土木工程实验技术总复习

1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（FundamentalDimension）：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（DerivedDimension）：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,…,xn，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,…,xn)=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)=027.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Sl，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SE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SP，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3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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%，4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20ff之间为通频带，2ff的频率成分极大地衰减；②高通滤波器ff1之间为通频带，1ff的频率成分极大地衰减；③带通滤波器21fff之间为通频带，其它的频率成分极大地衰减；④带阻滤波器21fff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,tA都是常数，如果一个测试装置，则有)()(00ttxAty，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)()(00XeAYjt。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()()AAt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：512oiRuuR当量桥臂各串联电阻应变片时，其电阻的相对变化量为22RRRR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oiRuuR。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。(1)请利用粘贴的四片应变片组成全桥（绘制电桥图），实现拉力F的测量。(2)若供桥电压为8V，应变片R1和R3产生应变为150με（1με＝1×10-6），问电桥输出电压是多少？(8分)R1R2R3R4FF解：)(4)(411114321KeKeeiiomVVKeKeii872.1)3.01(101504.228)1(2)11(4611mVVKeKeii872.1)3.01(101504.228)1(2)11(461115．根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻滤波器。下图为这些滤波器的幅频特性，请分别标注出来。并列出4个实际滤波器的主要特征参数。0ffc20ffc1)(fAffc1fc2ffc1fc2111100)(fA)(fA)(fA(a)带通(b)高通(c)带阻(d)低通主要特征参数（任选4个）：(1)截止频率；(2)带宽；(3)纹波幅度；(4)品质因子；(5)倍频程选择性；(6)滤波器因数16.什么是数字信号处理？答：数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换等），达到提取有用信息便于应用的目的。617.什么是混叠？如何避免混叠的发生？答：对连续信号进行等间隔采样时，如果不能满足采样定理，采样后信号的频率就会重叠，即高于采样频率一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号。这种频谱的重叠导致的失真称为混叠，而重建出来的信号称为原信号的混叠替身，因为这两个信号有同样的样本值。避