岩土工程测试技术测试技术基础知识
岩土测试技术第3章-动力触探试验
02 动力触探试验的基本原理
动力触探试验的原理
动力触探试验是一种通过锤击或落锤的方式，使一定形状和质量的探头贯入土层 ，根据贯入过程中所受阻力和探头贯入土层的深度来推求土层工程性质的原位测 试方法。
动力触探试验的原理基于能量守恒和动量定理，通过测量锤击能量、贯入时间和 单位时间内贯入的深度，可以推导出土层的力学性质指标。
锤击装置包括锤头、锤杆和支架，用于产生锤击力。
触探杆通常由金属材料制成，用于传递锤击能量和支撑 探头。
深度测量装置用于精确测量探头贯入土层的深度。
03 动力触探试验的操作流程
试验前的准备工作
确定试验目的
明确试验的目标，是为了评估土体的力学性 质、确定地基承载力还是其他目的。
准备试验场地
清理试验场地，确保没有杂物和障碍物，并 按照要求整平场地。
提出结论和建议
根据分析结果，提出相应的结 论和建议，为工程设计和施工
提供依据。
04 动力触探试验的结果解读
动力触探试验结果的解读方法
原始数据转换
01
将采集的原始动力触探数据转换为击数和能量等参数，以便进
行后续分析。
对比分析
02
将试验结果与标准值或已知数据进行对比，判断岩土的力学性
质和承载能力。
曲线拟合
选择合适的探头和钻杆
根据试验要求选择适合的探头和钻杆，确保 能够达到所需的探测深度和精度。
安装探头和钻杆
将探头和钻杆安装到测试仪器上，并确保连 接牢固。
试验操作步骤
调整测试仪器
根据试验要求调整测试仪 器的各项参数，如落锤重 量、落高、贯入速率等。
进行触探
操作测试仪器，使探头 贯入土体，记录贯入深
度和相应的锤击数。
岩土工程测试技术
1.1岩土工程测试的内容：室内试验技术、原位测试实验技术、现场监测技术2.1、测试系统包括：荷载系统、测量系统、信号处理系统、显示和记录系统2、一个理想的测试系统，应该具有确定的输入-输出关系，其中以输出与输入呈线性关系为最佳，即理想的测试系统应当是一个线性系统。
（y=kx）3、传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电器3部分组成。
4、电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转变成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。
5、光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤进入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器调解后，获得被测参数。
6、岩土工程测试中常用的钢弦式应变计基本原理是将钢弦内应力的变化转换为钢弦振动频率的变化。
7、被测对象某参数的量值之真实大小x是客观存在的，由于使用的仪器设备、测量方法、周围环境、人的因素等条件的限制，测量值与真值之间存在差值，该差值称为测量误差。
8、误差分为随机误差、系统误差和粗大误差。
9、传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能。
10、测量系统由传感器、信号和测量电路组成，它将被测量通过传感器变成电信号，经变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号。
一、开展边坡工程监测的目的：1.评价边坡施工及其使用过程中边坡的稳定程度，并作出有关预报，为业主、施工方及监理方提供预报数据，跟踪和控制施工进程，对原有的设计和施工组织的改进提供最直接的依据，对可能出现的险情及时提供报警值，合理采用和调整有关施工工艺和步骤，做到信息化施工和去得最佳的经济效益；2、为防止滑坡及可能的滑动和蠕动变形提供技术依据，预测和预报今后边坡的位移、变形的发展趋势，通过监测可对岩土体的实效特性进行相关的研究；3、对已经发生滑动破坏的边坡和加固处理过的滑坡，监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡处理工程效果的尺寸；4、为进行有关位移分析及数值模拟计算提供参考。
第二章 室内试验(岩土测试技术)
第三节 土的强度试验
土的强度试验（剪切试验）的主要目的：测定土 在不同排水条件和应力状态下，土的抗剪强度指 标c、φ。
室内土的强度试验主要有直接剪切试验、三轴压 缩试验和无侧限抗压试验。
和天然密度。
块体密度试验可分为量积法、水中称量法和蜡封法。 量积法适用于能制备成规则试件的各类岩石； 水中称量法适用于除遇水崩解、溶解和干缩湿胀外的其它
各类岩石； 蜡封法适用当土条直径搓成3mm时产生裂缝，并开始断裂，表示试样的含水率 达到塑限含水率。当土条直径搓成3mm时不产生裂缝或土条直径大于 3mm时开始断裂，表示试样的含水率高于塑限或低于塑限，都应重新 取样进行试验。
5 取直径3mm有裂缝的土条3～5g，测定土条的含水率。
第二节 土的变形性质的试验
最常用的是：固结与压缩试验 固结？压缩？ 试验原理-太沙基一维固结理论
试验过程中无侧向变形，在k0条件下压 缩
固结试验适用与饱和黏性土压缩性指 标的测定
压缩试验适用于非饱和土压缩性指标 的测定（不能测固结系数）
常规压缩试验
高压固结试验
按加荷方式不同可分为标准固结试验和连
颗粒分析成果整理
表2-2 颗粒分析成果表
土样
粒组（mm）百分含量
编号 >2 2-0.5 0.5-0.25 0.25-0.075 0.075-0.005
1 28 10
15
20
10
<0.005 17
土样 编号 >2
1 28
表2-3 颗粒分析成果表
小于某粒径（mm）累积百分含量
岩土测试技术
41
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4、工程施工测量与检验监测
岩土工程施工测量与检验监测（Geotechnical Construction Measurement and Inspection Monitoring）
主要包括施工期测量、桩基动测、土压力和孔隙 水压力观测、沉降与变形观测、边坡变形监测、 地下洞室围岩观测和大坝原位观测等。
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利用 测斜 仪测 量地 层位 移变 化
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斜 坡 变 形 监 测
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变 形 监 测 工 程
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第一章 绪 论
一、岩土测试的目的与作用 二、岩土测试方法分类 三、各类岩土测试方法 四、岩土测试技术的发展趋势 五、原位测试的优缺点
55
岩土测试一直受到岩土工程界的重视，岩土工程 测试的方法发展迅速，新方法不断出现，应用范 围也不断扩大。近年来我国岩土工程原位测试与 现场监控技术有长足进步，在长期实践过程中， 在测试仪器和方法，理论分析，成果应用等积累 了丰富的经验。
mbw 比重瓶、水总质量
mbws 比重瓶、水、土总质量
md Gs Gu mbw md mbws
15
测定土的密度：环刀法
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m 2 m1 V
16
测定土的含水量：烘干法
称量盒质量m0； 称量盒加湿土质量m1； 称量盒加干土质量m2；
声发射法
X射线法
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（4）土体原位测试
在工程现场，(基本)不扰动，测试土层，获得其物理力学性 质指标及划分土层。
岩土工程测试技术报告
岩土工程测试技术报告标题：岩土工程测试技术报告引言概述：岩土工程测试技术是岩土工程领域中非常重要的一部份，通过测试技术可以获取岩土工程材料的物理力学性质和工程特性，为工程设计和施工提供重要的依据。
本报告将介绍岩土工程测试技术的相关内容，包括测试方法、仪器设备和数据分析等方面。
一、岩土工程测试方法1.1 岩土样品采集：岩土工程测试的第一步是采集样品，样品的采集方法和位置对测试结果有很大影响。
1.2 试验室室内试验：室内试验是岩土工程测试的常用方法，包括压缩试验、拉伸试验、剪切试验等。
1.3 野外试验：野外试验是对岩土工程材料在实际工程中的性能进行测试，包括原位试验、动力触探等。
二、岩土工程测试仪器设备2.1 岩土力学试验仪器：岩土工程测试中常用的仪器包括压力机、拉伸机、剪切机等，用于进行不同类型的力学试验。
2.2 岩土物理试验仪器：岩土工程测试中还需要使用一些物理试验仪器，如密度计、渗透仪等，用于测试岩土材料的物理性质。
2.3 数据采集仪器：为了准确记录测试数据，岩土工程测试中还需要使用数据采集仪器，如传感器、数据采集系统等。
三、岩土工程测试数据分析3.1 数据处理：岩土工程测试得到的原始数据需要进行处理和分析，以便得出准确的结论。
3.2 统计分析：通过统计分析岩土工程测试数据，可以揭示岩土材料的特性和规律。
3.3 结果评价：最终的测试结果需要进行评价，以确定岩土材料的工程性能和适合范围。
四、岩土工程测试质量控制4.1 样品质量控制：岩土工程测试的样品质量对测试结果的准确性有很大影响，需要严格控制样品的采集和处理过程。
4.2 仪器校准：岩土工程测试仪器的准确性也是测试质量的重要保障，需要定期进行校准和维护。
4.3 数据审核：对岩土工程测试得到的数据进行审核和验证，确保测试结果的可靠性和准确性。
五、岩土工程测试技术的应用5.1 工程设计：岩土工程测试技术在工程设计阶段可以为工程师提供重要的数据支持，匡助设计合理的工程方案。
《岩土工程测试技术》课件
探究岩土工程测试技术及其重要性，介绍土壤工程和岩石工程测试方法，解 读测试数据，分享应用案例，展望技术发展趋势。
为什么需要岩土工程测试？
安全性
确保建筑物或基础设施的建造安 全，避免倒塌或损坏的风险。
稳定性
验证土壤或岩石可承受的荷载和 压力，避免滑坡或地质灾害的发 生。
持久性
确定所选材料的质量和可靠性， 确保结构和基础具有持久性。
土壤工程测试方法
1
机器
2
利用摩擦、抗剪强度等参数测试土壤材
料的性质。
3
分析数据
4
收集数据并使用数据分析工具来验证和 解析土壤的性质和行为。
分类
粒度分析、密度测试、压缩试验等常见 的测试方法。
现场测试
钻孔、取样等现场测试方法，获得土壤 的实际性质数据。
岩石工程测试方法
物理性质
测试硬度、密度、声速等物理特点，并根据测 试数据判断岩石的品质。
力学性质
测试岩石的抗弯曲、剪切力等力学特性以及岩 石的稳定性。
化学性质
通过化学分析测试岩石成分，如含水量、碳酸 盐含量等。
现场测试
使用钻孔、取样或钻孔岩芯等方式测试岩石项 下性质。
测试数据的分析与解读
数据收集
依据岩土工程测试的方法和标准 进行数据采集，确保数据准确并 详细。
数据解读
测试报告
将测试数据与经验公式或模型相 对比，解读数据并确定测试结果。
根据测试数据生成详细的报告， 与客户和利益相关者分享数据解 释和结论。
岩土工程测试技术试土层、岩石层的质量和稳定性，以及隧道设计的合理性。
2
高速公路桥梁工程
测试沉降、承载力等，保证土壤和建筑材料的安全性和可靠性。
第四章 岩体原位测试(岩土测试技术)
4. 安装完毕后，起动千斤 稍加压力或在传力柱
板间楔进楔形垫块，
系统结合紧密
顶 与垫 使整个
5. 加压与稳定标准
1）试验压力要分成5级施加 2）加压前要对千分表进行初始稳定读数观测 3）采用逐级一次循环法或逐级多次循环法 4）每级压力加压后，立即读数，以后每10分钟读一次 5）稳定标准：相邻两次读数差与该级压力的初始读数和上 一级压力的最后读数之差的比值小于5%
一、千斤顶法（承压板法）
基本原理
该法就是通过刚性或柔性承压板将 荷载加在无限空间的岩面上，测量 岩体变形，并把岩体视为均质、连 续、各向同性的理想弹性体按半 无限弹性体表面受局部荷载的布西 涅斯克(Boussniesg)解，根据所采用 的承压板的刚度和形状求解岩体的 变形模量等。
试验装置
1）承压板 2）加压装置 3）反力装置 4）量测装置
水压法是在岩体内开挖一个试洞，形成一个封闭 的空间，用高压水泵将水压入其中，向试洞围岩 表面施加均匀的水压力，使岩体发生变形，可根 据压力与变形的关系，求出岩体的变形参数
膨胀计
Em
dp (1 U
m)
E m — 变形模量
d — 钻孔直径
U — 径向位移
p — 压力（加静水压力）
第二节 岩体强度测试
5）试件顶面和剪力面务必要与反力面平行 6）试件尺寸宜选用2500~10000cm2，最小边长应大
于50cm，试件高度应大于最小边长的一半 7）试件间距要大于最小边长 8）制备好试件后，不要放置太长时间 9）位移观测要求
试验要求
最大垂直荷载为工程设计最大应力的1.2倍 每组试验试件的数量不少于5个 法向荷载一次施加完毕，加荷后立即读数，以后
4. 试点表面应垂直预定的受力方向 5. 承压板的边缘距洞侧壁应大于承压板直径D的1.5倍，至洞
第二章 室内试验(岩土测试技术)
适用于粒径小于0.5mm，有机 质含量不大于试验总质量5% 的土 圆锥76g、30°锥角、试样杯 内径40mm，高度30mm。 放锥在自重作用下下沉，5s后 测下沉深度，并取锥体附近土 样测含水率 再加水或吹干，调匀，重复测 定，不少于3次（宜为3~4mm 、7~9mm、15~17mm）
测定粘性土的液塑（锥式液限仪）
第四节 岩块物理性质试验
《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-2013） 《公路工程岩石试验标准》
一、岩石含水率试验
岩石在天然状态下的含水率可以间接反映岩石中空隙的多 少、岩石的致密程度等特性。 岩石含水率：指试件在105℃~110 ℃温度下烘至恒量时 失去的水分质量与达到恒量时试件干质量的比值，以百分 数表示。 含结晶水矿物的岩石，烘干温度应控制在（40±5） ℃。 一般用于测定黏土质岩石在地质环境中的自然含水状态。 试件必须保持天然含水率，取样不得采用爆破或湿钻，在 取样、运输、存储和试件制备过程中，试件含水率的损失 不宜超过1%。
7）绘制孔隙比—有效压力曲线 、固结系数—有效压力曲线
第三节 土的强度试验
土的强度试验（剪切试验）的主要目的：测定土 在不同排水条件和应力状态下，土的抗剪强度指 标c、φ。 室内土的强度试验主要有直接剪切试验、三轴压 缩试验和无侧限抗压试验。
一、直剪试验
直接剪切试验是利用盒式剪切仪，在试样上施加竖向压 力，直接测定总抗剪强度指标的一种试验方法。 适用于砂土及渗透系数k<10-6cm/s的黏土。 直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种，目前常用 的是应变控制式直剪仪。
加压活塞 刚性护环 透 水 石 土 样 环刀
测试技术岩土工程勘察
dR (1 2) d
R
令
K0
dR /
R
(1
2)
d/
(2.5)
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻 相对变化。（dρ/ρ)/ε比（1+2μ）要小得多，在比例极限范围内，K0 可看成常数，金属丝的K0=1.7~3.6。即式（4.5）也可写成：
dR/R=K0ε
2.4 常用传感器的工作原理 2、 基本结构
岩土工程勘查与测试
第1章 绪论
1)由单纯的“工程地质勘察”向“岩土工程”发展日趋完 善。
(2)向一切以人类生存的地球表面环境中的大地岩土和与 其密不可分、相互影响的地表水、地下水和大气等环境物 质为系统工作目标的工程领域开拓。
(3)专业分工形成了分枝趋势: a.工程咨询和工程顾问,主 要负责工程计划、项目负责、工程试验分析计算和工程监 测工作; b.野外钻探,可进行探查孔、钻井、灌浆钻孔、锚 杆钻孔、海洋钻探以及水平钻孔、定向钻孔等等;c.岩土工 程施工,可进行各类桩基及地基改良工法的施工。
岩土工程勘查与测试
第2章 测试技术
对于圆形截面，A=πr2，于是有：
dA 2 dr
A
r
(2.3)
dL/L=ε为金属轴向相对伸长，即轴向应变；dr/r为电阻丝横向相对 伸长，即横向应变。两者之比即为金属丝材料的泊松比μ，即：
dr dL
r
L
(2.4)
负号表示变形方向相反。由式（2.2）、（2.3）、（2.4）可得：
按构成原理 按能量关系 按输入量
物理型
依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换
结构型
依靠传感器结构参数的变化来实现信号转换
岩土工程原位测试技术培训
岩土工程原位测试技术培训1. 引言岩土工程原位测试技术是指在开展岩土工程设计和施工过程中，通过对现场土壤、岩石及地下水等进行测试和监测，获取相关参数和数据，以评估土壤和岩石的力学性质和工程行为。
这些测试技术的准确性和可靠性对保证工程结构的安全和质量具有重要意义。
本文将介绍岩土工程原位测试技术的基本原理、常用测试方法、设备使用和维护等内容，旨在为有志于从事岩土工程相关工作的人员提供培训和指导。
2. 基本原理岩土工程原位测试技术基于岩土力学和固体力学的基本原理，通过对土壤和岩石样品进行滑动、拉伸、剪切等力学测试，以获取它们的强度、变形特性等参数。
常用的原位测试方法包括钻孔取样、标贯、静力触探、动力触探等。
3. 常用的原位测试方法3.1 钻孔取样钻孔取样是常见的岩土原位测试方法之一，通过钻孔取得土壤和岩石样本，进行室内试验以获取其物理性质、水分含量、固结特性等。
常见的钻孔取样方法包括岩心钻探、土样钻探、膨润土探头取样等。
3.2 标贯标贯是通过重锤的自由落下击打钢质击针，将击入深度作为评价土壤承载力的依据。
标贯试验可以快速获取土壤的抗剪强度和承载力参数，常用于勘探土层承载力的初步评估。
3.3 静力触探静力触探是利用地质探测车辆和静力锤对地下的土层进行垂直推进过程中的阻力进行测试，通过测试中的阻力和轴力之间的关系，判断土层的性质。
静力触探广泛用于土壤承载力评估、地基设计和土质分类等工程中。
3.4 动力触探动力触探采用振动锤或摩擦锤作为工具，通过对土体施加冲击力，测量相应的反作用力和振动速度，以评估土壤和岩石的物理性质、抗剪强度等参数。
动力触探常用于土工勘探、基础设计和岩石力学性质评价等工作。
4. 设备使用和维护岩土工程原位测试技术的设备使用和维护非常重要，只有正确使用和维护设备，才能保证测试结果的准确性和可靠性。
以下是一些常见的设备使用和维护要点：•定期进行设备检查，确保仪器的正常工作状态。
•遵守操作规程，正确使用测试设备，避免操作错误造成的误差。
岩土工程测试技术
§2.4 试验方法和技术要求
五、孔压消散试验
a.停止贯入
圆锥探头在贯入土中时，在其周围及底部土中会形成一定的 扰动区。在软粘土中土体的扰动使强度降低；在松砂中土体的扰 动使土被挤压密实，强度提高实；用文在档 密实砂中砂粒甚至会被压碎3。2
§2.3 静力触探试验原理
三、孔压静力触探的贯入机理 孔压静力触探探头贯入土体的机理是十分
复杂的，探头贯入所产生的超孔压沿水平径向 的初始分布，以及停止贯入时超孔压的消散均 属于轴对称问题，对贯入机理所做的简化假设 和所选择的土体模型不同，可以建立不同的计 算公式。
3.反力装置
地锚、重物或地锚与重物联合使用
实用文档
14
§2.2 静力触探试验的仪器设备
二、量测系统
1.探头
探头是静力触探仪的关键部件，主要有单 桥探头、双桥探头、孔压探头及其他多功能探 头。
ps ：比贯入阻力，qc：锥尖阻力，fs：侧 壁摩阻力，uw ：孔隙水压力
实用文档
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实用文档
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实用文档
3.探杆平直度的检查
前5m，弯曲度不得大于0.05%，5m以后的，孔深小于10m
时，不得大于0.2%，大于10m时实用，文档不得大于0.1%。
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§2.4 试验方法和技术要求
四、触探仪的贯入
1.进行贯入试验时，若遇到密实、粗颗粒或含碎 石颗粒较多的土层，在试验前应先进行预钻孔，必要 时使用套筒防止孔壁的坍塌。在软土或松散土中，预 钻孔应该穿过硬壳层。
§2.2 静力触探试验的仪器设备
由锥尖阻力量测部分 和侧壁摩擦阻力量测部分 组成。
锥尖阻力量测部分： 由锥头、空心柱下半段、 加强筒组成锥尖阻力传递 结构。
侧壁摩擦阻力量测部
岩土工程测试第十章波速测试
（2）波形特征。压缩波传递的能量小，因此波峰小；剪切波
传递的能量大，因此峰值大。 （3）频率不一致。当剪切波到达时，波形曲线上会有个突变， 以后过渡到剪切波波形。
压缩波记录的长度取决于测点深度。测点越深，离开振源 越远，压缩波的记录长度就越长。图b中波形是在离孔口5m深 处记录所得，其压缩波记录长度要短得多。如在孔口记录，波 形中就不会出现压缩波。当测点深度大于20m或更深时，由于 压缩波能量小，衰减较快，一般放大器有时候测不到压缩波波 形，记录下来的波形图只有剪切波，这样就更容易鉴别了。
根据以上推导，可得剪切波到达任意测点的走时：
1 h i h i1 i1 h j h j-1 ti ( ) cos i Vsi Vsj j1
i arctan(
dx ) hi
（2）反演公式 根据正演公式变形得到： 三、仪器设备组成
Vsi h i h i1 i 1 h h j j-1 t i cos i Vsj j1
五、资料整理
1．波形鉴别
仅讲剪切波达到时间的判断方法。 在测试岩土体剪切波速时，波形鉴别的目的是要确定剪 切波到达的正确位置。由于外界干扰以及敲击时在激板内产生 的压缩波向地下折射，实际得到的波形记录往往是剪切波和压
缩波复合在一起的记录，这就给剪切波的鉴别带来了很大困难。
但是，我们可以根据剪切波和压缩波的不同特点把它们 区分出来。区分的标志是： （1）波速不同。压缩波速度快，剪切波速度慢。因此，压缩 波先到达，剪切波后到达。
单孔法测试所需仪器设备一般包括 以下两部分： (1)震源：指的是弹性波激发装置。
(2)弹性波接收装置：包括检波器、
放大器及记录显示器。
1．震源 人工激发是一种最简单的方法，用得也最普遍。常用的 振源激发装置是尺寸为2500mm ×300mm ×50mm 的木板，木 板的长度方向中垂线应对准测试孔中心。孔口与木板的距离
岩石工程测试技术(hl)
岩土工程测试技术测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。
测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。
通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用它和改造它，推动科学技术的发展。
科学技术的发展历史表明，科学上很多新的发现和突破都是以测试为基础的。
同时，其它领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。
第一章：测试技术理论基础1.1 结构组成1)当输入、输出能够测量时(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。
2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。
3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。
1.2 测试系统主要性能指标我们构建/购买一个测试系统应考虑哪些问题？1）精度和误差精度：系统测量值与真实值的接近程度。
用误差来表示精度的高低。
绝对误差：相对误差：测量结果的准确性。
引用误差：最大引用误差：测量仪器的精度等级。
2)稳定性时间稳定性稳定度环境稳定性影响系数电压影响系数压力影响系数温度影响系数湿度影响系数3）量程: 系统正常工作时所能测量的最大值范围。
4）分辨率——系统可能检测到的被测量的最小变化值。
5）信噪比信号功率与噪声功率之比。
信号电压与噪声电压之比。
6）传递特性: 系统输入与输出对应关系的性能。
静态测试-------传递特性动态测试-------动态传递特性1.3线性系统及其主要性质1）叠加性若：则：2）比例性若：则：3）微分特性若：则：4）积分特性若：则：5）频率保持特性若：则：1.4静态传递特性及其主要参数静态测量：均为常量，不随时间变化而变化。
那么：静态传递特性方程（静态方程）标定因子1)标定曲线标定方法：用系列高出标定系统精度一个数量级的标准信号输入，测出相应的输出，用数学方法拟合出输入——输出曲线（标定曲线）。
2）灵敏度: 当测试装置的输入x有一增量△x，引起输出y发生相应的变化△y时:取决于输入、输出的量纲。
岩土工程测试技术(第七章)
地下工程监测的目的
（1）监视地层、支护与结构的应力和变形情况, 验证支 护系统的设计稳定性
（2）保障监控变形在允许范围之内, 保障地层稳定和施 工安全
（3）通过量测数据的分析处理, 掌握各种数据的变化规 律, 提供地层和支护系统衬砌最终稳定的信息
（4）积累量测数据, 为今后的设计与施工提供工程类比 的依据
3.3 拱顶下沉量测
拱顶下沉量值: 隧道拱顶内壁的绝对下沉量。 拱顶下沉速度: 单位时间内拱顶下沉值
3.3.1 量测方法 对于浅埋隧道, 用挠度计或其他仪表测定拱顶相对于地
面不动点的位移值 对于深埋隧道, 用拱顶变位计
3.3.2 量测仪器 隧道拱顶变位观测计
3.4 地表下沉量测
为了判定地下工程对地面建筑物的影响程度和范围, 并掌握地表沉降规律, 为分析洞室开挖对围岩力学形 态的扰动程度提供信息
地下工程类型
水利: 引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室 （井）、引水长隧洞、地下泵站等
采矿: 竖井、斜井、斜坡道、平巷、采场 交通: 铁路隧洞、地下车站、公路隧洞等 军备: 防空洞、地下军备库、发射井等 民用: 地下商场、地铁、仓库等
监控量测实施流程
现场调查, 收集基本资料
编制监测方案 监测与工程施工关系协调
岩体原岩应力、围岩应力、应变、支护结构的应力、应变 及围岩与支护间的接触应力
（4）压力测试 支撑上的围岩压力和渗水压力
（5）位移测试 围岩位移、支护结构位移及围岩与支护倾斜度
（6）温度测试 岩体温度、洞内温度及气温
（7）物理探测 弹性波（声波）测试和视电阻率测试
围岩松动范围监测孔布置图 (根据北京十三陵蓄能电站厂房观测)
隧洞埋深（m）
围岩
Ⅲ
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（3）信号处理
信号处理摸块是自动检测仪表，检测系统进行数据处 理和各种控制的中枢环节。现代检测仪表，检测系统 中的信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微处理器， 专用高速数据处理器(DSP)和大规模可编程集成电路， 或直接采用工业控制计算机来构建
电阻率发生变化的影响
（2）对于金属材料：
12,K12
对于半导体材料： 12,K
3.1.2 电阻应变片的结构
➢ 电阻丝—是应变片的转换元件 ➢ 基底—将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的
中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用 ➢ 黏合剂—将电阻丝与基底粘贴在一起 ➢ 引出线—连接测量导线
B (1Pe)()T
1个微应变 0.1 ℃
B 2neff
•B为FBG中心波长 •neff 为纤芯的有效折射率 •为光纤光栅折射率调制周期 •Pe为有效光弹系数 •为光纤的热膨胀系数 •为光纤的热光系数 •应变灵敏度系数（1-Pe） •温度灵敏度系数（＋）
FBG准分布式传感器测量原理图
si720光纤光栅传感分析仪 主要技术性能指标
(2)应变片的灵敏系数K是通过抽样测定得到的，因为应变片
粘贴到试件上以后，就不能取下再用，所以只能在每批产 品中提取一定比例（一般为5%）的应变片，测定灵敏系
数K值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就
是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”
(3)用应变片构成应变式传感器，如何将应变栅粘贴在 基片上是能否将其应用于测量的关键之一，因此对 粘合剂有苛刻的要求。常用的粘合剂为有机粘合剂， 如硝化纤维粘合剂，用于粘合纸质基底；酚醛类粘 合剂，常用于粘合酚醛胶膜玻璃纤维布、胶膜玻璃 纤维布等。粘贴必须遵循粘贴工艺，才有可能使应 变片正常工作
(4)由于应变片敏感栅是对温度变化敏感的材料，因此 选用时应注意温度的影响
电阻应变片的温度误差
温度误差产生的原因 • 一是由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，
应变片自身的电阻值发生变化 • 二是当电阻丝与试件材料的线膨胀系数不同时，温
度改变将引起附加变形，使应变片产生附加电阻
(1)温度系数产生的误差
测量（如FBG），甚至实现全分布式测量（如BOTDR） 宽频带、高速传输，易于系统集成
3.2.1 布拉格光纤光栅(FBG)
光纤光栅传感器现在已称为健康监测中应用最广泛的光 纤传感器，在整个光纤传感器市场中约占44%的份额， 是目前最有发展前途的光纤传感器之一
布拉格光纤光栅(FBG)传感原理
• 光纤光栅的中心波长与温度 和应变的关系
（4）测量范围和量程 • 量程可以用来表示其测量范围的大小，用其测量上
限值与下限值的代数差来表示 • 量程 = |测量上限值-测量下限值|
（5）迟滞
在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器 正、反行程的输出信号大小不相等的现象
产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘 等
y
被测量的变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是 严格的单值函数关系，最好是线性关系 ②稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随 时间和温度的变化而变化 ③灵敏度：满足工程要求 ④其他：如赖腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积和售价 等
（2）数据采集
数据采集在检测系统中的作用 • 对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转化成与
位移、振动、化学物质、放射体等多种要素进行测量 灵敏度高、动态范围大 耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，不受电磁干扰，能在较恶劣
的环境中使用，在易燃易爆等危险条件下也能保证安全工作 光纤体积小，易于表面和埋入式安装，且不会导致被测体的机
械性能和材料的变化 可以串连复用，用一根光纤连接多个传感单元，实现准分布式
二 测试技术基础知识
1 测试的一般知识
测试 • 将被测试值与同种性质的标准量进行比较，确定被测
试值对标准量的倍数
xnu
测试系统 • 传感器与测试仪表、变换装置等的有机结合
检测系统的组成
被测对象
信号存储
传感器 信号处理 数据采集 信号处理
信号输出
输入设备
信号显示
稳压电源
（1）传感器
检测系统对传感器的要求 ①准确性：传感器的输出信号必须准确地反映其输入量,即
当环境温度变化△t℃时，粘贴在试件表面的应变
片敏感栅材料的电阻温度系数为 0
敏感栅电阻丝电阻的变化值为 :
Rα R00t
式中
Rα ──温度为t℃时电阻丝电阻的变化值；
R0 ──温度为t0℃时的电阻值；
0 ──电阻丝的电阻温度系数，表示温度变化1℃时，
电阻的相对变化；
△t──温度变化值，△t =t－t0。
总的温度误差
可得由于温度变化而引起应变片总的电阻相对变化量为
R R 0 t R α R 0 R β0 t Kgs t t
式中── 电阻应变片的电阻温度系数
上式表明，因环境温度改变而引起的附加电阻的相对 变化量除与环境温度变化有关外，还与应变片自身的性 能参数以及被测试件线膨胀系数有关
③测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。 变形范围可从1％～2％
④适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以 及核辐射等恶劣环境下使用…………？
⑤便于多点测量、远距离测量和遥测
⑥价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可 以测量各种物理量
应变片的使用说明
(1)当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同 时, 如μ≠0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影 响，实际K值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算, 可能造成较大误差
dd ll ,或dlld
引入轴向相对变形（或称为应变） ，则有：
l l
R R ll s s 2 ( 1 2 )
或：
RR(12)
应变灵敏系数K
R K
R
金属材料的电阻的相对变 化与应变的关系
讨论： （1）应变的灵敏系数K受二个因素的影响：
R RK(12)
几何形状变化的影响
传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输 出信号的器件或装置
传感器功能：检测和转换
敏感元件：传感器中能直接感受（或响应）被测信息 （非电量）的元件
转换元件：指传感器中能将敏感元件的感受（或响应） 信息转换为电信号的部分
基本部分
弱
被测量
敏感元件
信 号 转换元件
信号调节与转换电路
输出
辅助电源 图1.2 传感器的组成
y
y
y
0
x
0
x
0
x
y
0
x
(a)理想线性
(b)只有偶次非线性项
(c)只有奇次非线性项
图3.1 线性度
(d)实际特性曲线
（2）灵敏度
传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化 的比值
y
y
Sn＝
y x
Sn
dy dx
0
x
0
x
(a) 线性测量系统
(b) 非线性测量系统
图3.3 灵敏度定义
（3）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称为分辨力 在输入零点附近的分辨力称为阈值
（4）信号显示
显示器是检测系统与人联系的主要环节之一,一般可分 为:
① 指示性显示,又称模拟式显示 ② 数字式显示 ③ 屏幕显示
（5）信号输出
检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送 显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给 监控计算机，可编程控制器(PLC)或其他智能化终端
已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：
F
d
L
R l
s
金属丝的原始长度 金属丝的原始横截面积
金属丝的原始电阻
金属丝的原始电阻率
例如当金属丝被拉伸了的了dL，截面积缩小了ds，而 电阻率变化了dp，则：
相对变化：dRddlds Rl s
或R ： Rll
s s
s
1dd2
4
1d2
4
2d
s
1d2
d
4
引入泊松 （ 比或称为横向变）形，系则数有
百分比
3 常用传感器的类型和工作原理
按传感器的构成进行分类：物性型和结构型 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、
速度、温度、压力传感器等 按传感器的输出量进行分类 ：模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型 按传感器的工作原理进行分类 ：应变式、电容式、电
YFS Hmax
t
Hmax YFS
100%
o x
图3.4 迟滞特性
（6）重复性
传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输 入－输出特性曲线一致的程度
y YFS
o
Rmax2
Rmax1
x 图3.5 重复性
（7）零漂和温漂 零漂 • 传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其
输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比 温漂 • 温度每升高一度，传感器输出值的最大偏差与满量程的
原理：在桥中设置一三角形障碍 物，利用汽车碍时的冲击对桥梁 进行激励，再通过应变片测量桥 梁动态变形，得到桥梁固有频率。
案例2：电子称
原理
将物品重量通过悬臂梁 转化结构变形再通过应变 片转化为电量输出
❖ 应变片的优点： ①测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测
1～2με，误差小于1％
②应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速 度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影 响。既可用于静态测量，又可用于动态测量
3.2 光纤传感器