要求， 特別是北京中地英捷物探儀器研究所生產(chǎn)的雙井徑測井探管、雙側(cè)向測井探管、補(bǔ)償中子測井探管、 固井質(zhì)量檢查探管填補(bǔ)了煤田測井儀器的空白，已廣泛應(yīng)用于山西藍(lán)焰、中聯(lián)等主要煤層氣開發(fā)利用單位的煤層氣井測試工作。由于 《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/CUCBM 0401-2002）， 是單一企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 其中有些規(guī)定在實(shí)際執(zhí)行過程中存在諸多問題，因此，急需由煤田測井人參與制訂一個煤層氣測井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 指導(dǎo)我國煤層氣測井工作健康有續(xù)地發(fā)展。

煤層氣測井競爭激烈，市場少隊(duì)伍多，往往通過壓價(jià)進(jìn)行惡性競爭，再加上業(yè)主又會提出一些超出當(dāng)前技術(shù)條件難以達(dá)到的要求，常此以往，對煤層氣測井市場將會產(chǎn)生沖擊， 對未來的煤層氣開發(fā)與利用十分不利。建議大家共同攜起手來，想辦法改變這種不利局面。

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篇7

關(guān)鍵詞：激光超聲 表面波波速無損檢測 線性擬合

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0028-03

Laser-induced Ultrasonic Surface Wave Velocity

Lin Zhongya Wang Yuxuan Zhao Ximing Zhan Yu

（Northeastern University，Shenyang Liaoning，110004，China）

Abstract：This article usesof a set of non-contact，high precision laser ultrasonic experiment system which was independent research and developed .The pulse laser excitation in the thin aluminum plate surface of the ultrasonic wave signal has carried on the experimental study. Using the pulse tuning-Q laser in aluminum plate samples inspire ultrasonic surface wave signals ，Ultrasonic surface wave received by the doppler vibration meter， and the oscilloscope records the corresponding electrical signals which caused by ultrasonic vibration. And photoelectric detector as reference time the origin of the reflected light signal of sample surface access to the oscilloscope. Experiments of measured waveform as the typical surface wave characteristics of central and bipolar， which shows that the experiment system can motivate and receives the good performance of the ultrasonic surface wave .By extracting， processing and analyzing to experimental data， we got that the propagation velocity of surface wave in the aluminum plate is good agree with the theoretical solution .This conclusion indicates that the experimental method which measures the ultrasonic surface wave velocity has high precision and application prospect.

Key Words：Laser-induced ultrasonic；Surface wave velocity；Nondestructive testing；Linear fitting

工業(yè)生產(chǎn)中，對材料力學(xué)性能參數(shù)實(shí)時進(jìn)行無損檢測，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低材料損耗，具有十分重要的意義。然而，傳統(tǒng)的無損檢測方法由于其局限性，在高溫、高壓、高濕以及被測工件具有較快的運(yùn)動速度等限制條件下并不能滿足測試要求[1]。激光超聲檢測技術(shù)利用脈沖激光激發(fā)和檢測超聲波，從而實(shí)現(xiàn)無損檢測、獲取材料參數(shù)信息，它的出現(xiàn)成功彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量方法的缺陷。

近年來，由于激光超聲技術(shù)具有非接觸、無損傷、靈敏度高、精度高、設(shè)備簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，已逐漸成為材料無損檢測的一種重要手段和發(fā)展方向，在材料的殘余應(yīng)力檢測[4-5]、表面缺陷檢測[6-7]、材料力學(xué)性能測量[8]等方面得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用激光超聲技術(shù)測量各項(xiàng)同性材料的超聲表面波波速具有無損傷、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，并且通過對表面波的精確測量，可以為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對材料裂紋、金屬焊接裂縫等的測量打下基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)采用激光誘導(dǎo)超聲技術(shù)，精確測量出樣品的表面波波速，并分析了誤差的產(chǎn)生原因。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

激光超聲是指利用高能量的脈沖激光與工件表面的瞬時熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，形成熱應(yīng)力，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，其激發(fā)機(jī)制有熱彈性機(jī)制和燒蝕機(jī)制兩種[9]。本實(shí)驗(yàn)采用熱彈性機(jī)制在樣品表面激發(fā)超聲波，如圖1所示：當(dāng)入射脈沖激光功率密度較小，不足以使工件表面融化時，激光的能量一部分被反射，另一部分被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使樣品表面產(chǎn)生幾十到幾百度的局部升溫，引起熱膨脹而產(chǎn)生表面切應(yīng)力[10]，同時激發(fā)出橫波、縱波、表面波[11-13]。熱彈性機(jī)制條件下，材料表層的局部升溫并沒有導(dǎo)致任何變形，因而具有嚴(yán)格的無損檢測特點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，Dawa-100型脈沖激光器產(chǎn)生能量100 mJ，頻率20 Hz，脈寬8 ns的脈沖激光，作用在規(guī)格為300×200×20 mm的鋁板表面，樣品表面吸收能量溫度升高，引起熱膨脹而產(chǎn)生超聲波。LV-S01-DB型多普勒測振計(jì)發(fā)出的連續(xù)探測激光照射在樣品上，經(jīng)樣品表面的反射光發(fā)生多普勒效應(yīng)和干涉現(xiàn)象，即可得到超聲波信號。然而鋁板表面較為粗糙、對激光的反射能力較弱，實(shí)驗(yàn)時為增強(qiáng)鋁板表面反射信號的強(qiáng)度、提高信噪比和穩(wěn)定波形，在探測光照射處貼上一層反射膜。光電探測器對光的改變極為敏感，將其斜置于樣品前側(cè)面，通過接收樣品表面的反射光信號提供時間原點(diǎn)。將多普勒振動計(jì)和光電探測器接入Tektronix-DPO4102B-L型示波器，可得到表面波波形和波的參考時間原點(diǎn)，進(jìn)而可得到波的傳播時間，測量激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，利用公式即可求得表面波波速。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量與處理：

利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行超聲波的激發(fā)和檢測。將脈沖激光器即激發(fā)點(diǎn)固定，通過移動多普勒振動計(jì)來改變接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離，在不同的適當(dāng)位置接收并記錄超聲信號的波形數(shù)據(jù)和傳播時間。由于表面波的能量集中在表層，表面波傳播時能量衰減很小，故在短距離內(nèi)探測時幅值基本不變。圖3為探測到的超聲脈沖信號，第一個單極信號為干擾波，在激光器發(fā)出頻閃光時就會出現(xiàn)，之后一個超聲信號呈明顯對心、雙極特性，為典型的激光激發(fā)的聲表面波信號。

移動多普勒振動計(jì)的位置，記不同的激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離為（），每個對應(yīng)的傳播時間為（）。由于多普勒振動計(jì)本身存在時間延遲，故示波器上兩個波形之間取得的時間并不能完全精確表示距離下表面波的傳播時間，為避免一起本身帶來的誤差，實(shí)驗(yàn)不直接使用公式來計(jì)算波速。這里，采用對和進(jìn)行線性擬合的方法來消除儀器固有誤差。擬合時以x軸表示時間，y軸表示位移，理論上會得到一條在x軸上截距為正的擬合直線，直線的斜率k即為表面波的波速。

由于是采用線性擬合的方法計(jì)算波速，故取值時只需保證每次都以兩條波上相同的特征點(diǎn)作為波形傳播的起點(diǎn)和終點(diǎn)即可。本實(shí)驗(yàn)中的取值采用圖4所示方法：從光電探頭的峰值點(diǎn)開始，到表面波的第一個峰值點(diǎn)止，這一段時間作為該接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離所對應(yīng)的時間。

根據(jù)上訴選取方法，經(jīng)多次測量，得到的7個不同接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離和對應(yīng)的時間的值如表1所示。

對以上七組數(shù)據(jù)用origin軟件進(jìn)行線性擬合，擬合直線如圖5所示。由圖5可知，實(shí)驗(yàn)所得的7個點(diǎn)基本嚴(yán)格分布在一條直線上，與理論推導(dǎo)結(jié)果相同。由軟件擬合的結(jié)果分析可得與的擬合直線方程為：

（1）

擬合直線斜率k=2861.80，即表面波波速 m/s。這與理論表面波波速2880 m/s為接近，驗(yàn)證了該方法的可取性。

3 誤差分析

激光超聲無損檢測方法測量表面波波速的誤差主要來源有：儀器固有誤差、激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)距離的測量誤差、時間的讀取誤差等。

實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用線性擬合的方法，很好的解決了多普勒振動計(jì)帶來的儀器固有誤差，并通過多次測量接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離取平均值和多次讀取波傳播時間取平均值的方法，減小了和的測量和讀取誤差。通過對表面波波形的測量以及對表面波波速的數(shù)據(jù)分析，得出表面波波速為 2861.80 m/s，與理論表面波波速2880 m/s極為接近，相對誤差：

=（2880-2861.80）/2880*100%=

0.63% （2）

誤差分析表明，用激光超聲技術(shù)測量樣品的超聲表面波聲速具有較高的精度，能夠滿足工程及科學(xué)研究的要求。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的非接觸、高精度的激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對脈沖激光在薄鋁板中激發(fā)的超聲表面波信號進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)超聲表面波的激發(fā)并接收，且表面波波形具有典型的對心、雙極的特點(diǎn)。（2）利用激光超聲技術(shù)可以精確的測量出物體的表面波波速，實(shí)現(xiàn)完全非接觸、高精度的測量，激光超聲檢測技術(shù)在更深入的以表面波檢測為基礎(chǔ)的材料裂縫檢測、金屬焊接缺陷檢測等研究領(lǐng)域會有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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篇8

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；競賽方案；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）25-0244-02

一、引言

物理實(shí)驗(yàn)課覆蓋面廣，具有豐富的實(shí)驗(yàn)思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、提高科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)。它在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實(shí)際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其它實(shí)踐類課程不可替代的作用。但是大多數(shù)院校把物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)成一般的必修課程，按部就班地安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績或加上部分考試成績給出課程的總評分?jǐn)?shù)。動手能力好、思維活躍的學(xué)生的成績往往并不高，這就挫敗了他們的積極性，使他們最終失去興趣，敷衍了事。鑒于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的重要作用，一些院校已經(jīng)在研究物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方案，目的就是提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，通過物理實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)讓學(xué)生的動手實(shí)踐能力、科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)合作能力得到真正地提高。舉辦大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽的目的是為了激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣和潛能，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。只有制定合理的、符合學(xué)校實(shí)際情況的競賽方案才能真正發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)競賽的作用。

二、國內(nèi)競賽情況概要

全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽已經(jīng)于2010和2012年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成功舉辦兩屆。競賽命題分為基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)和綜合性、研究性物理實(shí)驗(yàn)兩類。競賽采用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行比賽。北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽從2008年開始每年舉辦一屆，提前公布題目。競賽設(shè)四個題目：第一題指定一個測量內(nèi)容，要求參賽隊(duì)自己搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測量；第二題為指定內(nèi)容的、有應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)制作；第三題為學(xué)生在校期間完成的物理思想清晰，物理知識點(diǎn)明確的實(shí)驗(yàn)制作；第四題為學(xué)生在校期間完成的物理思想清晰、與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的科研論文和教學(xué)論文。廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽已經(jīng)舉辦了十三屆，競賽組委會提前公布指定競賽題目，設(shè)基礎(chǔ)和應(yīng)用兩個題。全國還有很多省市，例如湖北省、江蘇省、浙江省、遼寧省等都在舉辦各省市的大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽。很多開設(shè)物理實(shí)驗(yàn)課程的高校都在舉辦自己學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)競賽或物理實(shí)驗(yàn)競能競賽、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)競賽，名稱雖然有所不同，但競賽命題形式不外乎兩種，一種是現(xiàn)場命題并操作實(shí)驗(yàn)，考察學(xué)生對不同物理實(shí)驗(yàn)手段理解掌握的水平和綜合分析應(yīng)用能力。另一種是提前指定競賽題目或開放式命題，最終以作品的水平評定成績。

三、我校物理實(shí)驗(yàn)競賽情況介紹

（一）第一屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽

在2010年12月首屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽成功舉辦之際，校領(lǐng)導(dǎo)提議我校也應(yīng)該自己組織一個實(shí)驗(yàn)競賽，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，提高實(shí)驗(yàn)室利用率，提高學(xué)生創(chuàng)新和協(xié)作能力。由于學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)十分重視，教務(wù)處召集學(xué)校相關(guān)職能部門和相關(guān)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行協(xié)商，并在2011年4月底下發(fā)了關(guān)于舉辦我校首屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽的通知。首屆競賽分為初賽、實(shí)驗(yàn)操作和答辯三個環(huán)節(jié)進(jìn)行，報(bào)名與參賽均以組為單位，每組兩人。初賽以筆試形式考查報(bào)名選手的基本知識和基本實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)操作考察學(xué)生的動手能力和靈活運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力?？紤]到是第一次舉辦競賽，并參照我?，F(xiàn)有儀器和條件，提出了以下幾個參考題目：頻率的測定和燒杯打擊樂的形成，太陽能電池研究，自組邁克爾遜干涉儀研究空氣折射率，空間頻譜及空間濾波研究，全息照相的研究。選手也可以自選參賽題目。實(shí)驗(yàn)操作中要求兩名選手團(tuán)結(jié)協(xié)作，按照自己的設(shè)計(jì)方案在規(guī)定時間內(nèi)完成儀器調(diào)試、數(shù)據(jù)測量、提交報(bào)告。

來自7個二級學(xué)院的176組352名同學(xué)報(bào)名參加了首屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽。根據(jù)初賽成績選拔60組選手進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。經(jīng)過兩天的緊張比賽，評委根據(jù)選手的設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)后的報(bào)告總結(jié)綜合評分，選拔出30組選手成為本次競賽的獲獎選手。30組獲獎選手中前14組參加了答辯，最終6組選手獲得一等獎，8組選手獲得二等獎，其他16組選手獲得三等獎。

學(xué)生在競賽過程中表現(xiàn)出來的刻苦努力、堅(jiān)忍不拔、聰明睿智、大膽創(chuàng)新給我們留下了深刻印象。因?yàn)楸荣惼陂g也是學(xué)生功課最忙的一段時間，學(xué)生平時白天很少有時間，只能在周末、中午、晚上等課外時間查閱資料、制備材料、實(shí)驗(yàn)練習(xí)。有的學(xué)生從下午下課一直到晚上實(shí)驗(yàn)樓鎖門都在實(shí)驗(yàn)室鉆研，甚至帶著面包干糧到實(shí)驗(yàn)室。有些學(xué)生的想法非常新奇，具有大膽創(chuàng)新的思想，比如：有的同學(xué)利用聲速測量儀上的壓電陶瓷換能器，測量燒杯的共振頻率；有的同學(xué)自己動手制作太陽能電池；有的同學(xué)應(yīng)用所學(xué)的馬律斯定律自制光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置；有的同學(xué)靈活運(yùn)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的補(bǔ)償原理，測量太陽能電池的電壓特性等等。

（二）第二屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽

總結(jié)第一屆競賽的經(jīng)驗(yàn)，2012年我們又舉辦了第二屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽。1～4人組成一個參賽隊(duì)，報(bào)名同時提交物理實(shí)驗(yàn)競賽參賽申請報(bào)告。競賽項(xiàng)目及要求：（1）利用簡單材料設(shè)計(jì)制作靜電起電機(jī)，并演示與靜電有關(guān)的現(xiàn)象。（2）應(yīng)用物理原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制作。要求作品具有創(chuàng)新性、有實(shí)用價(jià)值。（3）對物理實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有儀器進(jìn)行改進(jìn)，使操作更加便捷、測量更加精確；對物理實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有儀器進(jìn)行重新組合，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成新的實(shí)驗(yàn)功能；基于物理實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提出新的實(shí)驗(yàn)方法。

為了鼓勵和幫助參賽選手，物理實(shí)驗(yàn)中心專門設(shè)置了一個學(xué)生科技活動室，并在學(xué)生科技活動室準(zhǔn)備了各種元器件，各種工具原材料和實(shí)驗(yàn)中心多年來積攢的各種在物理實(shí)驗(yàn)課上不能成套利用的實(shí)驗(yàn)儀器，給參賽選手提供一個發(fā)揮潛能和創(chuàng)造力的空間，同時也營造出節(jié)約創(chuàng)新的氛圍，推動和促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展。來自七個理工科學(xué)院的247名同學(xué)報(bào)名參加了第二屆物理實(shí)驗(yàn)競賽，經(jīng)過資料查閱、材料準(zhǔn)備、作品制作、反復(fù)實(shí)驗(yàn)不斷突破，選手們從暑假開始?xì)v經(jīng)將近半年時間最終完成各自參賽作品。根據(jù)初賽展示答辯結(jié)果，評出三等獎10項(xiàng)，優(yōu)秀獎20項(xiàng)。排名前六的選手進(jìn)入決賽，經(jīng)過進(jìn)一步升級加工，六個隊(duì)伍又進(jìn)行一場決賽答辯。最后，白光干涉楊氏模量測量儀和感應(yīng)起電機(jī)兩個作品憑借新穎的設(shè)計(jì)，大膽的創(chuàng)新獲得了一等獎。另外四隊(duì)選手也表現(xiàn)出色獲得了二等獎。競賽過程中，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀學(xué)生，有的學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、踏實(shí)努力；有的學(xué)生見解獨(dú)到、思路新異；有的學(xué)生熱愛科學(xué)、精益求精；有的學(xué)生樂觀向上、永不言棄。本屆競賽學(xué)生制作了范式起電機(jī)、韋氏起電機(jī)、滴水起電機(jī)、新型楊氏模量測量儀、斯特林空氣熱機(jī)、新型靜電場描繪儀、新型輸液報(bào)警器、靜電演示儀器、電磁演示儀器等十種作品。其中一等獎選手的作品“白光干涉楊氏模量測量儀”獲得了評委老師和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可，并已在申請專利。

四、結(jié)語

篇9

關(guān)鍵詞：既有建筑 檢測方法 綜述

1.國內(nèi)檢測標(biāo)準(zhǔn)體系

經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，我國房屋質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)體系已基本形成。我國現(xiàn)行檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括四個層面：國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方規(guī)程和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按其內(nèi)容又可分為：全面檢測和專項(xiàng)技術(shù)。一般而言，全面檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相對原則和籠統(tǒng)，對該領(lǐng)域所有檢測技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并作原則性規(guī)定，但其可操作性不強(qiáng)；專項(xiàng)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相對專業(yè)，對某項(xiàng)檢測技術(shù)進(jìn)行全面細(xì)致的規(guī)定，可操作性較強(qiáng)。

2.現(xiàn)有檢測方法分類

現(xiàn)有檢測方法按檢測內(nèi)容可分為材料強(qiáng)度檢測、結(jié)構(gòu)體系檢測、構(gòu)造措施檢測、老化損傷檢測等，其中材料強(qiáng)度檢測是結(jié)構(gòu)檢測鑒定評估中最基本、最關(guān)鍵的內(nèi)容，材料強(qiáng)度無論對質(zhì)量問題診斷、可靠性鑒定、舊房改造和抗震鑒定均是最重要的參數(shù)之一。材料強(qiáng)度檢測按其對主體結(jié)構(gòu)的破壞程度可分為無損檢測、微損檢測和破損檢測；按其材料類型可分為砌體檢測、木結(jié)構(gòu)檢測、混凝土檢測等[1]。

3.砌體檢測技術(shù)

我國擁有量大面廣的砌體結(jié)構(gòu)，墻體材料和砌筑砂漿種類繁多。磚塊和砂漿的材料性能與既有建筑的結(jié)構(gòu)性能密切相關(guān)，應(yīng)進(jìn)行既有砌體結(jié)構(gòu)適用檢測方法的研究，為其改造加固提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。

目前砌體、砂漿和磚的檢測方法較多，包括：貫入法、回彈法、原位軸壓法、原位單剪法、原位單磚雙剪法、扁頂法、推出法、筒壓法、砂漿片剪切法、點(diǎn)荷法、射釘法等[2]。但由于砌體和砂漿強(qiáng)度的離散性很大，各檢測方法的適用性存在明顯差異，各自得到的推定強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn)，往往采用不同檢測方法檢測的結(jié)論完全不同?！镀鲶w工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50315-2000)[2]對規(guī)范檢測方法、統(tǒng)一檢測標(biāo)準(zhǔn)起到了一定作用，但該規(guī)范推薦了十種方法，未作橫向比較，且該規(guī)程各種方法的適用范圍均有很大限制，難以適應(yīng)上海既有建筑的很多情況。上海市建筑科學(xué)研究院結(jié)合上海既有建筑的特點(diǎn)，選擇典型檢測方法進(jìn)行深入研究，改進(jìn)了貫入法和原位軸壓法的推定公式，并在原位單磚雙剪法基礎(chǔ)上提出了原位雙磚雙剪法[3~6]。

貫入法是一種非破損檢測方法，檢測位置和數(shù)量限制較少，可大范圍采用。貫入法可適用于目前最常用的水泥砂漿和混合砂漿檢測，適用的砂漿強(qiáng)度為0.4~16.0MPa。現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，在對測強(qiáng)曲線進(jìn)行修正后，貫入法檢測結(jié)果與砂漿試塊強(qiáng)度檢驗(yàn)值吻合較好。但對于既有建筑檢測而言，貫入法存在如下缺陷：① 貫入法是一種以表面硬度推算砂漿強(qiáng)度的檢測方法，不能考慮砂漿表面硬化對測試結(jié)果的影響；②貫入法檢測結(jié)果受砂漿約束條件的影響，而目前檢測方法無法考慮；③ 對于既有建筑普遍采用的粘土砂漿或粘土石灰砂漿，由于砂漿強(qiáng)度較低，且沒有相應(yīng)的測強(qiáng)曲線，因而不宜使用貫入法檢測其砂漿強(qiáng)度[4]。

原位軸壓法是現(xiàn)有砌體抗壓強(qiáng)度檢測方法中相對可靠的一種，對不同磚和不同砂漿的砌體均適用，但原強(qiáng)度換算系數(shù)計(jì)算公式應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修改，可進(jìn)一步提高原位軸壓法的精度。原位軸壓法對既有建筑磚砌體還存在以下缺陷：① 原位軸壓法破損性較大，不宜大量采用，一般宜與其它檢測方法配合采用；② 原位軸壓法檢測磚墻的厚度有所限制，現(xiàn)有儀器僅限于檢測220~240mm厚磚墻的檢測，檢測其它厚度磚墻時應(yīng)對檢測儀器做適當(dāng)改造。通過適當(dāng)改進(jìn)可顯著提高原位軸壓法的檢測精度[5]。

國家標(biāo)準(zhǔn)《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50315-2000)[2]規(guī)定的原位單磚雙剪法是對單塊順磚進(jìn)行原位雙剪試驗(yàn)，確定砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度的方法。原位單磚雙剪法適用于推定燒結(jié)普通磚砌體的抗剪強(qiáng)度，對測試位置要求較為嚴(yán)格。上海市建筑科學(xué)研究院在原位單磚雙剪法的基礎(chǔ)上提出了原位雙磚雙剪法，拓寬了原位單磚雙剪法的適用范圍，使原位雙剪法不僅適用于檢測240mm厚標(biāo)準(zhǔn)粘土磚，而且可用于八五粘土磚砌體的抗剪強(qiáng)度測試；且現(xiàn)場不是測試一塊順磚，而是測試相鄰兩塊順磚的抗剪強(qiáng)度。原位雙磚雙剪法的主要優(yōu)點(diǎn)包括：① 可部分消除荷載偏心影響，且可消除豎向灰縫飽滿度對抗剪強(qiáng)度的影響，這是與原位單磚雙剪法的最大不同；② 原位雙磚雙剪法的應(yīng)用范圍不受磚和砂漿類型的限制，可用于上海風(fēng)貌砌體建筑的檢測，使用范圍擴(kuò)大；③ 原位雙磚雙剪法與砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法相似，但其周圍約束條件明顯好于砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，因此其檢測結(jié)果穩(wěn)定性和可靠性均優(yōu)于砌體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。同時，原位雙磚雙剪法也存在一定的局限性：原位雙剪法測試時兩條灰縫可能存在受力不同步現(xiàn)象，難以同時達(dá)到剪切峰值；在開鑿清理過程中難免對待測砌體有擾動，且原位雙磚雙剪法的破損性較大，宜與其它檢測方法配合選用[6]。

4.木結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344-2004)[1]把木結(jié)構(gòu)檢測內(nèi)容分為木材性能、木材缺陷、尺寸與偏差、連接與構(gòu)造、變形與損傷和防護(hù)措施等；木材性能的檢測可分為木材的力學(xué)性能、含水率、密度和干縮率等項(xiàng)目；木結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測涉及的木材力學(xué)性能又分為抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗剪強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度等。

上海市標(biāo)準(zhǔn)《既有建筑物結(jié)構(gòu)檢測與評定標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-804-2005)[6]規(guī)定優(yōu)先采用取樣法確定木材的力學(xué)性能；無法取樣且木材的材質(zhì)與外觀與同類木材有顯著差異時，可根據(jù)木材的材質(zhì)、樹種、材性和使用條件、使用部位、使用年限等情況進(jìn)行綜合分析，強(qiáng)度按國家標(biāo)準(zhǔn)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相應(yīng)木材強(qiáng)度乘以折減系數(shù)0.6~0.8；木構(gòu)件疵病采用外觀檢查和量尺檢測；木構(gòu)件裂縫檢測包括裂縫寬度、長度和走向，其中裂縫走向采用目測法，裂縫寬度采用目測、游標(biāo)卡尺、讀數(shù)顯微鏡或裂縫寬度檢測規(guī)進(jìn)行檢測，裂縫長度采用卷尺測量；木構(gòu)件腐朽和蟲蛀采用外觀檢查或錘擊法檢測；木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的損傷采用外觀檢查或用量尺和探針進(jìn)行檢測。

以上規(guī)定的檢測方法主要以目測、敲擊和取樣為主，仍存在明顯不足。其中目測法和敲擊法的準(zhǔn)確性取決于檢測人員的經(jīng)驗(yàn)，量化較困難，常常存在較大的誤差。而傳統(tǒng)的取樣法通過采用后在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行木材力學(xué)性能的測試，其檢測時間長、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，且取芯對木構(gòu)件受力性能有明顯不利影響。木構(gòu)件無損檢測方法可在不破壞木材的原有形狀、原有結(jié)構(gòu)和原有動力狀態(tài)的前提下，利用現(xiàn)代的物理方法和手段快速測量出木材的力學(xué)性能和內(nèi)部缺陷。既有建筑中的木結(jié)構(gòu)檢測既要提高檢測的準(zhǔn)確性，又要降低檢測對建筑的附加損傷。

木結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)包括：取樣法、目測法、錘擊法、鉆芯法、射釘法、超聲波法、電學(xué)方法、γ射線法、X射線法、微波檢測法、紅外線檢測法、機(jī)械應(yīng)力檢測法、聲發(fā)射檢測法、核磁共振法。由于木結(jié)構(gòu)檢測方法研究的相對滯后，現(xiàn)階段木結(jié)構(gòu)檢測仍以取樣、目測和錘擊等方法為主，其中取樣法為局部破損檢測法，對重要受力構(gòu)件不能采用；目測法和錘擊法為定性檢測方法，其檢測準(zhǔn)確性與檢測人員的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，其檢測結(jié)果難以用于對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。各種檢測方法的基本情況如下[7]：

目測法目測法就是通過肉眼進(jìn)行觀察，可對木構(gòu)件性能進(jìn)行預(yù)判，對腐朽嚴(yán)重或蟲蛀嚴(yán)重的木構(gòu)件直接評估而無需采用其它檢測方法進(jìn)行檢測；也可對無損檢測結(jié)果進(jìn)行判別和驗(yàn)證，保證其它無損檢測方法的準(zhǔn)確性。

微損檢測辦法一般情況下，常需采用儀器對木構(gòu)件的局部進(jìn)行微損檢測，由于微損檢測的影響程度和范圍均較小，其對木構(gòu)件宏觀力學(xué)性能的影響可忽略，一般也可認(rèn)為是無損檢測方法。微損檢測方法包括：錘擊法、鉆芯法和貫入法。錘擊法就是用錘子對木構(gòu)件檢測部位進(jìn)行敲擊，以判斷木構(gòu)件有無明顯的腐朽、空洞或蟲害；鉆芯法就是鉆取小型木芯樣來檢測木材內(nèi)部的腐朽；貫入法就是使用木材阻力測定儀（如IML阻抗圖波儀）測定木材內(nèi)部腐朽和空洞等。目前，我國規(guī)范規(guī)定的木構(gòu)件常用檢測方法主要是目測法和錘擊法。

聲波法聲波法是通過沖擊或施加應(yīng)力使其產(chǎn)生振動，測定其聲波傳播速度或振動波譜，并進(jìn)行分析的方法。對木構(gòu)件常用測定聲速來計(jì)算其動彈性模量，可用于既有建筑木結(jié)構(gòu)的安全評價(jià)。當(dāng)木材發(fā)生腐朽或蟲蛀時，垂直于木材紋理方向的傳播速度急速增加。當(dāng)應(yīng)力波傳播速度增加30%，木材強(qiáng)度損失達(dá)50%；當(dāng)應(yīng)力波傳播速度增加50%時，木材即遭到了嚴(yán)重?fù)p害；橫向（徑向或弦向）是探測腐朽的最佳途徑。

機(jī)械應(yīng)力檢測法是采用機(jī)械方法施加恒定變形（或力）被測試材上，測得相應(yīng)的載荷（或變形），由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出試材的彈性模量和抗彎強(qiáng)度，并可用于成材的在線應(yīng)力分析。

超聲（應(yīng)力）波法超聲波法分為穿透應(yīng)力波系統(tǒng)和脈沖-反應(yīng)系統(tǒng)。穿透應(yīng)力波系統(tǒng)是指超聲波沿被檢測木材的厚度方向傳播，而被檢測木材的聲波特性就在另一邊被記錄下來；而脈沖-反應(yīng)系統(tǒng)是指測定記錄被傳播到材料內(nèi)部表面的回聲波的特征，可以測定木材腐朽深度等。超聲波的頻率超過20kHz。

聲發(fā)射（AE）檢測法木質(zhì)材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，會以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能，利用電子儀器應(yīng)變能反映的聲發(fā)射信號并由此判斷木質(zhì)材料內(nèi)部的裂紋、缺陷、結(jié)構(gòu)變化、破壞先兆等材料的內(nèi)部動態(tài)信息。

電學(xué)方法利用木材電阻和木材含水率的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行無損檢測，可以測定木材含水率。還可以利用木材電阻特征在現(xiàn)場探測木材腐朽。

γ射線利用γ射線可以定量化探測木材內(nèi)部腐朽程度，也可以定量測定防腐劑痕量元素在木材中的分布。這種檢測方法的不利因素是要用到放射性元素。

X-射線這是實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線上常用的一種方法，主要用于檢測木材內(nèi)部腐朽、木材微密度測定、木材節(jié)疤等的檢測等，如常見的軟X射線木材微密度測定儀、X-射線木材缺陷檢測系統(tǒng)等。

微波檢測法利用微波在不同介質(zhì)中的傳播速度和衰減速度的不同，研究木材不同方向和不同部位的差異，常用透射、反射、定波和散射類儀器來檢測。

紅外線檢測法利用木材中的極性基團(tuán)或木材中的水分子對紅外光能量的吸收強(qiáng)弱來判斷該物質(zhì)的數(shù)量多少或疏密。

核磁共振法利用木質(zhì)材料內(nèi)部的極性分子或水分子對核磁共振光譜的吸收性質(zhì)形成核磁共振譜圖，或形成核磁共振光譜圖象，從而非破壞地觀察木質(zhì)材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、缺陷或有價(jià)值的信息。

既有建筑中木構(gòu)件的檢測方法還需進(jìn)一步研發(fā)，以提高木結(jié)構(gòu)檢測方法的精度和科學(xué)性。

5.混凝土檢測技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)包括：回彈法、超聲回彈法、鉆芯法、雷達(dá)法、微觀結(jié)構(gòu)分析法、鋼筋探測法、局部破損法、銹蝕電位法等。對于一般混凝土結(jié)構(gòu)，多采用回彈法或超聲回彈法進(jìn)行檢測，如既有建筑的混凝土齡期較長或混凝土受到損傷，則應(yīng)采用鉆芯法進(jìn)行修正。

回彈法檢測混凝土強(qiáng)度既有建筑混凝土回彈法檢測按中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》JGJ/T23-2001[8]執(zhí)行。在對既有建筑混凝土進(jìn)行回彈法測試時，每一結(jié)構(gòu)或構(gòu)件測區(qū)數(shù)不應(yīng)小于10個，對某一方向尺寸小于4.5m，且另一方向尺寸小于0.3m的構(gòu)件，其測區(qū)數(shù)量可適當(dāng)減少，但不應(yīng)少于5個。相鄰兩測區(qū)的間距應(yīng)控制在2m以內(nèi)，測區(qū)離構(gòu)件端部或施工縫邊緣的距離不宜大于0.5m，且不宜小于0.2m。每測區(qū)面積不大于200mm×200mm。測區(qū)應(yīng)選在使回彈儀處水平方向，檢測混凝土澆筑側(cè)面。當(dāng)不滿足這一要求時，方可選在使回彈儀處于非水平方向，檢測混凝土澆筑側(cè)面，表面或底面，計(jì)算數(shù)據(jù)時需修正。既有建筑重要的混凝土構(gòu)件及薄弱部位必須布置測區(qū)。

超聲-回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度既有建筑混凝土超聲－回彈綜合法按中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會標(biāo)準(zhǔn)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02:2005)[9]執(zhí)行，并需采用鉆芯試件作校核。超聲檢測儀在現(xiàn)場檢測前，應(yīng)通電預(yù)熱，并須用標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行測定。既有建筑單個混凝土構(gòu)件檢測時，構(gòu)件上應(yīng)均勻布置不少于10個測區(qū)，對長度小于或等于2m的構(gòu)件，其測區(qū)數(shù)量可適當(dāng)減少，但不應(yīng)少于5個。對同批構(gòu)件按批抽測時，構(gòu)件抽樣數(shù)不應(yīng)少于同批構(gòu)件數(shù)的30%，且不少于10件。由于既有建筑混凝土與制定測強(qiáng)曲線所用材料有較大差異時，須從結(jié)構(gòu)構(gòu)件測區(qū)內(nèi)鉆取混凝土芯樣進(jìn)行修正，試件數(shù)量不少于3個。

鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度既有建筑混凝土鉆芯法根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會標(biāo)準(zhǔn)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 03:2007) [10]執(zhí)行，而對于混凝土強(qiáng)度已衰減至C10以下時，不宜采用鉆芯法檢測。在檢測過程中，應(yīng)合理確定取芯的位置，并應(yīng)注意取芯后孔洞的及時填補(bǔ)。

6.結(jié)語

本文對既有建筑砌體、木材和混凝土的檢測方法進(jìn)行了對比分析，在分析基礎(chǔ)上，提出如下建議：

1) 既有建筑特別是老化損傷明顯的歷史建筑砌體強(qiáng)度檢測應(yīng)優(yōu)先采用原位雙磚雙剪法，并應(yīng)與其它檢測方法配合使用。