聲速測量實驗范文
時間：2023-03-15 15:14:41
導語：如何才能寫好一篇聲速測量實驗，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
關鍵詞：聲速測量；駐波法；相位比較法；數據處理；Origin軟件；擬合直線
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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，易于定向發射等特點，使得在超聲波段測量聲速比較方便。實際應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：第一類方法是根據關系式V=l/t，測出傳播距離l和所需時間t后，即可計算出聲速；第二類方法是利用關系式V=λf，測出其波長λ和頻率f也可計算出聲速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、頻率的關系測量聲速。
2 實驗原理
2.1 駐波法
實驗裝置如圖1所示，從發射換能器S1發出一定頻率的平面波，經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，一部分向發射換能器方向反射。如果換能器的接收平面和發射平面平行，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稱為波腹，振幅最小的點稱為波腹。由于聲波傳播過程中出現能量損耗，兩列波形成的駐波并非理想駐波，但相鄰波腹（或波節）之間的距離剛好等于半波長的整數倍，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）式計算出聲速[8]。
2.2 相位比較法
波是振動狀態的傳播，也可以說是相位的傳播。聲波在傳播過程中各個點的相位是不同的，當發射端與接收端的距離發生變化，入射波和反射波的相位差也變化[9]。將發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。
實驗時改變S1、S2之間的距離l，相當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S1和S2之間的距離變化剛好等于一個波長λ時，則發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。實際上，從任何一個狀態開始觀察，只要李薩如圖形復原，S2移動的距離就為一個波長，但為了取得較為準確的實驗結果，實驗時以李薩如圖形變為直線時為記錄點。只要準確觀察記錄相位差變化一個周期時S2移動的距離，即可得出其對應聲波的波長λ，即可利用公式（1）計算出聲速V[10-14]。
2.3 空氣中聲速的理論值
空氣中的聲速與環境溫度和濕度有關，若只考慮溫度的影響，聲速的理論計算式為：
其中t為環境溫度，采用攝氏溫標，T0=273.15K，V0為0℃時的聲速，對于空氣介質V0=331.45m/s。根據（2）式可計算出t℃時空氣中聲速的理論值。
3 數據原始記錄
根據前述實驗原理，聲速測量時首先要測量環境溫度t，本次實驗的環境溫度t=13.2℃。其次是測試系統的最佳工作頻率，如表1所示。用駐波法測聲速時，調節S1、S2之間的距離，使干涉波形的振幅達到極大值，記錄此時數顯尺的讀數l1，然后同方向移動S2，依次記錄振幅極大值時數顯尺的讀數l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比較法測聲速時，調節S1、S2之間的距離，使李薩如圖形出現一、三象限斜直線，記錄此時數顯尺的讀數l1，然后同方向移動S2，每出現5次一、三象限斜直線時記錄一次數顯尺讀數，分別記為l2、l3、……、l6，如表3所示，這樣兩個相鄰數據之間的差值為5個波長的長度。
4 數據處理及分析
4.1 空氣中聲速理論值
環境溫度為13.2℃時，聲速的理論值：
=339.364m/s
4.2 駐波法
設擬合直線方程為y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打開Origin軟件后，界面上會出現兩列空白數據表格A（X）、B（Y），分別輸入1～12和l1～l12的值，以i為橫坐標，li為縱坐標，利用Origin進行線性擬合，擬合直線如圖1所示，擬合報告如表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具有嚴格的線性關系，這也可以從擬合報告中看出，因為關聯系數r=0.99999，非常接近于1，所以理論曲線接近于直線。擬合報告中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，在數據表格A（X）、B（Y）中分別輸入1～6和l1～l6，以i為橫坐標，li作為縱坐標，利用Origin進行線性擬合，擬合直線如圖2所示，擬合報告如表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，因為二者的關聯系數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果。擬合報告中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 結束語
本文利用Origin軟件對聲速測量的實驗數據進行了處理，從結果上來看，駐波法和相位比較法測聲速在直線擬合時效果都較好，因為二者的關聯系數r一樣，所以兩種方法測得的實驗數據都具有良好的線性關系。但兩種方法測得聲速實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勢。但也可能是數據間隔較大引起的，駐波法的數據間隔是半波長，相位比較法的是5個波長，這點有待筆者進一步證明。
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篇2
關鍵詞: 空氣中聲速測量方法 改進 注意點 優點
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,然后根據公式v=s/t計算出聲速;另一種方法是測量聲波的頻率f和波長λ,然后根據公式v=λf計算出聲速。
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、信號發生器等專業工具,且后期的分析處理較為復雜。所以在初中物理學中聲速的具體測量方案都是基于前一種方法設計的。教材中普遍使用了發令槍測聲速,即一名同學持發令槍在起點發令,另一名同學在終點測出看到發令槍冒煙和聽到槍聲間的時間間隔t,再根據公式v=s/t算出空氣中聲速。
在實際教學中,我們基于前一種測量原理,進行了各種聲速測量嘗試,找到一種較為準確且簡單的測量方法:利用摩托車測量法。
二、改進后的空氣中聲速測量方法
1.實驗原理
v=s/t。
2.實驗器材
摩托車(豪爵海王星)、卷尺、秒表(電子式)。
3.實驗方案
首先用卷尺測出合適的直線距離s,在該直線距離的起點放置一輛摩托車,并將摩托車頭部正對直線距離終點的同學乙,起點同學甲使得摩托車喇叭和頭部車大燈(頭燈)同時工作,終點的乙同學自看到摩托車車燈亮起時開始用秒表計時,待聽到摩托車喇叭聲時停止計時,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v=s/t計算出空氣中的聲速。
為了解決傳統發令槍測聲速中距離難把握的問題,我們在實驗中采取從聲源(摩托車喇叭)逐漸遠離的方法進行了對比,在確保能較清晰地聽到聲源發出聲音的前提下,通過多次比較發現距離在600m左右為最佳,大大減小了人的反應時間對測量結果的影響。
4.實驗數據及處理
在多次對比實驗的基礎上了最終確定了直線距離為s=612m,并測量出了18組數據。根據公式v=s/t我們分別算出18次實驗中的聲速,如表1所示。
根據多次測量取平均的方法,根據18次所測得聲速求得所測聲速為v=327.8m/s。
同學甲將起點摩托車移至終點位置,而乙同學移至起點,重復實驗,再測出18數據。根據公式v=s/t,我們分別算出了18次實驗中的聲速,如表2所示。
根據多次測量取平均的方法,根據18次所測得的聲速可求得所測聲速為v=321.5m/s。
5.實驗思考
為什么兩次實驗結果有較大的差異?
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組數據是順風測量的,而后18組數據是逆風測量(風向為西北風),風速影響了聲速。
三、實驗注意點
綜合多次實際測量操作,在具體實驗時我們需要注意以下幾點。
1.所選摩托車的車頭大燈亮度較亮,摩托車喇叭聲音較響。
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,在實際實驗中可采取從聲源處逐漸遠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.盡量選擇無風或風速較小時進行實驗,以減小風速對聲速的影響。
5.為防止環境噪聲的影響,可選擇晚上進行實驗,而且可增加對車燈的可視度,提高實驗的精確度。
6.在具體實驗前,甲乙同學應進行多次練習,熟練配合,實驗時應該進行多次實驗,確保實驗測量的準確性。
四、實驗方案優點
該方案原理簡單,所用器材簡單常見,無需專業測量儀器,操作簡單,可行性較強,適宜所有中學使用。更重要的是在夜晚漆黑安靜環境中操作實驗,摩托車車燈的視覺效果和摩托車喇叭聲音的聽覺效果較好,實驗中聲音傳播距離較長,最大限度地減小人的反應時間的影響,測量結果較精確。
參考文獻:
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篇3
關鍵詞：超聲波 介質 能量 衰減
中圖分類號：TE254 文獻標識碼：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，在一定的溫度下經極化處理后，具有壓電效應。當發射端的壓電陶瓷固有頻率等于信號發生器的發射頻率時，將產生共振，發射端產生超聲波。并且向前傳播。當超聲波傳到接收端時，壓電陶瓷也將產生共振，在經過轉化電路把壓電陶瓷的機械能轉化為電信號傳給示波器，可以將信號發生器的脈沖信號表示成： （1）
當壓電陶瓷換能器發射端的超聲波經過介質傳到接收器，并且發射器探頭與接收器探頭平行時，在接收器與發射器之間，入射波與反射波相干疊加，當放入介質的時候峰-峰值會隨著探頭的距離變化而發生變化。
2 利用極大值法測量
2.1 超聲波在紙張里的能量衰減
測量數據如表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）。
根據表1數據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
測量數據如表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）。
根據表2數據，得出超聲波在布料中的能量衰減曲線如圖2所示。
3 超聲波在介質中傳播能量損失的原因分析
通過對超聲波能量在介質中的損失研究表明，損失主要由以下幾個原因造成。
3.1 吸收損耗
由于超聲波在介質中傳播時介質非理想，不均勻，使物質內部的分子之間相互運動，導致超聲波能量被介質吸收而轉化為熱能。超聲波的能量衰減程度會隨著物質的致密性增加而增加。
3.2 擴散損耗
超聲波在傳輸過程中波陣面不斷擴大，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，表現為聲強的衰減，所以超聲波的能量隨著超聲波在物質中的傳播距離的增加而減弱。隨著距離的衰減而加強。
3.3 散射損耗
超聲波在傳播過程中，遇到不同介質時，將發生散射，從而損失超聲波的能量，散射主要發生在介質的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不規則，在傾斜的界面上發生反射、折射等，導致能量損耗。
4 超聲波在紙張和布料不同介質中的能量衰減對比圖
圖3中測量點為“”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）已經將同樣大小的超聲波，差不多已損失殆盡，而另一測量點為“■”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，兩種介質對超聲波的衰減趨勢將變得緩慢。
在研究中通過對數據的分析發現超聲波在不同的介質中能量的衰減變化不相同，超聲波會隨著材料的材質，還有物質的厚度發生變化，并且會有超聲波次極大值的出現，在超聲波測量當中要嚴格地把握材料的相似性。有些沒有辦法避免的因素，應該用控制變量的方法，得出每一個影響超聲波能量的因素。
超聲波在介質傳播過程中，伴隨著介質形變、壓縮、溫度升高等一些現象，并且在介質內部產生內摩擦，使得超聲波的能量減弱，通過實驗發現，超聲波在不同的物質中，它的衰減程度不相同，在均勻致密的物質衰減的程度遠遠大于在不均勻稀疏的物質，這其中吸收損耗占主要作用，但是隨著介質厚度的增加，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散損耗，當介質的厚度到達一定程度，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。所以超聲波在介質中的能量損失是有幾種損失共同作用的結果，隨著材料的不同、結構的不同，發生著變化。
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篇4
將超聲波液位計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行測量，并將數據經Zigbee發送模塊傳輸到安裝在駕駛室內的接收模塊，最后將數據通過顯示模塊12864或者1602進行顯示，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驗來對水位進行判斷。
超聲波模塊共3個，圖2是超聲波模塊2發射電路原理圖。OUTPUT_2輸出的40kHz方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后進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射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上拉電阻，除了可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，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。實驗證明用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。根據測量范圍要求不同可適當調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發送和接收模塊
圖4是傳感器終端無線發送和接
圖1 系統構成
片機相應輸入捕捉通道計算從發射到接收的時間t，聲速便可以得出。由于補償聲波與測量聲波傳播途徑所處環境極為相似，所受到環境影響也基本一致，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造成的延時。在實際系統中，我們可以用下面的方法來對這個固定的延時時間Δt來進行修正。設S1、S2為兩個已知固定距離，t1、t2分別為對應這兩個固定距離采集的回聲值(內含Δt因素)，則超聲波在S1、S2距離內往返傳播所用的時間實際上分別為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射器直接傳送到接收器引起直射波造成的影響系統需延時0.1ms。因此最后得出的等式應為：
L=C×(T-Δt-0.1ms)/2 (7) Zigbee水箱液位設計
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延時時間；Vt為聲速校準補償法得到的聲速。
最終得到液位數據Report_Data為：
If (counterfag= =5) { Report_Data= (value_0+value_1+value_2)/3;counter fag=0;}
現實中該值多次測量后與實際值進行比較，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]，這樣根據擬合等式得出的位置
篇5
關鍵詞：中國先進研究堆 反應堆廠房通風系統 風量測量 技術改進 皮托管風速變送器
中圖分類號：TL36 文獻標識碼：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
中國先進研究堆（CARR）是由我國自主設計、建造的多用途研究性反應堆，設計核功率60 MW。目前，CARR處于調試試運行階段，正在進行運行許可證的申請工作。
CARR通風空調系統是CARR反應堆系統中重要的組成部分，用以減少放射性物質向周圍環境的泄露，排出機械、電氣設備及管道散發的熱量及維持工作場所的溫濕度在合理范圍內。CARR通風系統運行時，要求各工藝間排風量略高于送風量，工藝間壓差30±10Pa，防止放射性氣體在各工藝間擴散。
CARR通風空調系統調試完成并投入運行今以來，計算機集散控制系統（DCS）的通風系統送、排風風量指示偏差越來越大，尤其是反應堆廠房通風系統，普遍風量指示過大或過小，已不能實際反映運行狀況。于是決定查找原因進行整改。
1 原風速變送器檢查
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系統風速變送器進行檢查。
原風速變送器為熱線式風速變送器，探桿及上面的探頭粘上一層灰黑色灰塵，探桿有一定彎曲，可能是送風溫度有時較高所致。具體狀況見圖1所示。
熱線式風速變送器是一種以熱線為探頭的流速測量儀器，由探頭、信號和數據處理系統構成。熱線式風速變送器探頭―熱敏電阻極易沉積灰塵，最終使風速變送器失效。
在檢查其他的風速變送器時，也發現有的風速變送器安裝位置不當、變送器探桿過短，導致不能反映實際風量的問題。
鑒于熱線式風速變送器不適合CARR實際運行狀況，影響反應堆正常運行，決定選用新形式的風速變送器。
2 新風速變送器選擇
2.1 常見的風速測量技術
依據測量原理不同，目前市場應用常見的風速測量技術有：機械式風速測量、皮托管式（差壓式）風速測量、熱敏式風速測量、激光多普勒式風速測量和超聲波式測量。
2.1.1 熱敏式風速測量
熱敏式風速測量技術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、信號和數據處理系統構成。熱敏感元件按結構分為熱線、熱球和熱膜3種，均由電阻值隨溫度變化的熱敏材料構成。市場應用較多的是熱線式風速測量儀表，目前CARR使用的就是熱線式風速變送器。
2.1.2 機械式風速測量
機械式風速變送器主要有葉輪式和風杯式兩種，一般應用于氣象環境監測和管道風速測量?；驹硎橇鲃託怏w帶動葉輪或風杯旋轉，其轉速與風速呈一定的關系，通過測量旋轉速度來測量風速大小。
機械式風速變送器的結構簡單、使用方便，而且對環境適應性強。機械式風速變送器適用于中低段平均風速的測量。葉輪式風速儀廣泛應用于通風現場送排風口風量測量。
2.1.3 皮托管式風速測量
皮托管式（差壓式）風速測量的方法為一種間接測算法，通過皮托管和差壓計聯合測定出風速。實際測量時，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，然后通過風速與動差的關系式求算出相應的風速值。
皮托管測量構造簡單，安裝方便，測量時也不受氣體紊流的影響，維護方便；流動阻力小，可測速度分布；低風速段測量響應迅速，對粉塵環境有較強的適應性。缺點：標準皮托管管口較小，濕度及粉塵較大的環境中管口容易堵塞；標準皮托管安裝角度對精度有一定的影響。
2.1.4 激光多普勒式風速測量
激光多普勒測速技術（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動的微粒上，檢測微粒散射光的頻率，根據光學多普勒效應確定微粒即流體的運動速度。
激光多普勒風速儀價格較為昂貴，目前還未普及。
2.1.5 超聲波式風速測量
超聲風速儀根據測量方法不同，分為超聲速差測風儀和超聲渦街測風儀。
超聲波風速測量技術優點是測量范圍廣，精度高，缺點是長期穩定性不佳，價格較高。
2.2 風速變送器最終選定
針對CARR通風系統實際運行狀況，需要一種能適應一定的灰塵環境，安裝更換方便，而且信號輸出穩定的風速變送器。經過調查比較，確定選用皮托管式風速變送器進行安裝試驗驗證（見表1）。
2.3 廠家定制
通風系統矩形或圓形管道中，風速的分布是中心高，四周逐漸降低。風速變送器探桿的長度要根據管道尺寸進行適當調整。探桿取壓點位于管道截面寬（長）度或直徑的約1/3處。標準長度的風速變送器并不適合所有尺寸的通風管道。
變送器探桿長度根據以下公式計算：L=1/3D+M+Z
式中：D為通風管道直徑，單位：mm。M為探桿裕量，根據實際需要確定，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CARR反應堆廠房通風系統管道實際情況，確定的一些技術參數，表中風速量程及相應尺寸探桿要求廠家依此定制。
技術要求：（1）廠方設計探桿首個探孔位置應在管道進深的1/3處。（2）表頭必須有數據清零按鈕。（3）風速變送器電源，交流24 V或交、直流24 V通用型。（4）直流4～20 mA信號輸出。
3 皮托管風速變送器安裝調試
3.1 前提條件
（1）皮托管風速變送器做校準試驗，出具校準證書。
（2）安裝前再次檢查風速變送器零點是否合格。方法是：用塑料袋將風速變送器探桿包嚴，以免環境微風影響，然后通電測零點電流，4 mA±3%為合格。
3.2 安裝步驟
（1）停止反應堆廠房所有風機，相應風閥關閉。
（2）按照風速變送器的安裝要求檢查反應堆廠房通風系統原風速變送器安裝位置。較為理想安裝位置應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。風速變送器不能安裝在彎管或變徑處。
（3）拆除原風速變送器，安裝皮托管風速變送器套管頭，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輸出電流，4 mA±3%為合格。
3.3 風量實測
遵循的原則是：用風速儀實測反應堆廠房各通風子系統中各個工藝間風口風量，再把各個工藝間風口風量累加得出此通風系統送風量或排風量實際值；然后調整皮托管風速變送器探桿進深，使其風量輸出值大致等于實測值。
3.3.1 風量實測方法
使用葉輪式風速儀，根據CARR反應堆廠房通風系統中各工藝間送排風口截面積大小不同，采用9點法或5點法測風口風速。
風口平均速度： （1）
式中：為風口平均風速，單位：m/s；
為各測點風速，單位：m/s；
n為測點數量。
風口風量按下式計算：
風口風量： （2）
式中：Q為風口風量，單位：m3/h 。
F為風口通風面積，單位：m2；為風口平均風速，單位：m/s。
風量測量操作步驟如下：
（1）啟動CARR反應堆廠房通風系統所有送風機、排風機A，調整好各樓層工藝間壓差，關閉工藝間房門。
（2）記錄風機電壓、電流，記錄送風機初效過濾器壓差、中效過濾器壓差；記錄排風機預過濾器壓差、高效過濾器壓差；記錄送風溫度、濕度、風壓，記錄排風溫度、濕度、風壓。
（3）用風速儀測風口平均風速，計算各風口風量，將某通風子系統送、排風風口風量累加即得相應通風子系統的送、排風實際量。
（4）根據實測風量，計算調整新更換皮托管風速變送器輸出電流。風速變送器輸出電流推導如下：
風速： （3）
式中：V為通風管道中的風速，單位：m/s；IO為皮托管風速變送器輸出電流，單位：mA；L為皮托管風速變送器量程，單位：m/s。
風量：FV （4）
式中：Q為通風子系統送、排風量，單位：m3/h；F為總送、排風管道截面積，單位：m2。
根據（3）式、（4）式得出：IO （5）
調節風速變送器探桿的進深，現場實測輸出電流，使其等于計算的輸出電流IO，即使風量大致等于實測風量，并用紅色油漆標示探桿進深位置，以備下次更換參照。
（5）修改主控室DCS通風系統IFIX組態軟件中風量計算公式，風量按（4）式計算。
（6）停止送風機、排風機A。再啟動送風機、排風機B，調01子項各樓層工藝間壓差匹配，按（2）、（3）步驟實測反應堆廠房各通風子系統送排風量，與主控室DCS通風系統計算機顯示值對比，驗證新安裝的皮托管風速變送器輸出的準確性。
3.3.2 風量實測實例
以物理實驗大廳排風系統為例。01物理實驗大廳排風系統有2臺排風機，即A、B排風機，對應1臺高效過濾裝置。01物理實驗大廳有6個排風口，A排風機運行時，排風量實測、計算見表2。
根據實測總排風量計算風速變送器輸出電流：
Io=z16×11679/（3600×0.7×0.45×15）4{≈14.98mA
調整排風總管道新更換皮托管風速變送器探桿的進深，現場實測輸出電流，使輸出電流約為14.98 mA。更改主控室DCS通風系統IFIX組態軟件中風量計算公式，風量按（4）式計算。
Q=（A×B）×C
式中：A為PLC接收模擬信號轉換的風速值；B為風管截面積，對于01物理實驗大廳排風系統，管道截面積為0.3969m2。C為系數，等于3600。
修改后，檢查計算機顯示值與實測風量值比較，偏差≤5%為合格。
4 運行評價
反應堆廠房通風系統風量測量技術改進工作從2015年4月開始一直持續到2015年12月，新更換了9只定制的皮托管式風速變送器。
以表3是技術改進后，記錄的反應堆廠房通風系統計算機顯示值與實測值的對比表。（說明：實測風量符合設計風量）
（1）從表3可以看出，DCS系統計算機反應堆廠房通風系統風量顯示數據與實測值比較較為準確，偏差小于5%，經過數月的運行考驗，數據顯示基本穩定，基本能夠如實反映通風系統運行狀況，說明新安裝的皮托管風速變送器是適用的。
（2）風速變送器探桿安裝位置調試完成后用紅漆標示，下次更換時依此確定新風速變送器（需是按表1定制的）的位置，這樣省去了繁瑣的風量實測工作。
（3）皮托管風速變送器維護方便，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，即可繼續使用。
5 結語
中國先進研究堆通風空調系統是保證核反應堆安全運行的重要系統，反應堆廠房通風系統風量測量問題的解決，有效保證了反應堆廠房通風系統正常運行，保障了反應堆的安全運行。另外，這次技改積累的一些安裝調試的成功經驗，對后續其它通風系統風量測量改進，也具有益的借鑒意義。
參考文獻
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篇6
關鍵詞：煤層氣；測井技術；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文獻標識碼：A文章編號：2095-2104（2012）
1 煤層氣測井現狀
目前用于煤層氣測井的主要設備有美國蒙特系列Ⅲ數字測井儀、渭南煤礦專用設備廠 TYSC 型和北京中地英捷物探儀器研究所 PSJ-2 型數字測井儀系統。 煤層氣裸眼井常測的參數有自然伽瑪、長短源距人工伽瑪、自然電位、雙側向、雙井徑、聲波、補償中子、井溫、井斜等，而固井質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，密度三側向測井、聲速和補償中子測井會存在較大誤差。另外《煤層氣測井作業規程》是單一企業標準，其中有些規定在實際執行過程中存在諸多問題，需在實踐中進行修正。①早先國內各大石油勘探局（公司）憑著技術、儀器設備的優勢和固井、射孔、壓裂方面的能力，率先進入煤層氣測井市場，測井項目、測井參數、報告格式均按照石油測井模式進行。 現行的唯一一個煤層氣測井規程--《煤層氣測井作業規程》（中聯煤層氣有限責任公司企業標準 Q/CUCBM 0401-2002）基本照搬了石油測井的標準。 測井儀器系統有 CSU-D、SKD-3000、SKH-2000、SKN-3000 等等。②隨著煤層氣測井市場的不斷擴大， 許多煤田
勘探測井隊伍進入煤層氣測井市場， 測井儀器設備主要有美國蒙特系列Ⅲ數字測井儀、 渭南煤礦專用設備廠的 TYSC 型和北京中地英捷物探儀器研究所的 PSJ-2 型數字測井儀系統。
2 煤層氣測井儀器對比分析
①石油測井儀器設備具有組合化程度高、 可測參數多等優點，如感應測井、地層產狀測井、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數字測井系統方法儀器多，配備有中子、全波列、產狀儀等，基本可以滿足煤層氣測井參數要求； 渭南煤礦專用設備廠的 TYSC 型數字測井儀需要另外配備其它儀器廠的補償中子、雙側向、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。 這些煤田測井儀器設備均具有輕便靈活的特點， 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 測井地質成果
煤層氣測井的主要地質任務為：
①劃分鉆井巖性，進行巖性分析；
②確定煤層的深度、厚度及其結構；
③進行煤質分析， 計算目的煤層的固定碳、灰分、水分及揮發份，計算目的煤層的含氣量；
④進行含水性、滲透性分析；
⑤測量鉆井的井斜角和方位角，計算鉆孔歪斜情況；
⑥測量井溫，了解儲層溫度；
⑦檢查固井質量，評價水泥環的膠結情況等。
對于鉆井巖性的劃分和煤層深度、厚度及其結構的確定，可以說是煤田測井儀器的強項，其較高的儀器分辨率可以劃分煤層中 10cm 左右的夾矸，井溫、井斜測量也可以進行連續測量。在煤質分析、碳、灰、水及含氣量計算中，其關鍵是選擇計算參數。在一個地區實施煤層氣測井，要盡量收集目的煤層的各項實驗室指標， 并將其與測井的各項參數進行對比，找出相關關系，以便使測井計算出的煤層各項指標更客觀、更接近實際。
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出機理不同，顯然不能用石油測井的理念來解決煤層氣儲層問題。
4 實測效果
利用北京中地英捷物探儀器研究所生產的PSJ-2 型數字測井儀系統對河南焦作地區煤層氣試驗井實施測井，其裸眼井所測參數有自然伽瑪、長短源距人工伽瑪、自然電位、雙側向、雙井徑、聲波、補償中子、井溫、井斜等，固井質量檢查測井參數有自然伽瑪、聲幅、聲波變密度和磁定位等。對所測曲線進行檢查， 其單條曲線質量均達到《煤層氣測井作業規程》（中聯煤層氣有限責任公司企業標準 Q/CUCBM 0401-2002）的優質標準和中華人民共和國地質礦產行業標準 《煤田地球物理測井規范》（DZ/T0080-93）甲級標準。
在測井現場提交監視曲線圖和煤層、井徑、井斜解釋成果。根據測井所取得的參數曲線，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，發現鉆探打丟煤層 4 層，其中有一層達到 1.4m 厚，若通過勘探確定該煤層連續穩定，具有很好的開發利用價值。
按測井設計要求計算了鉆井的全角變化率，并給出歪斜方位和偏移距。 按要求計算了煤層的碳、灰、水含量和煤層含氣量，并對固井質量進行檢查測井，評價其水泥環膠結質量。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， 使整個煤層氣開發工程能夠順利進行，目前焦作位村地區鉆井已部分壓裂，抽氣點火獲得成功。
在鉆井過程中部分煤層常會出現垮塌造成孔徑嚴重變大，一些測井參數會受到一定影響。 例如，密度三側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，有必要進一步探討。
5 結束語
因其具有改善能源結構，緩解能源壓力，保障煤礦安全生產，保護環境等優點，近年來，煤層氣開發利用成為能源勘探的一個亮點。 為進一步加大煤層氣抽采利用力度，強化煤礦瓦斯治理，減輕煤礦瓦斯災害，國務院辦公廳了《關于加快煤層氣（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勘探帶來了一個新的發展機遇。利用煤田數字測井儀系統實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的雙井徑測井探管、雙側向測井探管、補償中子測井探管、 固井質量檢查探管填補了煤田測井儀器的空白，已廣泛應用于山西藍焰、中聯等主要煤層氣開發利用單位的煤層氣井測試工作。由于 《煤層氣測井作業規程》（中聯煤層氣有限責任公司企業標準 Q/CUCBM 0401-2002）， 是單一企業標準， 其中有些規定在實際執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標準， 指導我國煤層氣測井工作健康有續地發展。
煤層氣測井競爭激烈，市場少隊伍多，往往通過壓價進行惡性競爭，再加上業主又會提出一些超出當前技術條件難以達到的要求，常此以往，對煤層氣測井市場將會產生沖擊， 對未來的煤層氣開發與利用十分不利。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 文獻標識碼：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
工業生產中，對材料力學性能參數實時進行無損檢測，對于保證產品質量、降低材料損耗，具有十分重要的意義。然而，傳統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]。激光超聲檢測技術利用脈沖激光激發和檢測超聲波，從而實現無損檢測、獲取材料參數信息，它的出現成功彌補了傳統測量方法的缺陷。
近年來，由于激光超聲技術具有非接觸、無損傷、靈敏度高、精度高、設備簡單、抗干擾能力強等優點[2-3]，已逐漸成為材料無損檢測的一種重要手段和發展方向，在材料的殘余應力檢測[4-5]、表面缺陷檢測[6-7]、材料力學性能測量[8]等方面得到了廣泛應用。應用激光超聲技術測量各項同性材料的超聲表面波波速具有無損傷、精確度高的優點，并且通過對表面波的精確測量，可以為進一步實現對材料裂紋、金屬焊接裂縫等的測量打下基礎。本實驗采用激光誘導超聲技術，精確測量出樣品的表面波波速，并分析了誤差的產生原因。
1 實驗方案
1.1 實驗原理
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，在固體表面產生熱特性區，形成熱應力，進而在物體內部產生超聲波，其激發機制有熱彈性機制和燒蝕機制兩種[9]。本實驗采用熱彈性機制在樣品表面激發超聲波，如圖1所示：當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化為熱能，使樣品表面產生幾十到幾百度的局部升溫，引起熱膨脹而產生表面切應力[10]，同時激發出橫波、縱波、表面波[11-13]。熱彈性機制條件下，材料表層的局部升溫并沒有導致任何變形，因而具有嚴格的無損檢測特點。
1.2 實驗系統
實驗檢測系統實物圖如圖2所示，Dawa-100型脈沖激光器產生能量100 mJ，頻率20 Hz，脈寬8 ns的脈沖激光，作用在規格為300×200×20 mm的鋁板表面，樣品表面吸收能量溫度升高，引起熱膨脹而產生超聲波。LV-S01-DB型多普勒測振計發出的連續探測激光照射在樣品上，經樣品表面的反射光發生多普勒效應和干涉現象，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，實驗時為增強鋁板表面反射信號的強度、提高信噪比和穩定波形，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面，通過接收樣品表面的反射光信號提供時間原點。將多普勒振動計和光電探測器接入Tektronix-DPO4102B-L型示波器，可得到表面波波形和波的參考時間原點，進而可得到波的傳播時間，測量激發點與接收點的距離，利用公式即可求得表面波波速。
2 實驗數據測量與處理：
利用上述實驗系統進行超聲波的激發和檢測。將脈沖激光器即激發點固定，通過移動多普勒振動計來改變接收點與激發點的距離，在不同的適當位置接收并記錄超聲信號的波形數據和傳播時間。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，在激光器發出頻閃光時就會出現，之后一個超聲信號呈明顯對心、雙極特性，為典型的激光激發的聲表面波信號。
移動多普勒振動計的位置，記不同的激發點與接收點之間的距離為（），每個對應的傳播時間為（）。由于多普勒振動計本身存在時間延遲，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，實驗不直接使用公式來計算波速。這里，采用對和進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作為波形傳播的起點和終點即可。本實驗中的取值采用圖4所示方法：從光電探頭的峰值點開始，到表面波的第一個峰值點止，這一段時間作為該接收點與激發點的距離所對應的時間。
根據上訴選取方法，經多次測量，得到的7個不同接收點與激發點的距離和對應的時間的值如表1所示。
對以上七組數據用origin軟件進行線性擬合，擬合直線如圖5所示。由圖5可知，實驗所得的7個點基本嚴格分布在一條直線上，與理論推導結果相同。由軟件擬合的結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、激發點與接收點距離的測量誤差、時間的讀取誤差等。
實驗中運用線性擬合的方法，很好的解決了多普勒振動計帶來的儀器固有誤差，并通過多次測量接收點與激發點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據分析，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研究的要求。
4 結語
本實驗采用自主研發的非接觸、高精度的激光超聲實驗系統，對脈沖激光在薄鋁板中激發的超聲表面波信號進行了實驗研究，實驗結果表明：（1）本套實驗系統能夠很好地實現超聲表面波的激發并接收，且表面波波形具有典型的對心、雙極的特點。（2）利用激光超聲技術可以精確的測量出物體的表面波波速，實現完全非接觸、高精度的測量，激光超聲檢測技術在更深入的以表面波檢測為基礎的材料裂縫檢測、金屬焊接缺陷檢測等研究領域會有很好的應用和發展前景。
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篇8
關鍵詞：物理實驗；競賽方案；教學改革
中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）25-0244-02
一、引言
物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，是培養學生科學實驗能力、提高科學素質的重要基礎。它在培養學生嚴謹的治學態度、活躍的創新意識、理論聯系實際和適應科技發展的綜合應用能力等方面具有其它實踐類課程不可替代的作用。但是大多數院校把物理實驗當成一般的必修課程，按部就班地安排實驗項目，批閱實驗報告，最后根據實驗報告成績或加上部分考試成績給出課程的總評分數。動手能力好、思維活躍的學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。鑒于大學物理實驗課程的重要作用，一些院校已經在研究物理實驗教學的改革方案，目的就是提高物理實驗教學效果，通過物理實驗課程的開設讓學生的動手實踐能力、科學素養、創新精神、團隊合作能力得到真正地提高。舉辦大學生物理實驗競賽的目的是為了激發學生對物理實驗的興趣和潛能，充分發揮學生的自主能動性，培養學生創新能力、實踐能力和團隊協作意識。只有制定合理的、符合學校實際情況的競賽方案才能真正發揮物理實驗競賽的作用。
二、國內競賽情況概要
全國大學生物理實驗競賽已經于2010和2012年在中國科學技術大學物理實驗教學中心成功舉辦兩屆。競賽命題分為基礎性物理實驗和綜合性、研究性物理實驗兩類。競賽采用現場實驗的形式進行比賽。北京市大學生物理實驗競賽從2008年開始每年舉辦一屆，提前公布題目。競賽設四個題目：第一題指定一個測量內容，要求參賽隊自己搭建實驗平臺進行測量；第二題為指定內容的、有應用價值的實驗制作；第三題為學生在校期間完成的物理思想清晰，物理知識點明確的實驗制作；第四題為學生在校期間完成的物理思想清晰、與實驗相關的科研論文和教學論文。廣東省大學生物理實驗設計大賽已經舉辦了十三屆，競賽組委會提前公布指定競賽題目，設基礎和應用兩個題。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生物理實驗競賽。很多開設物理實驗課程的高校都在舉辦自己學校的物理實驗競賽或物理實驗競能競賽、物理實驗設計競賽，名稱雖然有所不同，但競賽命題形式不外乎兩種，一種是現場命題并操作實驗，考察學生對不同物理實驗手段理解掌握的水平和綜合分析應用能力。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、我校物理實驗競賽情況介紹
（一）第一屆大學生物理實驗競賽
在2010年12月首屆全國大學生物理實驗競賽成功舉辦之際，校領導提議我校也應該自己組織一個實驗競賽，激發學生對實驗的興趣和熱情，提高實驗室利用率，提高學生創新和協作能力。由于學校領導十分重視，教務處召集學校相關職能部門和相關學院領導進行協商，并在2011年4月底下發了關于舉辦我校首屆大學生物理實驗競賽的通知。首屆競賽分為初賽、實驗操作和答辯三個環節進行，報名與參賽均以組為單位，每組兩人。初賽以筆試形式考查報名選手的基本知識和基本實驗技能。實驗操作考察學生的動手能力和靈活運用所學知識設計實驗的能力?？紤]到是第一次舉辦競賽，并參照我?，F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。實驗操作中要求兩名選手團結協作，按照自己的設計方案在規定時間內完成儀器調試、數據測量、提交報告。
來自7個二級學院的176組352名同學報名參加了首屆大學生物理實驗競賽。根據初賽成績選拔60組選手進入實驗階段。經過兩天的緊張比賽，評委根據選手的設計思想、實驗操作和實驗后的報告總結綜合評分，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。
學生在競賽過程中表現出來的刻苦努力、堅忍不拔、聰明睿智、大膽創新給我們留下了深刻印象。因為比賽期間也是學生功課最忙的一段時間，學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、實驗練習。有的學生從下午下課一直到晚上實驗樓鎖門都在實驗室鉆研，甚至帶著面包干糧到實驗室。有些學生的想法非常新奇，具有大膽創新的思想，比如：有的同學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；有的同學自己動手制作太陽能電池；有的同學應用所學的馬律斯定律自制光強調節裝置；有的同學靈活運用基礎實驗中學到的補償原理，測量太陽能電池的電壓特性等等。
（二）第二屆大學生物理實驗競賽
總結第一屆競賽的經驗，2012年我們又舉辦了第二屆大學生物理實驗競賽。1～4人組成一個參賽隊，報名同時提交物理實驗競賽參賽申請報告。競賽項目及要求：（1）利用簡單材料設計制作靜電起電機，并演示與靜電有關的現象。（2）應用物理原理進行實驗制作。要求作品具有創新性、有實用價值。（3）對物理實驗中心現有儀器進行改進，使操作更加便捷、測量更加精確；對物理實驗中心現有儀器進行重新組合，開發新的實驗項目，完成新的實驗功能；基于物理實驗中心現有實驗項目，提出新的實驗方法。
為了鼓勵和幫助參賽選手，物理實驗中心專門設置了一個學生科技活動室，并在學生科技活動室準備了各種元器件，各種工具原材料和實驗中心多年來積攢的各種在物理實驗課上不能成套利用的實驗儀器，給參賽選手提供一個發揮潛能和創造力的空間，同時也營造出節約創新的氛圍，推動和促進了實驗室的建設與發展。來自七個理工科學院的247名同學報名參加了第二屆物理實驗競賽，經過資料查閱、材料準備、作品制作、反復實驗不斷突破，選手們從暑假開始歷經將近半年時間最終完成各自參賽作品。根據初賽展示答辯結果，評出三等獎10項，優秀獎20項。排名前六的選手進入決賽，經過進一步升級加工，六個隊伍又進行一場決賽答辯。最后，白光干涉楊氏模量測量儀和感應起電機兩個作品憑借新穎的設計，大膽的創新獲得了一等獎。另外四隊選手也表現出色獲得了二等獎。競賽過程中，涌現出一大批優秀學生，有的學生嚴謹認真、踏實努力；有的學生見解獨到、思路新異；有的學生熱愛科學、精益求精；有的學生樂觀向上、永不言棄。本屆競賽學生制作了范式起電機、韋氏起電機、滴水起電機、新型楊氏模量測量儀、斯特林空氣熱機、新型靜電場描繪儀、新型輸液報警器、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校領導的一致認可，并已在申請專利。
四、結語
篇9
關鍵詞：既有建筑 檢測方法 綜述
1.國內檢測標準體系
經過多年的研究和發展，我國房屋質量檢測的標準體系已基本形成。我國現行檢測技術標準主要包括四個層面：國家標準、行業標準、地方規程和企業標準等。檢測技術標準按其內容又可分為：全面檢測和專項技術。一般而言，全面檢測技術標準的規定相對原則和籠統，對該領域所有檢測技術進行總結并作原則性規定，但其可操作性不強；專項檢測技術標準規定相對專業，對某項檢測技術進行全面細致的規定，可操作性較強。
2.現有檢測方法分類
現有檢測方法按檢測內容可分為材料強度檢測、結構體系檢測、構造措施檢測、老化損傷檢測等，其中材料強度檢測是結構檢測鑒定評估中最基本、最關鍵的內容，材料強度無論對質量問題診斷、可靠性鑒定、舊房改造和抗震鑒定均是最重要的參數之一。材料強度檢測按其對主體結構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、木結構檢測、混凝土檢測等[1]。
3.砌體檢測技術
我國擁有量大面廣的砌體結構，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構性能密切相關，應進行既有砌體結構適用檢測方法的研究，為其改造加固提供可靠的技術數據。
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、點荷法、射釘法等[2]。但由于砌體和砂漿強度的離散性很大，各檢測方法的適用性存在明顯差異，各自得到的推定強度相差甚遠，往往采用不同檢測方法檢測的結論完全不同?！镀鲶w工程現場檢測技術標準》(GB/T50315-2000)[2]對規范檢測方法、統一檢測標準起到了一定作用，但該規范推薦了十種方法，未作橫向比較，且該規程各種方法的適用范圍均有很大限制，難以適應上海既有建筑的很多情況。上海市建筑科學研究院結合上海既有建筑的特點，選擇典型檢測方法進行深入研究，改進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，適用的砂漿強度為0.4~16.0MPa?，F場檢測結果表明，在對測強曲線進行修正后，貫入法檢測結果與砂漿試塊強度檢驗值吻合較好。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度的檢測方法，不能考慮砂漿表面硬化對測試結果的影響；②貫入法檢測結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，由于砂漿強度較低，且沒有相應的測強曲線，因而不宜使用貫入法檢測其砂漿強度[4]。
原位軸壓法是現有砌體抗壓強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，但原強度換算系數計算公式應進行適當修改，可進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對檢測儀器做適當改造。通過適當改進可顯著提高原位軸壓法的檢測精度[5]。
國家標準《砌體工程現場檢測技術標準》(GB/T50315-2000)[2]規定的原位單磚雙剪法是對單塊順磚進行原位雙剪試驗，確定砌體沿通縫截面抗剪強度的方法。原位單磚雙剪法適用于推定燒結普通磚砌體的抗剪強度，對測試位置要求較為嚴格。上海市建筑科學研究院在原位單磚雙剪法的基礎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厚標準粘土磚，而且可用于八五粘土磚砌體的抗剪強度測試；且現場不是測試一塊順磚，而是測試相鄰兩塊順磚的抗剪強度。原位雙磚雙剪法的主要優點包括：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用范圍不受磚和砂漿類型的限制，可用于上海風貌砌體建筑的檢測，使用范圍擴大；③ 原位雙磚雙剪法與砌體抗剪強度標準試驗方法相似，但其周圍約束條件明顯好于砌體抗剪強度標準試驗，因此其檢測結果穩定性和可靠性均優于砌體抗剪強度標準試驗。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象，難以同時達到剪切峰值；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.木結構檢測技術
國家標準《建筑結構檢測技術標準》(GB/T 50344-2004)[1]把木結構檢測內容分為木材性能、木材缺陷、尺寸與偏差、連接與構造、變形與損傷和防護措施等；木材性能的檢測可分為木材的力學性能、含水率、密度和干縮率等項目；木結構工程質量檢測涉及的木材力學性能又分為抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗剪強度、順紋抗壓強度等。
上海市標準《既有建筑物結構檢測與評定標準》(DG/TJ 08-804-2005)[6]規定優先采用取樣法確定木材的力學性能；無法取樣且木材的材質與外觀與同類木材有顯著差異時，可根據木材的材質、樹種、材性和使用條件、使用部位、使用年限等情況進行綜合分析，強度按國家標準《木結構設計標準》規定的相應木材強度乘以折減系數0.6~0.8；木構件疵病采用外觀檢查和量尺檢測；木構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、游標卡尺、讀數顯微鏡或裂縫寬度檢測規進行檢測，裂縫長度采用卷尺測量；木構件腐朽和蟲蛀采用外觀檢查或錘擊法檢測；木結構連接節點的損傷采用外觀檢查或用量尺和探針進行檢測。
以上規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確性取決于檢測人員的經驗，量化較困難，常常存在較大的誤差。而傳統的取樣法通過采用后在材料試驗機上進行木材力學性能的測試，其檢測時間長、穩定性和重現性差，且取芯對木構件受力性能有明顯不利影響。木構件無損檢測方法可在不破壞木材的原有形狀、原有結構和原有動力狀態的前提下，利用現代的物理方法和手段快速測量出木材的力學性能和內部缺陷。既有建筑中的木結構檢測既要提高檢測的準確性，又要降低檢測對建筑的附加損傷。
木結構檢測技術包括：取樣法、目測法、錘擊法、鉆芯法、射釘法、超聲波法、電學方法、γ射線法、X射線法、微波檢測法、紅外線檢測法、機械應力檢測法、聲發射檢測法、核磁共振法。由于木結構檢測方法研究的相對滯后，現階段木結構檢測仍以取樣、目測和錘擊等方法為主，其中取樣法為局部破損檢測法，對重要受力構件不能采用；目測法和錘擊法為定性檢測方法，其檢測準確性與檢測人員的經驗密切相關，其檢測結果難以用于對木結構進行定量分析。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行觀察，可對木構件性能進行預判，對腐朽嚴重或蟲蛀嚴重的木構件直接評估而無需采用其它檢測方法進行檢測；也可對無損檢測結果進行判別和驗證，保證其它無損檢測方法的準確性。
微損檢測辦法一般情況下，常需采用儀器對木構件的局部進行微損檢測，由于微損檢測的影響程度和范圍均較小，其對木構件宏觀力學性能的影響可忽略，一般也可認為是無損檢測方法。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件檢測部位進行敲擊，以判斷木構件有無明顯的腐朽、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）測定木材內部腐朽和空洞等。目前，我國規范規定的木構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力使其產生振動，測定其聲波傳播速度或振動波譜，并進行分析的方法。對木構件常用測定聲速來計算其動彈性模量，可用于既有建筑木結構的安全評價。當木材發生腐朽或蟲蛀時，垂直于木材紋理方向的傳播速度急速增加。當應力波傳播速度增加30%，木材強度損失達50%；當應力波傳播速度增加50%時，木材即遭到了嚴重損害；橫向（徑向或弦向）是探測腐朽的最佳途徑。
機械應力檢測法是采用機械方法施加恒定變形（或力）被測試材上，測得相應的載荷（或變形），由計算機系統計算出試材的彈性模量和抗彎強度，并可用于成材的在線應力分析。
超聲（應力）波法超聲波法分為穿透應力波系統和脈沖-反應系統。穿透應力波系統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-反應系統是指測定記錄被傳播到材料內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。
聲發射（AE）檢測法木質材料受外力或內力作用產生變形或斷裂時，會以彈性波的形式釋放出應變能，利用電子儀器應變能反映的聲發射信號并由此判斷木質材料內部的裂紋、缺陷、結構變化、破壞先兆等材料的內部動態信息。
電學方法利用木材電阻和木材含水率的相關關系進行無損檢測，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-射線這是實驗室和生產線上常用的一種方法，主要用于檢測木材內部腐朽、木材微密度測定、木材節疤等的檢測等，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等。
微波檢測法利用微波在不同介質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或木材中的水分子對紅外光能量的吸收強弱來判斷該物質的數量多少或疏密。
核磁共振法利用木質材料內部的極性分子或水分子對核磁共振光譜的吸收性質形成核磁共振譜圖，或形成核磁共振光譜圖象，從而非破壞地觀察木質材料內部的結構、缺陷或有價值的信息。
既有建筑中木構件的檢測方法還需進一步研發，以提高木結構檢測方法的精度和科學性。
5.混凝土檢測技術
混凝土結構檢測技術包括：回彈法、超聲回彈法、鉆芯法、雷達法、微觀結構分析法、鋼筋探測法、局部破損法、銹蝕電位法等。對于一般混凝土結構，多采用回彈法或超聲回彈法進行檢測，如既有建筑的混凝土齡期較長或混凝土受到損傷，則應采用鉆芯法進行修正。
回彈法檢測混凝土強度既有建筑混凝土回彈法檢測按中華人民共和國行業標準《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》JGJ/T23-2001[8]執行。在對既有建筑混凝土進行回彈法測試時，每一結構或構件測區數不應小于10個，對某一方向尺寸小于4.5m，且另一方向尺寸小于0.3m的構件，其測區數量可適當減少，但不應少于5個。相鄰兩測區的間距應控制在2m以內，測區離構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。每測區面積不大于200mm×200mm。測區應選在使回彈儀處水平方向，檢測混凝土澆筑側面。當不滿足這一要求時，方可選在使回彈儀處于非水平方向，檢測混凝土澆筑側面，表面或底面，計算數據時需修正。既有建筑重要的混凝土構件及薄弱部位必須布置測區。
超聲-回彈綜合法檢測混凝土強度既有建筑混凝土超聲－回彈綜合法按中國工程建設標準化委員會標準《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》(CECS 02:2005)[9]執行，并需采用鉆芯試件作校核。超聲檢測儀在現場檢測前，應通電預熱，并須用標準棒進行測定。既有建筑單個混凝土構件檢測時，構件上應均勻布置不少于10個測區，對長度小于或等于2m的構件，其測區數量可適當減少，但不應少于5個。對同批構件按批抽測時，構件抽樣數不應少于同批構件數的30%，且不少于10件。由于既有建筑混凝土與制定測強曲線所用材料有較大差異時，須從結構構件測區內鉆取混凝土芯樣進行修正，試件數量不少于3個。
鉆芯法檢測混凝土強度既有建筑混凝土鉆芯法根據中國工程建設標準化委員會標準《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》(CECS 03:2007) [10]執行，而對于混凝土強度已衰減至C10以下時，不宜采用鉆芯法檢測。在檢測過程中，應合理確定取芯的位置，并應注意取芯后孔洞的及時填補。
6.結語
本文對既有建筑砌體、木材和混凝土的檢測方法進行了對比分析，在分析基礎上，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度檢測應優先采用原位雙磚雙剪法，并應與其它檢測方法配合使用。