土木工程实验技术总复习

土木工程实验技术总复习一、模型试验理论与技术二、动态测试与分析技术、结构健康监测技术三、结构风洞实验四、结构无损检测技术五、岩土工程（基坑、桩基）检测技术一、模型试验理论与技术1. 简述模型试验的特点及应用范围。

答：特点：1）经济性好；2）针对性强；3）数据准确。

应用范围：1）代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验；2）作为结构分析计算的辅助手段；3）验证和发展结构设计理论2. 什么是量纲？量纲和单位有什么不同？答：单位（Unit）：量度各种物理量数值大小的标准量，称单位。

如长度单位为m或cm等。

——“量”的表征。

量纲（Dimension）：撇开单位的大小，表征物理量的性质和类别。

如长度量纲为[L]。

——“质”的表征。

3. 什么是基本量纲？什么是导出量纲？答：基本量纲（Fundamental Dimension）：具有独立性的，不能由其他量纲推导出来的量纲叫做基本量纲。

质量系统：取质量M，长度L、时间T、即[M- L-T]为基本量纲体系。

绝对系统：取力F，长度L、时间T、即[F- L-T]为基本量纲体系。

导出量纲（Derived Dimension）：是指由基本量纲导出的量纲。

4. 什么是无量纲量？无量纲量有何特点？答：无量纲量可由两个具有相同量纲的物理量相比得到；可由几个有量纲物理量乘除组合，使组合量的量纲指数为零得到。

特点：(1)无量纲量的大小与所选单位无关，具有客观性；(2)不受运动规模的影响，模型与原型常用同一无量纲数；(3)在超越函数（对数、指数、三角函数）运算中，均应用无量纲量。

5. 什么是量纲和谐原理？试述量纲和谐原理的重要性。

答：凡是正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲都必须是一致的，即只有方程两边量纲相同，方程才能成立。

这称为量纲和谐原理。

量纲和谐原理的重要性体现在：a、一个方程在量纲上应是和谐的，所以可用来检验物理方程或经验公式的正确性和完整性。

b、根据量纲和谐原理可用来确定公式中物理量的指数。

c、可用来建立物理方程式的结构形式。

为科学地组织实验过程、整理实验成果提供理论指导。

6. 什么是第二相似定理（π定理）答：在设一个物理现象中，共有n个物理量x1, x2, x3,…, x n，其中有m个为基本物理量（其量纲是相互独立的），则该现象的n个物理量之间的物理方程式f(x1, x2, x3,…, x n)=0，也可以用这些物理量组合的（n-m）个相似准则π1，π2，…，πn-m之间的函数关系来表示：g (π1, π2, …, πn-m)=07. 试分析用方程式分析法导出相似准则的优缺点。

答：优点：①结构严密，能反映对现象来说最为本质的物理定律，故结论可靠。

②分析过程程序明确，不易出错。

③各种因素的影响地位一览无遗，有利推断、比较和检验。

缺点：在方程尚处于建立阶段时，需要人们对现象的机理有深入的认识。

求解方程有时难以得到完整解。

8. 试分析用量纲分析法导出相似准则的特点。

答：量纲分析法是在研究现象相似性问题的过程中，对各种物理量的量纲进行考察时产生的。

它的理论基础是量纲的齐次原理。

量纲分析法的优点：对于一切机理尚未彻底弄清，规律也未充分掌握的复杂现象来说，尤其明显。

它能帮助人员迅速通过相似性实验核定所选参量的正确性，并在此基础上不断加深人们对现象机理和规律的认识。

当所研究的物理现象较为复杂时，要通过量纲方程来说明问题就很困难，往往会遗漏、错选与现象有关的主要参量。

这就要求人们通过实践不断摸索，抓住主要参量，得出近似的结果，即“近似模拟”。

9. 试述结构模型试验中相似理论的主要内容。

答：1）按实际可能与试验条件，随意确定几何尺寸的相似常数S l，模型的所有集合尺寸全部按此相似常数确定，称为几何相似。

2)按模型材料可得模型材料的弹性模量及波桑比，可确定出弹性模量的相似常数S E及波桑比的相似常数Sμ，称为材料相似。

3)在相似判据方程式中，一些相似常数决定后，还会有其它相似常数，可随意选取其中一些值，最后按式计算出另外的相似常数。

可取S P，即荷载的比例，称为荷载相似。

4)模型与原型结构对应部分的质量成比例，即为质量相似。

5）模型与原型的各相应点的应力应变、刚度和变形间的关系相似，即为物理相似。

6）对于结构动力问题，在随时间变化的过程中，要求结构模型和原型在对应的时刻进行比较，要求相对应的时间成比例。

即为时间相似。

10.掌握用量纲分析法导出相似准则。

二、动态测试与分析技术、结构健康监测技术1. 简述传感器的定义与组成，以及传感器主要类型（按变换原是进行分类）。

答：定义：一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

组成：敏感元件、转换元件和测试电路组成。

敏感元件是指能直接感受被测量的，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件；转换元件则将非电量转换成电参量，敏感元件的输出就是它的输入；测试电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量。

按变换原理进行分类，可分为：电阻式、电容式、差动变压器式、光电式等。

2．什么是传感器的静态特性、动态特性？答：静态特性和动态特性可用来表征一个传感器性能的优劣。

静态特性是指当被测量的各个值处于稳定状态（静态测量下）时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。

动态特性是指被测量随时间变化时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。

3.什么是压电效应？它的应用？答：有些电介质晶体材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生极化，并导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例，若外力取消时，它们又会回到不带电状态，这种由外力作用而激起晶体表面荷电的现象称为压电效应。

应用: 因其具有频响范围宽、响应速度快、密实度大、精确度高、良好的线性行为等优点得到了研究者们的青睐。

具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能,已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能,在土木工程结构中可作为传感器和驱动器。

4. 什么是正压电效应？定义：当对压电材料施加机械变形时，剩余极化强度将因材料的变形而发生变化，引起材料内部正负电荷中心发生相对移动产生电极化，从而导致材料两个表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比。

正压电效应：反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。

检测出压电元件上电荷的变化，即可得知压电元件处的变形量，利用压电材料的正压电效应，可将其制成结构振动控制或结构健康监测中的智能传感器。

5. 什么是负压电效应？定义：当在压电材料两表面上通以电压，所有晶粒极化方向趋于电场方向，造成压电元件内部正负电荷中心的相对位移，导致压电材料的变形，逆压电效应：反映了压电材料具有将电能转变为机械能的能力。

利用压电材料的逆压电效应，可将其制成结构振动控制中的智能驱动器。

6. 什么是应变片灵敏系数？答：应变片灵敏系数：单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之比值。

7. 常用传感器的工作原理。

答：常用的传感器有①差动电阻式传感器——仪器受力变形，钢丝电阻产生差动变化，一根受拉，电阻增加，一根受压，电阻减少，两个钢丝的串联电阻不变而电阻比R1/R2发生变化，得到钢丝电阻比值，就得到仪器的变形或应力；温度改变时，钢丝电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻都减少。

获得钢丝的串联电阻，就可求得仪器测点位置的温度。

②钢弦频率式传感器——利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测各种物理量。

③电感式传感器——根据电磁感应原理，利用线圈电感的变化来实现非电量电测。

它把被测量转换为电感量变化的一种装置。

④电阻应变片式传感器——将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。

8. 何为系统不失真测试条件？根据右图所示二阶系统的幅频特性和相频特性曲线，说明如何选择二阶系统动态特性参数及工作频带？答：动态测试的不失真测量条件：1）系统的幅频特性A(ω)在x (t)的频谱范围内为一常数；2）系统的相频特性φ(ω)是经过原点的直线。

对于一个二阶系统来说，在3.0/0<ωω的范围内，系统的幅频特性接近一条直线，其幅值变化不超过10%，但从相频曲线上看，曲线随阻尼比的不同剧烈变化。

其中当ξ接近于零时相位为零，此时可以认为是不失真的。

而当ξ在0.6~0.8范围内时，相频曲线可以近似认为是一条起自坐标系原点的斜线。

9. 下面四个图分别是哪一种滤波器的幅频曲线特性图，并说明各自的工作特征。

答：①低通滤波器 20f f <<之间为通频带，2f f >的频率成分极大地衰减；②高通滤波器 ∞<<f f 1之间为通频带，1f f <的频率成分极大地衰减；③带通滤波器 21f f f <<之间为通频带，其它的频率成分极大地衰减；④带阻滤波器 21f f f <<之间为阻带频率，其它的频率成分通频带。

10. 电器式传感器包括哪几种，各自的工作原理如何？答：包括电阻式、电感式、电容式三种。

电阻式传感器工作原理：把被测量转换为电阻变化的一种装置；电感式传感器工作原理：把被测量如位移转换为电感量变化的一种装置；电容式传感器工作原理：把被测物理量转换为电容量变化的一种装置。

11. 简述热电式传感器的基本原理。

答：利用某些金属导体的电阻率随温度变化而变化的特性，制成各种热电阻传感器，用来测量温度，达到将温度转换成电量变化的目的。

12.什么是不失真测试，不失真测试的条件是什么？答：若00,t A 都是常数，如果一个测试装置，则有)()(00t t x A t y -=，即认为该测试装置实现了不失真测量。

这表明，输出信号较输入信号，幅值放大了0A 倍，时间上滞后了0t ，波形一致。

对上式作傅里叶变换，有)()(00ωωωX e A Y jt -=。

所以，若要实现输出波形不失真，其幅频、相频特性应满足如下条件00()()A A t ωωω===-常数；。

13. 有人在使用电阻应变片时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵敏度。

试问，在半桥上各串联一片的情况下，是否可以提高灵敏度？为什么？答：不能提高灵敏度。

因为半桥双臂时，其输出电压为：12o i R u u R∆=当量桥臂各串联电阻应变片时，其电阻的相对变化量为22R R R R ∆∆= 即仍然没有发生变化，故灵敏度不变。

要提高灵敏度只能将双臂电桥改为全桥连接。

这时o i R u u R ∆=。

14．某等截面梁（泊松比为0.3）受单向拉力F 作用，将灵敏系数为2.4的四个应变片粘贴在梁上，如下图所示。