声速测量实验范文
时间：2023-03-15 15:14:41
导语：如何才能写好一篇声速测量实验，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
关键词：声速测量；驻波法；相位比较法；数据处理；Origin软件；拟合直线
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率在20～20000Hz的声波称为可闻波，而超过20000Hz的声波称为超声波[1]。超声波具有波长短，易于定向发射等特点，使得在超声波段测量声速比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、液体流速测定、溶液浓度测定、材料弹性模量测定等方面都有重要意义[2]。声速测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式V=l/t，测出传播距离l和所需时间t后，即可计算出声速；第二类方法是利用关系式V=λf，测出其波长λ和频率f也可计算出声速V[3-4]。本文用到的驻波法和相位比较法属第二类方法，即利用声速和波长、频率的关系测量声速。
2 实验原理
2.1 驻波法
实验装置如图1所示，从发射换能器S1发出一定频率的平面波，经过空气传播到接收换能器S2，一部分被接收并在接收换能器电极上有电压输出，一部分向发射换能器方向反射。如果换能器的接收平面和发射平面平行，则反射波和入射波将在两端面间来回反射叠加[5-6]，由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波腹。由于声波传播过程中出现能量损耗，两列波形成的驻波并非理想驻波，但相邻波腹（或波节）之间的距离刚好等于半波长的整数倍，即示波器观察到的波形中相邻振幅极大值（或极小值）之间的距离为半个波长[7]。改变两只换能器间的距离l，同时用示波器监测接收换能器上的输出电压幅值变化，可观察到电压幅值随距离周期性的变化。若保证声波频率f不变，使用测试仪上的数显尺记录各相邻电压振幅极大值的位置，即可求出声波波长λ，则声速为
因此，只要测出声波频率f和波长λ，就可利用（1）式计算出声速[8]。
2.2 相位比较法
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。声波在传播过程中各个点的相位是不同的，当发射端与接收端的距离发生变化，入射波和反射波的相位差也变化[9]。将发射换能器和接收换能器分别与示波器的Y1、Y2通道连接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分别输入了两只换能器所在处的声波的简谐振动信号，这两个简谐振动的振幅、频率相同，干涉后形成的图形称为李萨如图形。相位差不同时，李萨如图形也不同，如图2所示。
实验时改变S1、S2之间的距离l，相当于改变了入射波和反射波之间的相位差，在示波器上可观察到相位的变化，即李萨如图形的变化。当S1和S2之间的距离变化刚好等于一个波长λ时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期（即φ=2π），相同的图形就会出现。实际上，从任何一个状态开始观察，只要李萨如图形复原，S2移动的距离就为一个波长，但为了取得较为准确的实验结果，实验时以李萨如图形变为直线时为记录点。只要准确观察记录相位差变化一个周期时S2移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，即可利用公式（1）计算出声速V[10-14]。
2.3 空气中声速的理论值
空气中的声速与环境温度和湿度有关，若只考虑温度的影响，声速的理论计算式为：
其中t为环境温度，采用摄氏温标，T0=273.15K，V0为0℃时的声速，对于空气介质V0=331.45m/s。根据（2）式可计算出t℃时空气中声速的理论值。
3 数据原始记录
根据前述实验原理，声速测量时首先要测量环境温度t，本次实验的环境温度t=13.2℃。其次是测试系统的最佳工作频率，如表1所示。用驻波法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使干涉波形的振幅达到极大值，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，依次记录振幅极大值时数显尺的读数l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比较法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使李萨如图形出现一、三象限斜直线，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，每出现5次一、三象限斜直线时记录一次数显尺读数，分别记为l2、l3、……、l6，如表3所示，这样两个相邻数据之间的差值为5个波长的长度。
4 数据处理及分析
4.1 空气中声速理论值
环境温度为13.2℃时，声速的理论值：
=339.364m/s
4.2 驻波法
设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打开Origin软件后，界面上会出现两列空白数据表格A（X）、B（Y），分别输入1～12和l1～l12的值，以i为横坐标，li为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图1所示，拟合报告如表4所示。
从图1中可以看出拟合直线和理论曲线符合得较好，即i和li具有严格的线性关系，这也可以从拟合报告中看出，因为关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以理论曲线接近于直线。拟合报告中b=λ/2=4.76449，所以波长λ=9.52898≈9.529mm。因此声速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s与理论值的误E=（V-Vs）/Vs=0.88%。
4.3 相位比较法
设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打开Origin软件后，界面与驻波法一样，在数据表格A（X）、B（Y）中分别输入1～6和l1～l6，以i为横坐标，li作为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图2所示，拟合报告如表5所示。
从图2中可以看出相位比较法的拟合直线效果与驻波法一样，因为二者的关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以相位比较法测声速时也可以得到较好的结果。拟合报告中b=5λ=47.39303，所以波长λ=9.478606≈9.479mm。因此声速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s与理论值的误差E=（V-Vs）/Vs=0.35%。
5 结束语
本文利用Origin软件对声速测量的实验数据进行了处理，从结果上来看，驻波法和相位比较法测声速在直线拟合时效果都较好，因为二者的关联系数r一样，所以两种方法测得的实验数据都具有良好的线性关系。但两种方法测得声速实际值与理论值的误差不一样，相位比较法的误差小一些，说明相位比较法比驻波法在测声速上具有优势。但也可能是数据间隔较大引起的，驻波法的数据间隔是半波长，相位比较法的是5个波长，这点有待笔者进一步证明。
参考文献：
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[12] 眭聿文.声速测量实验中声波的研究[J].西华大学学报：自然科学版，2011，30（1）：52-55.
篇2
关键词: 空气中声速测量方法 改进 注意点 优点
一、常见空气中声速测量方法
声速的测量通常有两类方法:一种方法是测量声波传播的距离s和时间t,然后根据公式v=s/t计算出声速;另一种方法是测量声波的频率f和波长λ,然后根据公式v=λf计算出声速。
前一种方法只需要长度测量工具刻度尺和时间测量工具秒表,后一种方法则需要声速测量仪、示波器、信号发生器等专业工具,且后期的分析处理较为复杂。所以在初中物理学中声速的具体测量方案都是基于前一种方法设计的。教材中普遍使用了发令枪测声速,即一名同学持发令枪在起点发令,另一名同学在终点测出看到发令枪冒烟和听到枪声间的时间间隔t,再根据公式v=s/t算出空气中声速。
在实际教学中,我们基于前一种测量原理,进行了各种声速测量尝试,找到一种较为准确且简单的测量方法:利用摩托车测量法。
二、改进后的空气中声速测量方法
1.实验原理
v=s/t。
2.实验器材
摩托车(豪爵海王星)、卷尺、秒表(电子式)。
3.实验方案
首先用卷尺测出合适的直线距离s,在该直线距离的起点放置一辆摩托车,并将摩托车头部正对直线距离终点的同学乙,起点同学甲使得摩托车喇叭和头部车大灯(头灯)同时工作,终点的乙同学自看到摩托车车灯亮起时开始用秒表计时,待听到摩托车喇叭声时停止计时,所测时间即为声音在直线距离s中传播所用时间t,再根据v=s/t计算出空气中的声速。
为了解决传统发令枪测声速中距离难把握的问题,我们在实验中采取从声源(摩托车喇叭)逐渐远离的方法进行了对比,在确保能较清晰地听到声源发出声音的前提下,通过多次比较发现距离在600m左右为最佳,大大减小了人的反应时间对测量结果的影响。
4.实验数据及处理
在多次对比实验的基础上了最终确定了直线距离为s=612m,并测量出了18组数据。根据公式v=s/t我们分别算出18次实验中的声速,如表1所示。
根据多次测量取平均的方法,根据18次所测得声速求得所测声速为v=327.8m/s。
同学甲将起点摩托车移至终点位置,而乙同学移至起点,重复实验,再测出18数据。根据公式v=s/t,我们分别算出了18次实验中的声速,如表2所示。
根据多次测量取平均的方法,根据18次所测得的声速可求得所测声速为v=321.5m/s。
5.实验思考
为什么两次实验结果有较大的差异?
分析:测量中所选择的直线距离沿着南北方向,两次声源和测量者的位置正好相反,前18组数据是顺风测量的,而后18组数据是逆风测量(风向为西北风),风速影响了声速。
三、实验注意点
综合多次实际测量操作,在具体实验时我们需要注意以下几点。
1.所选摩托车的车头大灯亮度较亮,摩托车喇叭声音较响。
2.所测直线距离要适中,对于豪爵海王星踏板摩托车距离600m左右较为合适。不同型号摩托车的喇叭响度不同,在实际实验中可采取从声源处逐渐远离的方法寻求最佳距离。
3.为保证车灯和喇叭同时工作,先将车灯开关打开,同时左手长按喇叭按钮,右手通过拨动钥匙来使得摩托车电路接通,使得车灯和喇叭同时通电而同时工作。
4.尽量选择无风或风速较小时进行实验,以减小风速对声速的影响。
5.为防止环境噪声的影响,可选择晚上进行实验,而且可增加对车灯的可视度,提高实验的精确度。
6.在具体实验前,甲乙同学应进行多次练习,熟练配合,实验时应该进行多次实验,确保实验测量的准确性。
四、实验方案优点
该方案原理简单,所用器材简单常见,无需专业测量仪器,操作简单,可行性较强,适宜所有中学使用。更重要的是在夜晚漆黑安静环境中操作实验,摩托车车灯的视觉效果和摩托车喇叭声音的听觉效果较好,实验中声音传播距离较长,最大限度地减小人的反应时间的影响,测量结果较精确。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准[S].北京:北京师范大学出版社,2001.
[2]安忠.中学物理实验教学研究[M].北京:高等教育出版社,1986.
篇3
关键词：超声波 介质 能量 衰减
中图分类号：TE254 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0116-02
1 压电陶瓷换能器
压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和两种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。当发射端的压电陶瓷固有频率等于信号发生器的发射频率时，将产生共振，发射端产生超声波。并且向前传播。当超声波传到接收端时，压电陶瓷也将产生共振，在经过转化电路把压电陶瓷的机械能转化为电信号传给示波器，可以将信号发生器的脉冲信号表示成： （1）
当压电陶瓷换能器发射端的超声波经过介质传到接收器，并且发射器探头与接收器探头平行时，在接收器与发射器之间，入射波与反射波相干叠加，当放入介质的时候峰-峰值会随着探头的距离变化而发生变化。
2 利用极大值法测量
2.1 超声波在纸张里的能量衰减
测量数据如表1所示（表格中的d1为纸张的厚度0.04 mm/层；Vp-p为电压峰峰值）。
根据表1数据超声波在纸张中的能量衰减曲线如图1所示。
2.2 超声波在布料里的能量衰减
测量数据如表2所示（表格中的d2为布料的厚度0.041 mm/层；Vp-p为电压峰峰值）。
根据表2数据，得出超声波在布料中的能量衰减曲线如图2所示。
3 超声波在介质中传播能量损失的原因分析
通过对超声波能量在介质中的损失研究表明，损失主要由以下几个原因造成。
3.1 吸收损耗
由于超声波在介质中传播时介质非理想，不均匀，使物质内部的分子之间相互运动，导致超声波能量被介质吸收而转化为热能。超声波的能量衰减程度会随着物质的致密性增加而增加。
3.2 扩散损耗
超声波在传输过程中波阵面不断扩大，造成单位面积上的能量减小，波阵面上的平均功率密度减小，表现为声强的衰减，所以超声波的能量随着超声波在物质中的传播距离的增加而减弱。随着距离的衰减而加强。
3.3 散射损耗
超声波在传播过程中，遇到不同介质时，将发生散射，从而损失超声波的能量，散射主要发生在介质的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不规则，在倾斜的界面上发生反射、折射等，导致能量损耗。
4 超声波在纸张和布料不同介质中的能量衰减对比图
图3中测量点为“”表示纸张图线，对超声波的衰减特别大，有一层纸（纸张厚度d1=0.040 mm/层）已经将同样大小的超声波，差不多已损失殆尽，而另一测量点为“■”图线表示的是布料（布料厚度d2=0.041 mm/层），则衰减比较缓慢，随着厚度的增加，两种介质对超声波的衰减趋势将变得缓慢。
在研究中通过对数据的分析发现超声波在不同的介质中能量的衰减变化不相同，超声波会随着材料的材质，还有物质的厚度发生变化，并且会有超声波次极大值的出现，在超声波测量当中要严格地把握材料的相似性。有些没有办法避免的因素，应该用控制变量的方法，得出每一个影响超声波能量的因素。
超声波在介质传播过程中，伴随着介质形变、压缩、温度升高等一些现象，并且在介质内部产生内摩擦，使得超声波的能量减弱，通过实验发现，超声波在不同的物质中，它的衰减程度不相同，在均匀致密的物质衰减的程度远远大于在不均匀稀疏的物质，这其中吸收损耗占主要作用，但是随着介质厚度的增加，能量衰减曲线的变化变得非常缓慢，这时起主要作用的是扩散损耗，当介质的厚度到达一定程度，能量曲线就变得很微弱了，散射损耗的损失就加大了，占了损耗的大部分。所以超声波在介质中的能量损失是有几种损失共同作用的结果，随着材料的不同、结构的不同，发生着变化。
参考文献
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[3] 陈洁，苏建新.声速测量实验有关问题的研究[J].物理实验，2008，28（6）：31-33，38.
篇4
将超声波液位计合理安装在车厢水箱上方，通过超声波测距模块对水箱水位进行测量，并将数据经Zigbee发送模块传输到安装在驾驶室内的接收模块，最后将数据通过显示模块12864或者1602进行显示，这样驾驶员可以直接观察水箱水量的使用情况，从而摒弃了停车观测或通过驾驶员经验来对水位进行判断。
超声波模块共3个，图2是超声波模块2发射电路原理图。OUTPUT_2输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻，除了可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
图3是超声波模块2接收电路原理图。CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。根据测量范围要求不同可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
接口电路为超声波与外部电路连接的接口，包括INPUT、OUTPUT、VCC、GND接口。
Zigbee发送和接收模块
图4是传感器终端无线发送和接
图1 系统构成
片机相应输入捕捉通道计算从发射到接收的时间t，声速便可以得出。由于补偿声波与测量声波传播途径所处环境极为相似，所受到环境影响也基本一致，其声速通常也较为接近，所以这种方法是目前使用最精确的声速修正方式。
时间修正法可以有效修正软硬件系统造成的延时。在实际系统中，我们可以用下面的方法来对这个固定的延时时间Δt来进行修正。设S1、S2为两个已知固定距离，t1、t2分别为对应这两个固定距离采集的回声值(内含Δt因素)，则超声波在S1、S2距离内往返传播所用的时间实际上分别为t1-Δt和t2-Δt。故有：
S1=C×(t1-Δt)/2 (3) S2=C×(t2-Δt)/2 (4)由上面两式可得：
Δt=(S1×t2-S2×t1)/(S1-S2) (5)
在实际测量中，将测量得到的S1、S2、t1、t2值代入式中求得Δt，再将各个回声时间减去Δt，即可消除延迟时间的影响。在此S1可取货车水箱直径2R，S2可取R。
经上面两种方法校正，由(2)、(5)式可得：
L= C×(T-Δt )/2 (6)
此外为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射波造成的影响系统需延时0.1ms。因此最后得出的等式应为：
L=C×(T-Δt-0.1ms)/2 (7) Zigbee水箱液位设计
Δt -100)* Vt /20000;
Distance1 = (uint8)(CaptureTime1-Δt -100)* Vt /20000;
Distance2 = (uint8)(CaptureTime2-Δt -100)* Vt /20000;
代码中C a p t u r e T i m e 0、CaptureTime1、CaptureTime2为Timer1三个输入捕捉通道所捕捉的声波传输时间；Δt为时间修正法后得到的系统延时时间；Vt为声速校准补偿法得到的声速。
最终得到液位数据Report_Data为：
If (counterfag= =5) { Report_Data= (value_0+value_1+value_2)/3;counter fag=0;}
现实中该值多次测量后与实际值进行比较，采用最小二乘法来修正，通过Excel线性拟合，得出线性拟合式子[4]，这样根据拟合等式得出的位置
篇5
关键词：中国先进研究堆 反应堆厂房通风系统 风量测量 技术改进 皮托管风速变送器
中图分类号：TL36 文献标识码：A 文章编号：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
中国先进研究堆（CARR）是由我国自主设计、建造的多用途研究性反应堆，设计核功率60 MW。目前，CARR处于调试试运行阶段，正在进行运行许可证的申请工作。
CARR通风空调系统是CARR反应堆系统中重要的组成部分，用以减少放射性物质向周围环境的泄露，排出机械、电气设备及管道散发的热量及维持工作场所的温湿度在合理范围内。CARR通风系统运行时，要求各工艺间排风量略高于送风量，工艺间压差30±10Pa，防止放射性气体在各工艺间扩散。
CARR通风空调系统调试完成并投入运行今以来，计算机集散控制系统（DCS）的通风系统送、排风风量指示偏差越来越大，尤其是反应堆厂房通风系统，普遍风量指示过大或过小，已不能实际反映运行状况。于是决定查找原因进行整改。
1 原风速变送器检查
为了搞清问题存在的原因，我们抽出了问题最大的操作大厅送风系统风速变送器进行检查。
原风速变送器为热线式风速变送器，探杆及上面的探头粘上一层灰黑色灰尘，探杆有一定弯曲，可能是送风温度有时较高所致。具体状况见图1所示。
热线式风速变送器是一种以热线为探头的流速测量仪器，由探头、信号和数据处理系统构成。热线式风速变送器探头―热敏电阻极易沉积灰尘，最终使风速变送器失效。
在检查其他的风速变送器时，也发现有的风速变送器安装位置不当、变送器探杆过短，导致不能反映实际风量的问题。
鉴于热线式风速变送器不适合CARR实际运行状况，影响反应堆正常运行，决定选用新形式的风速变送器。
2 新风速变送器选择
2.1 常见的风速测量技术
依据测量原理不同，目前市场应用常见的风速测量技术有：机械式风速测量、皮托管式（差压式）风速测量、热敏式风速测量、激光多普勒式风速测量和超声波式测量。
2.1.1 热敏式风速测量
热敏式风速测量技术是一种以热敏材料为敏感元件的流速测量仪表，由热敏感元件、信号和数据处理系统构成。热敏感元件按结构分为热线、热球和热膜3种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。市场应用较多的是热线式风速测量仪表，目前CARR使用的就是热线式风速变送器。
2.1.2 机械式风速测量
机械式风速变送器主要有叶轮式和风杯式两种，一般应用于气象环境监测和管道风速测量。基本原理是流动气体带动叶轮或风杯旋转，其转速与风速呈一定的关系，通过测量旋转速度来测量风速大小。
机械式风速变送器的结构简单、使用方便，而且对环境适应性强。机械式风速变送器适用于中低段平均风速的测量。叶轮式风速仪广泛应用于通风现场送排风口风量测量。
2.1.3 皮托管式风速测量
皮托管式（差压式）风速测量的方法为一种间接测算法，通过皮托管和差压计联合测定出风速。实际测量时，使气流方向垂直于皮托管的管口，测得该位置的全压与静压之差，得出动压，然后通过风速与动差的关系式求算出相应的风速值。
皮托管测量构造简单，安装方便，测量时也不受气体紊流的影响，维护方便；流动阻力小，可测速度分布；低风速段测量响应迅速，对粉尘环境有较强的适应性。缺点：标准皮托管管口较小，湿度及粉尘较大的环境中管口容易堵塞；标准皮托管安装角度对精度有一定的影响。
2.1.4 激光多普勒式风速测量
激光多普勒测速技术（简称LDA或LDV）的基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上，检测微粒散射光的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度。
激光多普勒风速仪价格较为昂贵，目前还未普及。
2.1.5 超声波式风速测量
超声风速仪根据测量方法不同，分为超声速差测风仪和超声涡街测风仪。
超声波风速测量技术优点是测量范围广，精度高，缺点是长期稳定性不佳，价格较高。
2.2 风速变送器最终选定
针对CARR通风系统实际运行状况，需要一种能适应一定的灰尘环境，安装更换方便，而且信号输出稳定的风速变送器。经过调查比较，确定选用皮托管式风速变送器进行安装试验验证（见表1）。
2.3 厂家定制
通风系统矩形或圆形管道中，风速的分布是中心高，四周逐渐降低。风速变送器探杆的长度要根据管道尺寸进行适当调整。探杆取压点位于管道截面宽（长）度或直径的约1/3处。标准长度的风速变送器并不适合所有尺寸的通风管道。
变送器探杆长度根据以下公式计算：L=1/3D+M+Z
式中：D为通风管道直径，单位：mm。M为探杆裕量，根据实际需要确定，约10～20 mm。Z为探杆首对测压孔至探杆顶端的距离，10 mm。
表2是根据CARR反应堆厂房通风系统管道实际情况，确定的一些技术参数，表中风速量程及相应尺寸探杆要求厂家依此定制。
技术要求：（1）厂方设计探杆首个探孔位置应在管道进深的1/3处。（2）表头必须有数据清零按钮。（3）风速变送器电源，交流24 V或交、直流24 V通用型。（4）直流4～20 mA信号输出。
3 皮托管风速变送器安装调试
3.1 前提条件
（1）皮托管风速变送器做校准试验，出具校准证书。
（2）安装前再次检查风速变送器零点是否合格。方法是：用塑料袋将风速变送器探杆包严，以免环境微风影响，然后通电测零点电流，4 mA±3%为合格。
3.2 安装步骤
（1）停止反应堆厂房所有风机，相应风阀关闭。
（2）按照风速变送器的安装要求检查反应堆厂房通风系统原风速变送器安装位置。较为理想安装位置应在距上游弯管段大于6倍或距下游弯管段大于3倍管径处。风速变送器不能安装在弯管或变径处。
（3）拆除原风速变送器，安装皮托管风速变送器套管头，用螺钉固定。
（4）将探杆插入套管头，注意动压测孔要保证垂直迎风方向，固定探杆。
（5）接通电源线、电流信号输出线，测皮托管变送器零点输出电流，4 mA±3%为合格。
3.3 风量实测
遵循的原则是：用风速仪实测反应堆厂房各通风子系统中各个工艺间风口风量，再把各个工艺间风口风量累加得出此通风系统送风量或排风量实际值；然后调整皮托管风速变送器探杆进深，使其风量输出值大致等于实测值。
3.3.1 风量实测方法
使用叶轮式风速仪，根据CARR反应堆厂房通风系统中各工艺间送排风口截面积大小不同，采用9点法或5点法测风口风速。
风口平均速度： （1）
式中：为风口平均风速，单位：m/s；
为各测点风速，单位：m/s；
n为测点数量。
风口风量按下式计算：
风口风量： （2）
式中：Q为风口风量，单位：m3/h 。
F为风口通风面积，单位：m2；为风口平均风速，单位：m/s。
风量测量操作步骤如下：
（1）启动CARR反应堆厂房通风系统所有送风机、排风机A，调整好各楼层工艺间压差，关闭工艺间房门。
（2）记录风机电压、电流，记录送风机初效过滤器压差、中效过滤器压差；记录排风机预过滤器压差、高效过滤器压差；记录送风温度、湿度、风压，记录排风温度、湿度、风压。
（3）用风速仪测风口平均风速，计算各风口风量，将某通风子系统送、排风风口风量累加即得相应通风子系统的送、排风实际量。
（4）根据实测风量，计算调整新更换皮托管风速变送器输出电流。风速变送器输出电流推导如下：
风速： （3）
式中：V为通风管道中的风速，单位：m/s；IO为皮托管风速变送器输出电流，单位：mA；L为皮托管风速变送器量程，单位：m/s。
风量：FV （4）
式中：Q为通风子系统送、排风量，单位：m3/h；F为总送、排风管道截面积，单位：m2。
根据（3）式、（4）式得出：IO （5）
调节风速变送器探杆的进深，现场实测输出电流，使其等于计算的输出电流IO，即使风量大致等于实测风量，并用红色油漆标示探杆进深位置，以备下次更换参照。
（5）修改主控室DCS通风系统IFIX组态软件中风量计算公式，风量按（4）式计算。
（6）停止送风机、排风机A。再启动送风机、排风机B，调01子项各楼层工艺间压差匹配，按（2）、（3）步骤实测反应堆厂房各通风子系统送排风量，与主控室DCS通风系统计算机显示值对比，验证新安装的皮托管风速变送器输出的准确性。
3.3.2 风量实测实例
以物理实验大厅排风系统为例。01物理实验大厅排风系统有2台排风机，即A、B排风机，对应1台高效过滤装置。01物理实验大厅有6个排风口，A排风机运行时，排风量实测、计算见表2。
根据实测总排风量计算风速变送器输出电流：
Io=z16×11679/（3600×0.7×0.45×15）4{≈14.98mA
调整排风总管道新更换皮托管风速变送器探杆的进深，现场实测输出电流，使输出电流约为14.98 mA。更改主控室DCS通风系统IFIX组态软件中风量计算公式，风量按（4）式计算。
Q=（A×B）×C
式中：A为PLC接收模拟信号转换的风速值；B为风管截面积，对于01物理实验大厅排风系统，管道截面积为0.3969m2。C为系数，等于3600。
修改后，检查计算机显示值与实测风量值比较，偏差≤5%为合格。
4 运行评价
反应堆厂房通风系统风量测量技术改进工作从2015年4月开始一直持续到2015年12月，新更换了9只定制的皮托管式风速变送器。
以表3是技术改进后，记录的反应堆厂房通风系统计算机显示值与实测值的对比表。（说明：实测风量符合设计风量）
（1）从表3可以看出，DCS系统计算机反应堆厂房通风系统风量显示数据与实测值比较较为准确，偏差小于5%，经过数月的运行考验，数据显示基本稳定，基本能够如实反映通风系统运行状况，说明新安装的皮托管风速变送器是适用的。
（2）风速变送器探杆安装位置调试完成后用红漆标示，下次更换时依此确定新风速变送器（需是按表1定制的）的位置，这样省去了繁琐的风量实测工作。
（3）皮托管风速变送器维护方便，测压孔粘泥堵塞影响工作时，可以取下清洗测压孔，检测输出电流信号合格后，即可继续使用。
5 结语
中国先进研究堆通风空调系统是保证核反应堆安全运行的重要系统，反应堆厂房通风系统风量测量问题的解决，有效保证了反应堆厂房通风系统正常运行，保障了反应堆的安全运行。另外，这次技改积累的一些安装调试的成功经验，对后续其它通风系统风量测量改进，也具有益的借鉴意义。
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篇6
关键词：煤层气；测井技术；探讨
Abstract: The authors combine practical work experience, analyze the CBM Well Logging Technology for peer reference draw.Keywords: CBM; logging technology; explore
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 煤层气测井现状
目前用于煤层气测井的主要设备有美国蒙特系列Ⅲ数字测井仪、渭南煤矿专用设备厂 TYSC 型和北京中地英捷物探仪器研究所 PSJ-2 型数字测井仪系统。 煤层气裸眼井常测的参数有自然伽玛、长短源距人工伽玛、自然电位、双侧向、双井径、声波、补偿中子、井温、井斜等，而固井质量检查测井则用自然伽玛、声幅、声波变密度和磁定位等方法。受井径过大的影响，密度三侧向测井、声速和补偿中子测井会存在较大误差。另外《煤层气测井作业规程》是单一企业标准，其中有些规定在实际执行过程中存在诸多问题，需在实践中进行修正。①早先国内各大石油勘探局（公司）凭着技术、仪器设备的优势和固井、射孔、压裂方面的能力，率先进入煤层气测井市场，测井项目、测井参数、报告格式均按照石油测井模式进行。 现行的唯一一个煤层气测井规程--《煤层气测井作业规程》（中联煤层气有限责任公司企业标准 Q/CUCBM 0401-2002）基本照搬了石油测井的标准。 测井仪器系统有 CSU-D、SKD-3000、SKH-2000、SKN-3000 等等。②随着煤层气测井市场的不断扩大， 许多煤田
勘探测井队伍进入煤层气测井市场， 测井仪器设备主要有美国蒙特系列Ⅲ数字测井仪、 渭南煤矿专用设备厂的 TYSC 型和北京中地英捷物探仪器研究所的 PSJ-2 型数字测井仪系统。
2 煤层气测井仪器对比分析
①石油测井仪器设备具有组合化程度高、 可测参数多等优点，如感应测井、地层产状测井、微球聚焦等仪器。但仪器体积大、笨重，施工成本高，采样间隔大，解释精度低。②美国蒙特系列Ⅲ数字测井系统方法仪器多，配备有中子、全波列、产状仪等，基本可以满足煤层气测井参数要求； 渭南煤矿专用设备厂的 TYSC 型数字测井仪需要另外配备其它仪器厂的补偿中子、双侧向、全波列等测井探管；北京中地英捷物探仪器研究所基本可以配全煤层气测井仪器系统。 这些煤田测井仪器设备均具有轻便灵活的特点， 虽然组合化程度比石油测井仪器低， 但对于煤层气钻孔只是n×100m 的孔深来说，效率并不低，而采样间隔密，解释精度高，施工成本低，适用于煤层气测井。
3 测井地质成果
煤层气测井的主要地质任务为：
①划分钻井岩性，进行岩性分析；
②确定煤层的深度、厚度及其结构；
③进行煤质分析， 计算目的煤层的固定碳、灰分、水分及挥发份，计算目的煤层的含气量；
④进行含水性、渗透性分析；
⑤测量钻井的井斜角和方位角，计算钻孔歪斜情况；
⑥测量井温，了解储层温度；
⑦检查固井质量，评价水泥环的胶结情况等。
对于钻井岩性的划分和煤层深度、厚度及其结构的确定，可以说是煤田测井仪器的强项，其较高的仪器分辨率可以划分煤层中 10cm 左右的夹矸，井温、井斜测量也可以进行连续测量。在煤质分析、碳、灰、水及含气量计算中，其关键是选择计算参数。在一个地区实施煤层气测井，要尽量收集目的煤层的各项实验室指标， 并将其与测井的各项参数进行对比，找出相关关系，以便使测井计算出的煤层各项指标更客观、更接近实际。
石油测井仪器采样间隔大，对煤层的解释一般精确到 0.1m，对岩层岩性的划分较为粗略。再者石油天然气储层与煤层气储层特性和产出机理不同，显然不能用石油测井的理念来解决煤层气储层问题。
4 实测效果
利用北京中地英捷物探仪器研究所生产的PSJ-2 型数字测井仪系统对河南焦作地区煤层气试验井实施测井，其裸眼井所测参数有自然伽玛、长短源距人工伽玛、自然电位、双侧向、双井径、声波、补偿中子、井温、井斜等，固井质量检查测井参数有自然伽玛、声幅、声波变密度和磁定位等。对所测曲线进行检查， 其单条曲线质量均达到《煤层气测井作业规程》（中联煤层气有限责任公司企业标准 Q/CUCBM 0401-2002）的优质标准和中华人民共和国地质矿产行业标准 《煤田地球物理测井规范》（DZ/T0080-93）甲级标准。
在测井现场提交监视曲线图和煤层、井径、井斜解释成果。根据测井所取得的参数曲线，解释的目的煤层厚度 0.65～10m。 校正了钻探判定的煤层 5 层，最大厚度误差近 3m，发现钻探打丢煤层 4 层，其中有一层达到 1.4m 厚，若通过勘探确定该煤层连续稳定，具有很好的开发利用价值。
按测井设计要求计算了钻井的全角变化率，并给出歪斜方位和偏移距。 按要求计算了煤层的碳、灰、水含量和煤层含气量，并对固井质量进行检查测井，评价其水泥环胶结质量。声波变密度与石油测井对比，效果较好，特别是 PSV-2 型声速测井探管变密度波形清晰，易于分辨。测井提供的各种成果为下步施工提供了一定的依据， 使整个煤层气开发工程能够顺利进行，目前焦作位村地区钻井已部分压裂，抽气点火获得成功。
在钻井过程中部分煤层常会出现垮塌造成孔径严重变大，一些测井参数会受到一定影响。 例如，密度三侧向测井属于全探管推靠， 虽然有推靠贴壁装置，但由于推靠限度与煤层气钻井孔径相比偏小，存在井径过大贴不上壁的情况， 声速和补偿中子探管本身没有贴壁装置，受井径影响更大，如何消除这些影响，有必要进一步探讨。
5 结束语
因其具有改善能源结构，缓解能源压力，保障煤矿安全生产，保护环境等优点，近年来，煤层气开发利用成为能源勘探的一个亮点。 为进一步加大煤层气抽采利用力度，强化煤矿瓦斯治理，减轻煤矿瓦斯灾害，国务院办公厅了《关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》。在煤炭资源勘探日趋减少的情况下， 煤层气勘探给煤炭地质勘探带来了一个新的发展机遇。利用煤田数字测井仪系统实施煤层气测井完全满足测井目要求， 特别是北京中地英捷物探仪器研究所生产的双井径测井探管、双侧向测井探管、补偿中子测井探管、 固井质量检查探管填补了煤田测井仪器的空白，已广泛应用于山西蓝焰、中联等主要煤层气开发利用单位的煤层气井测试工作。由于 《煤层气测井作业规程》（中联煤层气有限责任公司企业标准 Q/CUCBM 0401-2002）， 是单一企业标准， 其中有些规定在实际执行过程中存在诸多问题，因此，急需由煤田测井人参与制订一个煤层气测井行业标准， 指导我国煤层气测井工作健康有续地发展。
煤层气测井竞争激烈，市场少队伍多，往往通过压价进行恶性竞争，再加上业主又会提出一些超出当前技术条件难以达到的要求，常此以往，对煤层气测井市场将会产生冲击， 对未来的煤层气开发与利用十分不利。建议大家共同携起手来，想办法改变这种不利局面。
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篇7
关键词：激光超声 表面波波速无损检测 线性拟合
中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：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
工业生产中，对材料力学性能参数实时进行无损检测，对于保证产品质量、降低材料损耗，具有十分重要的意义。然而，传统的无损检测方法由于其局限性，在高温、高压、高湿以及被测工件具有较快的运动速度等限制条件下并不能满足测试要求[1]。激光超声检测技术利用脉冲激光激发和检测超声波，从而实现无损检测、获取材料参数信息，它的出现成功弥补了传统测量方法的缺陷。
近年来，由于激光超声技术具有非接触、无损伤、灵敏度高、精度高、设备简单、抗干扰能力强等优点[2-3]，已逐渐成为材料无损检测的一种重要手段和发展方向，在材料的残余应力检测[4-5]、表面缺陷检测[6-7]、材料力学性能测量[8]等方面得到了广泛应用。应用激光超声技术测量各项同性材料的超声表面波波速具有无损伤、精确度高的优点，并且通过对表面波的精确测量，可以为进一步实现对材料裂纹、金属焊接裂缝等的测量打下基础。本实验采用激光诱导超声技术，精确测量出样品的表面波波速，并分析了误差的产生原因。
1 实验方案
1.1 实验原理
激光超声是指利用高能量的脉冲激光与工件表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，进而在物体内部产生超声波，其激发机制有热弹性机制和烧蚀机制两种[9]。本实验采用热弹性机制在样品表面激发超声波，如图1所示：当入射脉冲激光功率密度较小，不足以使工件表面融化时，激光的能量一部分被反射，另一部分被吸收并转化为热能，使样品表面产生几十到几百度的局部升温，引起热膨胀而产生表面切应力[10]，同时激发出横波、纵波、表面波[11-13]。热弹性机制条件下，材料表层的局部升温并没有导致任何变形，因而具有严格的无损检测特点。
1.2 实验系统
实验检测系统实物图如图2所示，Dawa-100型脉冲激光器产生能量100 mJ，频率20 Hz，脉宽8 ns的脉冲激光，作用在规格为300×200×20 mm的铝板表面，样品表面吸收能量温度升高，引起热膨胀而产生超声波。LV-S01-DB型多普勒测振计发出的连续探测激光照射在样品上，经样品表面的反射光发生多普勒效应和干涉现象，即可得到超声波信号。然而铝板表面较为粗糙、对激光的反射能力较弱，实验时为增强铝板表面反射信号的强度、提高信噪比和稳定波形，在探测光照射处贴上一层反射膜。光电探测器对光的改变极为敏感，将其斜置于样品前侧面，通过接收样品表面的反射光信号提供时间原点。将多普勒振动计和光电探测器接入Tektronix-DPO4102B-L型示波器，可得到表面波波形和波的参考时间原点，进而可得到波的传播时间，测量激发点与接收点的距离，利用公式即可求得表面波波速。
2 实验数据测量与处理：
利用上述实验系统进行超声波的激发和检测。将脉冲激光器即激发点固定，通过移动多普勒振动计来改变接收点与激发点的距离，在不同的适当位置接收并记录超声信号的波形数据和传播时间。由于表面波的能量集中在表层，表面波传播时能量衰减很小，故在短距离内探测时幅值基本不变。图3为探测到的超声脉冲信号，第一个单极信号为干扰波，在激光器发出频闪光时就会出现，之后一个超声信号呈明显对心、双极特性，为典型的激光激发的声表面波信号。
移动多普勒振动计的位置，记不同的激发点与接收点之间的距离为（），每个对应的传播时间为（）。由于多普勒振动计本身存在时间延迟，故示波器上两个波形之间取得的时间并不能完全精确表示距离下表面波的传播时间，为避免一起本身带来的误差，实验不直接使用公式来计算波速。这里，采用对和进行线性拟合的方法来消除仪器固有误差。拟合时以x轴表示时间，y轴表示位移，理论上会得到一条在x轴上截距为正的拟合直线，直线的斜率k即为表面波的波速。
由于是采用线性拟合的方法计算波速，故取值时只需保证每次都以两条波上相同的特征点作为波形传播的起点和终点即可。本实验中的取值采用图4所示方法：从光电探头的峰值点开始，到表面波的第一个峰值点止，这一段时间作为该接收点与激发点的距离所对应的时间。
根据上诉选取方法，经多次测量，得到的7个不同接收点与激发点的距离和对应的时间的值如表1所示。
对以上七组数据用origin软件进行线性拟合，拟合直线如图5所示。由图5可知，实验所得的7个点基本严格分布在一条直线上，与理论推导结果相同。由软件拟合的结果分析可得与的拟合直线方程为：
（1）
拟合直线斜率k=2861.80，即表面波波速 m/s。这与理论表面波波速2880 m/s为接近，验证了该方法的可取性。
3 误差分析
激光超声无损检测方法测量表面波波速的误差主要来源有：仪器固有误差、激发点与接收点距离的测量误差、时间的读取误差等。
实验中运用线性拟合的方法，很好的解决了多普勒振动计带来的仪器固有误差，并通过多次测量接收点与激发点的距离取平均值和多次读取波传播时间取平均值的方法，减小了和的测量和读取误差。通过对表面波波形的测量以及对表面波波速的数据分析，得出表面波波速为 2861.80 m/s，与理论表面波波速2880 m/s极为接近，相对误差：
=（2880-2861.80）/2880*100%=
0.63% （2）
误差分析表明，用激光超声技术测量样品的超声表面波声速具有较高的精度，能够满足工程及科学研究的要求。
4 结语
本实验采用自主研发的非接触、高精度的激光超声实验系统，对脉冲激光在薄铝板中激发的超声表面波信号进行了实验研究，实验结果表明：（1）本套实验系统能够很好地实现超声表面波的激发并接收，且表面波波形具有典型的对心、双极的特点。（2）利用激光超声技术可以精确的测量出物体的表面波波速，实现完全非接触、高精度的测量，激光超声检测技术在更深入的以表面波检测为基础的材料裂缝检测、金属焊接缺陷检测等研究领域会有很好的应用和发展前景。
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篇8
关键词：物理实验；竞赛方案；教学改革
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）25-0244-02
一、引言
物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其它实践类课程不可替代的作用。但是大多数院校把物理实验当成一般的必修课程，按部就班地安排实验项目，批阅实验报告，最后根据实验报告成绩或加上部分考试成绩给出课程的总评分数。动手能力好、思维活跃的学生的成绩往往并不高，这就挫败了他们的积极性，使他们最终失去兴趣，敷衍了事。鉴于大学物理实验课程的重要作用，一些院校已经在研究物理实验教学的改革方案，目的就是提高物理实验教学效果，通过物理实验课程的开设让学生的动手实践能力、科学素养、创新精神、团队合作能力得到真正地提高。举办大学生物理实验竞赛的目的是为了激发学生对物理实验的兴趣和潜能，充分发挥学生的自主能动性，培养学生创新能力、实践能力和团队协作意识。只有制定合理的、符合学校实际情况的竞赛方案才能真正发挥物理实验竞赛的作用。
二、国内竞赛情况概要
全国大学生物理实验竞赛已经于2010和2012年在中国科学技术大学物理实验教学中心成功举办两届。竞赛命题分为基础性物理实验和综合性、研究性物理实验两类。竞赛采用现场实验的形式进行比赛。北京市大学生物理实验竞赛从2008年开始每年举办一届，提前公布题目。竞赛设四个题目：第一题指定一个测量内容，要求参赛队自己搭建实验平台进行测量；第二题为指定内容的、有应用价值的实验制作；第三题为学生在校期间完成的物理思想清晰，物理知识点明确的实验制作；第四题为学生在校期间完成的物理思想清晰、与实验相关的科研论文和教学论文。广东省大学生物理实验设计大赛已经举办了十三届，竞赛组委会提前公布指定竞赛题目，设基础和应用两个题。全国还有很多省市，例如湖北省、江苏省、浙江省、辽宁省等都在举办各省市的大学生物理实验竞赛。很多开设物理实验课程的高校都在举办自己学校的物理实验竞赛或物理实验竞能竞赛、物理实验设计竞赛，名称虽然有所不同，但竞赛命题形式不外乎两种，一种是现场命题并操作实验，考察学生对不同物理实验手段理解掌握的水平和综合分析应用能力。另一种是提前指定竞赛题目或开放式命题，最终以作品的水平评定成绩。
三、我校物理实验竞赛情况介绍
（一）第一届大学生物理实验竞赛
在2010年12月首届全国大学生物理实验竞赛成功举办之际，校领导提议我校也应该自己组织一个实验竞赛，激发学生对实验的兴趣和热情，提高实验室利用率，提高学生创新和协作能力。由于学校领导十分重视，教务处召集学校相关职能部门和相关学院领导进行协商，并在2011年4月底下发了关于举办我校首届大学生物理实验竞赛的通知。首届竞赛分为初赛、实验操作和答辩三个环节进行，报名与参赛均以组为单位，每组两人。初赛以笔试形式考查报名选手的基本知识和基本实验技能。实验操作考察学生的动手能力和灵活运用所学知识设计实验的能力。考虑到是第一次举办竞赛，并参照我校现有仪器和条件，提出了以下几个参考题目：频率的测定和烧杯打击乐的形成，太阳能电池研究，自组迈克尔逊干涉仪研究空气折射率，空间频谱及空间滤波研究，全息照相的研究。选手也可以自选参赛题目。实验操作中要求两名选手团结协作，按照自己的设计方案在规定时间内完成仪器调试、数据测量、提交报告。
来自7个二级学院的176组352名同学报名参加了首届大学生物理实验竞赛。根据初赛成绩选拔60组选手进入实验阶段。经过两天的紧张比赛，评委根据选手的设计思想、实验操作和实验后的报告总结综合评分，选拔出30组选手成为本次竞赛的获奖选手。30组获奖选手中前14组参加了答辩，最终6组选手获得一等奖，8组选手获得二等奖，其他16组选手获得三等奖。
学生在竞赛过程中表现出来的刻苦努力、坚忍不拔、聪明睿智、大胆创新给我们留下了深刻印象。因为比赛期间也是学生功课最忙的一段时间，学生平时白天很少有时间，只能在周末、中午、晚上等课外时间查阅资料、制备材料、实验练习。有的学生从下午下课一直到晚上实验楼锁门都在实验室钻研，甚至带着面包干粮到实验室。有些学生的想法非常新奇，具有大胆创新的思想，比如：有的同学利用声速测量仪上的压电陶瓷换能器，测量烧杯的共振频率；有的同学自己动手制作太阳能电池；有的同学应用所学的马律斯定律自制光强调节装置；有的同学灵活运用基础实验中学到的补偿原理，测量太阳能电池的电压特性等等。
（二）第二届大学生物理实验竞赛
总结第一届竞赛的经验，2012年我们又举办了第二届大学生物理实验竞赛。1～4人组成一个参赛队，报名同时提交物理实验竞赛参赛申请报告。竞赛项目及要求：（1）利用简单材料设计制作静电起电机，并演示与静电有关的现象。（2）应用物理原理进行实验制作。要求作品具有创新性、有实用价值。（3）对物理实验中心现有仪器进行改进，使操作更加便捷、测量更加精确；对物理实验中心现有仪器进行重新组合，开发新的实验项目，完成新的实验功能；基于物理实验中心现有实验项目，提出新的实验方法。
为了鼓励和帮助参赛选手，物理实验中心专门设置了一个学生科技活动室，并在学生科技活动室准备了各种元器件，各种工具原材料和实验中心多年来积攒的各种在物理实验课上不能成套利用的实验仪器，给参赛选手提供一个发挥潜能和创造力的空间，同时也营造出节约创新的氛围，推动和促进了实验室的建设与发展。来自七个理工科学院的247名同学报名参加了第二届物理实验竞赛，经过资料查阅、材料准备、作品制作、反复实验不断突破，选手们从暑假开始历经将近半年时间最终完成各自参赛作品。根据初赛展示答辩结果，评出三等奖10项，优秀奖20项。排名前六的选手进入决赛，经过进一步升级加工，六个队伍又进行一场决赛答辩。最后，白光干涉杨氏模量测量仪和感应起电机两个作品凭借新颖的设计，大胆的创新获得了一等奖。另外四队选手也表现出色获得了二等奖。竞赛过程中，涌现出一大批优秀学生，有的学生严谨认真、踏实努力；有的学生见解独到、思路新异；有的学生热爱科学、精益求精；有的学生乐观向上、永不言弃。本届竞赛学生制作了范式起电机、韦氏起电机、滴水起电机、新型杨氏模量测量仪、斯特林空气热机、新型静电场描绘仪、新型输液报警器、静电演示仪器、电磁演示仪器等十种作品。其中一等奖选手的作品“白光干涉杨氏模量测量仪”获得了评委老师和学校领导的一致认可，并已在申请专利。
四、结语
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关键词：既有建筑 检测方法 综述
1.国内检测标准体系
经过多年的研究和发展，我国房屋质量检测的标准体系已基本形成。我国现行检测技术标准主要包括四个层面：国家标准、行业标准、地方规程和企业标准等。检测技术标准按其内容又可分为：全面检测和专项技术。一般而言，全面检测技术标准的规定相对原则和笼统，对该领域所有检测技术进行总结并作原则性规定，但其可操作性不强；专项检测技术标准规定相对专业，对某项检测技术进行全面细致的规定，可操作性较强。
2.现有检测方法分类
现有检测方法按检测内容可分为材料强度检测、结构体系检测、构造措施检测、老化损伤检测等，其中材料强度检测是结构检测鉴定评估中最基本、最关键的内容，材料强度无论对质量问题诊断、可靠性鉴定、旧房改造和抗震鉴定均是最重要的参数之一。材料强度检测按其对主体结构的破坏程度可分为无损检测、微损检测和破损检测；按其材料类型可分为砌体检测、木结构检测、混凝土检测等[1]。
3.砌体检测技术
我国拥有量大面广的砌体结构，墙体材料和砌筑砂浆种类繁多。砖块和砂浆的材料性能与既有建筑的结构性能密切相关，应进行既有砌体结构适用检测方法的研究，为其改造加固提供可靠的技术数据。
目前砌体、砂浆和砖的检测方法较多，包括：贯入法、回弹法、原位轴压法、原位单剪法、原位单砖双剪法、扁顶法、推出法、筒压法、砂浆片剪切法、点荷法、射钉法等[2]。但由于砌体和砂浆强度的离散性很大，各检测方法的适用性存在明显差异，各自得到的推定强度相差甚远，往往采用不同检测方法检测的结论完全不同。《砌体工程现场检测技术标准》(GB/T50315-2000)[2]对规范检测方法、统一检测标准起到了一定作用，但该规范推荐了十种方法，未作横向比较，且该规程各种方法的适用范围均有很大限制，难以适应上海既有建筑的很多情况。上海市建筑科学研究院结合上海既有建筑的特点，选择典型检测方法进行深入研究，改进了贯入法和原位轴压法的推定公式，并在原位单砖双剪法基础上提出了原位双砖双剪法[3~6]。
贯入法是一种非破损检测方法，检测位置和数量限制较少，可大范围采用。贯入法可适用于目前最常用的水泥砂浆和混合砂浆检测，适用的砂浆强度为0.4~16.0MPa。现场检测结果表明，在对测强曲线进行修正后，贯入法检测结果与砂浆试块强度检验值吻合较好。但对于既有建筑检测而言，贯入法存在如下缺陷：① 贯入法是一种以表面硬度推算砂浆强度的检测方法，不能考虑砂浆表面硬化对测试结果的影响；②贯入法检测结果受砂浆约束条件的影响，而目前检测方法无法考虑；③ 对于既有建筑普遍采用的粘土砂浆或粘土石灰砂浆，由于砂浆强度较低，且没有相应的测强曲线，因而不宜使用贯入法检测其砂浆强度[4]。
原位轴压法是现有砌体抗压强度检测方法中相对可靠的一种，对不同砖和不同砂浆的砌体均适用，但原强度换算系数计算公式应进行适当修改，可进一步提高原位轴压法的精度。原位轴压法对既有建筑砖砌体还存在以下缺陷：① 原位轴压法破损性较大，不宜大量采用，一般宜与其它检测方法配合采用；② 原位轴压法检测砖墙的厚度有所限制，现有仪器仅限于检测220~240mm厚砖墙的检测，检测其它厚度砖墙时应对检测仪器做适当改造。通过适当改进可显著提高原位轴压法的检测精度[5]。
国家标准《砌体工程现场检测技术标准》(GB/T50315-2000)[2]规定的原位单砖双剪法是对单块顺砖进行原位双剪试验，确定砌体沿通缝截面抗剪强度的方法。原位单砖双剪法适用于推定烧结普通砖砌体的抗剪强度，对测试位置要求较为严格。上海市建筑科学研究院在原位单砖双剪法的基础上提出了原位双砖双剪法，拓宽了原位单砖双剪法的适用范围，使原位双剪法不仅适用于检测240mm厚标准粘土砖，而且可用于八五粘土砖砌体的抗剪强度测试；且现场不是测试一块顺砖，而是测试相邻两块顺砖的抗剪强度。原位双砖双剪法的主要优点包括：① 可部分消除荷载偏心影响，且可消除竖向灰缝饱满度对抗剪强度的影响，这是与原位单砖双剪法的最大不同；② 原位双砖双剪法的应用范围不受砖和砂浆类型的限制，可用于上海风貌砌体建筑的检测，使用范围扩大；③ 原位双砖双剪法与砌体抗剪强度标准试验方法相似，但其周围约束条件明显好于砌体抗剪强度标准试验，因此其检测结果稳定性和可靠性均优于砌体抗剪强度标准试验。同时，原位双砖双剪法也存在一定的局限性：原位双剪法测试时两条灰缝可能存在受力不同步现象，难以同时达到剪切峰值；在开凿清理过程中难免对待测砌体有扰动，且原位双砖双剪法的破损性较大，宜与其它检测方法配合选用[6]。
4.木结构检测技术
国家标准《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344-2004)[1]把木结构检测内容分为木材性能、木材缺陷、尺寸与偏差、连接与构造、变形与损伤和防护措施等；木材性能的检测可分为木材的力学性能、含水率、密度和干缩率等项目；木结构工程质量检测涉及的木材力学性能又分为抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度等。
上海市标准《既有建筑物结构检测与评定标准》(DG/TJ 08-804-2005)[6]规定优先采用取样法确定木材的力学性能；无法取样且木材的材质与外观与同类木材有显著差异时，可根据木材的材质、树种、材性和使用条件、使用部位、使用年限等情况进行综合分析，强度按国家标准《木结构设计标准》规定的相应木材强度乘以折减系数0.6~0.8；木构件疵病采用外观检查和量尺检测；木构件裂缝检测包括裂缝宽度、长度和走向，其中裂缝走向采用目测法，裂缝宽度采用目测、游标卡尺、读数显微镜或裂缝宽度检测规进行检测，裂缝长度采用卷尺测量；木构件腐朽和虫蛀采用外观检查或锤击法检测；木结构连接节点的损伤采用外观检查或用量尺和探针进行检测。
以上规定的检测方法主要以目测、敲击和取样为主，仍存在明显不足。其中目测法和敲击法的准确性取决于检测人员的经验，量化较困难，常常存在较大的误差。而传统的取样法通过采用后在材料试验机上进行木材力学性能的测试，其检测时间长、稳定性和重现性差，且取芯对木构件受力性能有明显不利影响。木构件无损检测方法可在不破坏木材的原有形状、原有结构和原有动力状态的前提下，利用现代的物理方法和手段快速测量出木材的力学性能和内部缺陷。既有建筑中的木结构检测既要提高检测的准确性，又要降低检测对建筑的附加损伤。
木结构检测技术包括：取样法、目测法、锤击法、钻芯法、射钉法、超声波法、电学方法、γ射线法、X射线法、微波检测法、红外线检测法、机械应力检测法、声发射检测法、核磁共振法。由于木结构检测方法研究的相对滞后，现阶段木结构检测仍以取样、目测和锤击等方法为主，其中取样法为局部破损检测法，对重要受力构件不能采用；目测法和锤击法为定性检测方法，其检测准确性与检测人员的经验密切相关，其检测结果难以用于对木结构进行定量分析。各种检测方法的基本情况如下[7]：
目测法目测法就是通过肉眼进行观察，可对木构件性能进行预判，对腐朽严重或虫蛀严重的木构件直接评估而无需采用其它检测方法进行检测；也可对无损检测结果进行判别和验证，保证其它无损检测方法的准确性。
微损检测办法一般情况下，常需采用仪器对木构件的局部进行微损检测，由于微损检测的影响程度和范围均较小，其对木构件宏观力学性能的影响可忽略，一般也可认为是无损检测方法。微损检测方法包括：锤击法、钻芯法和贯入法。锤击法就是用锤子对木构件检测部位进行敲击，以判断木构件有无明显的腐朽、空洞或虫害；钻芯法就是钻取小型木芯样来检测木材内部的腐朽；贯入法就是使用木材阻力测定仪（如IML阻抗图波仪）测定木材内部腐朽和空洞等。目前，我国规范规定的木构件常用检测方法主要是目测法和锤击法。
声波法声波法是通过冲击或施加应力使其产生振动，测定其声波传播速度或振动波谱，并进行分析的方法。对木构件常用测定声速来计算其动弹性模量，可用于既有建筑木结构的安全评价。当木材发生腐朽或虫蛀时，垂直于木材纹理方向的传播速度急速增加。当应力波传播速度增加30%，木材强度损失达50%；当应力波传播速度增加50%时，木材即遭到了严重损害；横向（径向或弦向）是探测腐朽的最佳途径。
机械应力检测法是采用机械方法施加恒定变形（或力）被测试材上，测得相应的载荷（或变形），由计算机系统计算出试材的弹性模量和抗弯强度，并可用于成材的在线应力分析。
超声（应力）波法超声波法分为穿透应力波系统和脉冲-反应系统。穿透应力波系统是指超声波沿被检测木材的厚度方向传播，而被检测木材的声波特性就在另一边被记录下来；而脉冲-反应系统是指测定记录被传播到材料内部表面的回声波的特征，可以测定木材腐朽深度等。超声波的频率超过20kHz。
声发射（AE）检测法木质材料受外力或内力作用产生变形或断裂时，会以弹性波的形式释放出应变能，利用电子仪器应变能反映的声发射信号并由此判断木质材料内部的裂纹、缺陷、结构变化、破坏先兆等材料的内部动态信息。
电学方法利用木材电阻和木材含水率的相关关系进行无损检测，可以测定木材含水率。还可以利用木材电阻特征在现场探测木材腐朽。
γ射线利用γ射线可以定量化探测木材内部腐朽程度，也可以定量测定防腐剂痕量元素在木材中的分布。这种检测方法的不利因素是要用到放射性元素。
X-射线这是实验室和生产线上常用的一种方法，主要用于检测木材内部腐朽、木材微密度测定、木材节疤等的检测等，如常见的软X射线木材微密度测定仪、X-射线木材缺陷检测系统等。
微波检测法利用微波在不同介质中的传播速度和衰减速度的不同，研究木材不同方向和不同部位的差异，常用透射、反射、定波和散射类仪器来检测。
红外线检测法利用木材中的极性基团或木材中的水分子对红外光能量的吸收强弱来判断该物质的数量多少或疏密。
核磁共振法利用木质材料内部的极性分子或水分子对核磁共振光谱的吸收性质形成核磁共振谱图，或形成核磁共振光谱图象，从而非破坏地观察木质材料内部的结构、缺陷或有价值的信息。
既有建筑中木构件的检测方法还需进一步研发，以提高木结构检测方法的精度和科学性。
5.混凝土检测技术
混凝土结构检测技术包括：回弹法、超声回弹法、钻芯法、雷达法、微观结构分析法、钢筋探测法、局部破损法、锈蚀电位法等。对于一般混凝土结构，多采用回弹法或超声回弹法进行检测，如既有建筑的混凝土龄期较长或混凝土受到损伤，则应采用钻芯法进行修正。
回弹法检测混凝土强度既有建筑混凝土回弹法检测按中华人民共和国行业标准《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T23-2001[8]执行。在对既有建筑混凝土进行回弹法测试时，每一结构或构件测区数不应小于10个，对某一方向尺寸小于4.5m，且另一方向尺寸小于0.3m的构件，其测区数量可适当减少，但不应少于5个。相邻两测区的间距应控制在2m以内，测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m，且不宜小于0.2m。每测区面积不大于200mm×200mm。测区应选在使回弹仪处水平方向，检测混凝土浇筑侧面。当不满足这一要求时，方可选在使回弹仪处于非水平方向，检测混凝土浇筑侧面，表面或底面，计算数据时需修正。既有建筑重要的混凝土构件及薄弱部位必须布置测区。
超声-回弹综合法检测混凝土强度既有建筑混凝土超声－回弹综合法按中国工程建设标准化委员会标准《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02:2005)[9]执行，并需采用钻芯试件作校核。超声检测仪在现场检测前，应通电预热，并须用标准棒进行测定。既有建筑单个混凝土构件检测时，构件上应均匀布置不少于10个测区，对长度小于或等于2m的构件，其测区数量可适当减少，但不应少于5个。对同批构件按批抽测时，构件抽样数不应少于同批构件数的30%，且不少于10件。由于既有建筑混凝土与制定测强曲线所用材料有较大差异时，须从结构构件测区内钻取混凝土芯样进行修正，试件数量不少于3个。
钻芯法检测混凝土强度既有建筑混凝土钻芯法根据中国工程建设标准化委员会标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03:2007) [10]执行，而对于混凝土强度已衰减至C10以下时，不宜采用钻芯法检测。在检测过程中，应合理确定取芯的位置，并应注意取芯后孔洞的及时填补。
6.结语
本文对既有建筑砌体、木材和混凝土的检测方法进行了对比分析，在分析基础上，提出如下建议：
1) 既有建筑特别是老化损伤明显的历史建筑砌体强度检测应优先采用原位双砖双剪法，并应与其它检测方法配合使用。