動態曲繞實驗裝置

1. 電子點火裝置的原理及其如何控制點燃煙火

電子點火糸統工作原理

一、 電火花的產生

我們知道物質由分子組成，分子又由原子組成，原子由原子核（包括質子和中子）和電子組成，電

子圍繞原子核旋轉運動。在通常情況下，電子的負電荷和質子的正電荷相等，兩者平衡使原子的總電荷

量為零。在外界能量的作用下，原子外層的電子運動的速度加快到一定程度時，就會逸出軌道與其他中

性原子結合，這一原子「俘獲」電子之後負電荷量增加，呈現負極性，稱之為「負離子」。而失去電荷

的原子負電荷量減少，呈現正極性，稱之為「正離子」。 離子有規律的定向運動便形成了電流。

根據上述理論，混合氣在進入氣缸前 都會有微量分子游離成正離子和負離子。氣缸壓縮過程中，

由於氣體受擠壓及摩擦也會產生更多的正離子和負離子。當火花塞兩電極加有電壓時，離子便在電場力

的作用下分別向兩極運動，正離子向負極運動、負離子向正極運動形成了電流。但是在電場力較小時(電

壓低)，原子中的電子運動的速度低，不能擺脫原子核的引力逸出軌道，形成新的離子。所以，氣體中

也只有原來存在的離子導電，由於他們的數量很微小，放電電流微弱,所為只存在理論導通,電路中相當

於串接了一個極大電阻R。(參見圖2)

隨著電壓的增高，電場力增大，原子動能增大，大量原子擺脫原子核的引力逸出軌道，混合氣中產

生了大量離子，同時正離子和負離子向兩極運動的速度加快，正、負離子產生的動能輕而易舉便能將中

性分子擊破，使中性分子分離成正離子和負離子，這些新產生正、負離子在電場力的作用下，也以高速

向兩極運動，又去擊破其它中性分子，這樣的反應連續發生象雪崩一樣,使氣體中向兩極運動的正離子

和負離子的數目劇增，從而使氣體失去絕緣性變為導體(R変成較小阻值),形成放電電離通道，即擊穿跳

火。其中由於正負離子高速運動及摩擦碰撞形成的高溫熾熱電離通道(幾千度)發光，於是我們就見到火

花，同時,電離通道周圍氣體驟然受熱膨脹發出「啪啪」聲。

二、發動機的工作狀況對點火的影響

(1) 火花塞電極間隙越大，在同樣電壓下極間隙越大電場越弱，電場力越小，較難產生足夠的離

子，故需較高的電壓才能跳火。影響擊穿電壓的因素還包括:火花塞電極的形狀、電壓的極性。

(2)氣紅內的氣體密度大（混合氣濃），單位體積中氣體的中性分子數量越多，分子間距離越小，

正離子或負離越容易與分子相撞，加速的距離短，速度不高動能小，難以擊破中性分子產生新的離子。

故需較高的電壓才能跳火。同理，火花塞電極的溫度越高，電極間近旁的氣體密度越小，故需較低的電
壓就能跳火。

(3) 混合氣度溫度越高，其分子內能越大，就越容易電離，因此跳火電壓可降低；反之冷車啟動時，

由於混合氣中離子運動能力低，不易電離，就需要較高的跳火電壓。據測定，冷車啟動時，跳火電壓

最高約為15kv-25 kv，溫對積常後，汽車則只需要8kv—12 kV的擊穿電壓。

三、發動機對點火系統的要求

1．能產生足以擊穿火花塞電極間隙的高壓電

火花塞電極間能產生火花時所需要的電壓，稱為擊穿電壓或稱為跳火電壓。正常情況下変壓器輸出高壓大於跳火電壓，反之失火。

2．能夠控制點火能量大小

A．要可靠點燃混合氣，火花塞必須具有足夠的點火能量。在發動機正常工作時，電火花只要有1～10mJ的能量即可。但是在起動時，為保證可靠點火，火花塞的點火能量可達到100mJ。

B．能根據發動機的各種工況對點火能量調整，即對高壓輸出晶體管導通時間(傳統機械式閉合角的控制)長短的控制，達到對高壓變壓器初級電流大小(能量大小)的控制。

3．點火時刻應適應發動機的各種工況

A.發動機不同轉速和負荷所要求的最佳點火提前角不同，點火系統必須能自動調節點火提前角。發動機的點火提前角表示式：
實際點火提前角＝初始點火提前角+基本點火提前角+修正點火提前角（或延遲角）。

B.這種數字式電子點火系統還能將點火時間智能控制在臨爆點或微爆點范圍，使汽油機在功率、經濟性、加速性和排放控制方面達到最優。

四、數字式電子點火系統組成

數字式電子點火系統是在使用無觸點電子點火裝置之後的汽油機點火系統的又一大進展，稱為微型電子計算機控制半導體點火系統。

點火系統的分類：
A.。電感蓄能式點火系統(實際電路參見圖3、4、5)
點火系統產生高壓前以點火線圈建立磁場能量的方式儲存點火能量。目前汽車使用的絕大部分點火系統為電感儲能式。(重點分析介紹)

B．電容儲能式點火系(圖6)
點火系統產生高壓前，先從電源獲取能量以蓄能電容建立電場能量的方式儲存點火能量。多應用於高轉速發動機上，如賽車。

工作原理是把較低電源電壓變換成較高直流電壓(500V-1000V)對電容充電蓄能，點火時刻通過電

容放電使變壓器產生高壓。特點是電容充放電周期快，高壓跳火火花持續期短(約1微秒)且電流大，

不存左火花尾。ECU根據發動機工況在一個點火周期內進行1-3次點火。

電感蓄能式點火系統主要有微型電子計算機(ECU)、各種感測器、高壓輸出部分(功率管、變壓器、高壓線、火花塞)三大部分組成。(參見圖1)

1.ECU
ECU就是整部汽車的智能控制中心，指揮協調汽車的各部工作，同時ECU還有自動診斷功能。

其中處理控制點火系統工作是ECU眾多工作重要的一項。ECU只讀存儲器ROM中存有500多萬組

數據，這些數據大多數是發動機通過各種實際工作情況測量優選得出的，包括了整個汽油機工作范圍

內各種轉速和負荷下的最佳點火提前角及噴油脈寬等有關全部數據。不同型號整車的ECU的存儲數

據是不同的，各廠家對數據都是保密不公開的；這些數據保證了汽油機在功率性、加速性、經濟性和

排放控制方面達到最優組合。

ECU控制點火原理
發動機啟動後，ECU每10ms採集一次發動機的各感測器動態參數，按預先編好的程序處理這

些數據，並存入隨機存儲器RAM中；同時ECU還要根據電源電壓大小、從其只讀存儲器ROM中選

取出適應當前工況的高壓變壓器初級線圈電流導通時間，(即ECU輸出寬度不同的方波電壓控制高壓

輸出糸統變壓器初級線圈電流大小，實現對高壓輸電壓大小的控制)ECU綜合這些數據，從其只讀

存儲器ROM中查找出（計算出）適應當前發動機工況的最佳點火提前角存入隨機存儲器RAM中，

然後利用發動機轉速（或轉角）信號和曲軸位置信號，將最佳點火提前角轉換成點火時刻,即切斷高

壓變壓器初級電流的時刻。

在下列情況下ECU點火實行開環控制，點火按預設程序工作。
A..發動機啟動時。B.重負荷時。C.節氣門全開時。

2.感測器

感測器就是各種不同類型及功用的測量元件，安裝在發動機不同的有關部位，把發動機工況各種參數變化反饋給ECU作計算數據。

在點火系統中應用的感測器主要有:空氣流量計及進氣溫度感測器、發動機轉速及曲軸位置感測器、節氣門位置感測器、冷卻液溫度感測器及爆震感測器、氧感測等等。

3. 高壓輸出

A.高壓輸出功率三極體:在電路中起開關作用。

B.高壓輸出變壓器:在電路中把低電壓轉換成高電壓供火花塞點火。

C.高壓線:在電路中把高壓電傳輸到火花塞。

D.火花塞:在電路中把高壓電引進汽缸並把電能量轉換成熱能。

高壓的產生及控制原理

基本理論:
A.導體中有電流通過就會產生一個磁場，電流越大磁場越強。

B.導體磁通量的變化(切割磁力線)會產生感應電動勢,磁通量變化率越大產生感應電動勢越強。

C.導體中產生感應電動勢的方向總是阻礙磁力線(電流)變化的，因此產生阻抗。

D:電感元件導通時電流增加按時間指數規律變化。

ECU根據發動機不同的工況、電源電壓高低，選出只讀存儲器中存儲的最佳點火數據，即輸出

不同寬度的方波電壓給高壓輸出控制單元，控制功率三極導通、截止。→功率三極體基極接收到方波

電壓飽和導通, →高壓輸出變壓器初級線圈電流開始導通，由於初級線圈存在電感產生一個反向電動

勢，所以電流不能突變，電流按指數曲線增大， (理論上時間無限長時電流達到最大值,但是在實際應

用中我們只需應用電流快速上升期，因初級迴路中只有電源電壓及時間為變數，所以ECU就是按照

這個指數規律，計算出導通時間長短,達到控制高壓能量目的。) →並產生一個相應的磁場；→初級

線圈電流會很快上升到預設值，到達點火時刻時，→ECU切斷方波電壓(或加一反向電壓)使功率三極

管立刻截止；→變壓器初級線圈電流突然被切斷，→即變壓器磁力線突然消失(磁通量變化率很大)使

變壓器線圈產生感應電動勢，→因變壓器次級線圈繞有較多匝數所以產生出高的點火電壓。假如每匝

線圈感應電壓為E，次級線圈有N匝，則次級電壓為:U=E×N(伏)。

點火的電原理

整個點火糸統的電原理簡化：圖1；變壓器次級工作等效：圖2

變壓器次級線圈分布電容及火花塞、高壓線的分布電容組成迴路電容C，電路無屏蔽時C約50PF，有屏蔽約150PF，火花塞間隙等同可變電阻R。

高壓能量分三個階段變化消耗
第一階段
電容C放電期(誘燃期)：變壓器次級線圈產生的點火高壓對電容C充電，當電容C電壓上升達

到火花塞擊穿電壓時，火花塞跳火電容C快速放電, 火花塞間隙電壓迅速下降到幾百到幾千伏，電容

C放電瞬間電流達10-50安培以上，放電時間約1微秒。點火電壓越高(即點火能量越大)，C放電電

流越大。

正常狀況下氣缸的混合氣就是這一時刻的火花點燃。如果跳火電離線被發動機氣缸內高速擾

流吹息，変壓器高壓再次對C進行充電，則C第二次放電產生電離通道。

註：電壓從10000V-20000V左右在1微秒內突降至幾百到幾千伏，由此產生了一個很強的方波

電壓，並通過高壓線幅射電磁波，對外界電器產生干擾波。方波由N個正弦波組成，所以形成了一

個1微秒時基為中心的干擾電磁頻帶。

第二階段
電感放電期(燃燒期)：電感放電是靠電容C放電產生的電離通道形成的低阻產生的。由於電容C

放電產生的電離通導(電阻)不能立刻消失，同時變壓器次級電感中還存有充足的高壓能量，所以電感

繼續對電離通導放電使火花持續。

由於次級線圈放電電流的變化引起磁通量的變化，次級電感線圈產生了一個感抗電動勢，即產

生一個與電感放電電流方向相反的電動勢阻礙了電流的変化，使放電電流較小，電流在幾到幾十毫安，

所以，高壓能量需要較長時間放電才能消耗掉，這一電感放電火花持續期俗稱火花尾。

由第一階段電容C放電誘燃後產生一個「火焰中心」，這個「火焰中心」跟隨氣缸內高速擾流移

動離開了火花塞電極,這時電感電能放電火花又會點燃混合氣另一個「火焰中心」，作為點燃混合氣的

補充，「火焰中心」使混合氣在整個氣缸內很快形成燃燒的「明亮火焰期」，即氣缸內混合氣燃燒溫度

達最高，氣體壓強達最高值。這個過程稱為混合汽燃燒期, 燃燒時間在750μS-2500μS之間。

電感放電火花在發動機啟動及低速時非常重要，發動機在啟動或非正常工況下，電容C放電期極

有可能未點燃混合氣，此時，只有靠電感放電火花來點燃燃混合氣。

冷車啟動時氣缸內的混合氣溫度低，霧化效果差，點然混合氣需要較長火花期；在低轉速時,由於

氣缸內混合氣擾流速度低，第一個「火焰中心」移動慢，有必要點燃第二個「火焰中心」加快混合氣

的燃燒，所以點火火花期也較長。但當發動機轉速較高時, 氣缸內混合氣擾流速度変快，「火焰中心」

高速移動，快速傳播引燃了缸內混合氣，因此，並不需要第二個「火焰中心」。

根據混合汽燃燒時間在750μS-2500μS之間，所以，火花持續期最長在700μS左右就可保證混

合氣的完全燃燒。實驗證明火花持續期過長對燃燒效果並沒有提高，相反，電離通道生產的高熱加上

火花塞自身溫度反而加速了火花塞電極的燒蝕，這就是為什麼要控制點火能量的主因。

註：次級電流不能簡單應用I=U/R公式計算，因為電感產生的感抗電動勢方向總是阻礙磁力線

(電流)變化的，所以應用I=U/R+E/R計算，U高壓電壓,E感應電壓，R迴路電阻；或I=U/r ，

r=火花塞等效電阻+高壓線電阻+線圈直流電阻+感抗電阻。其實高壓線電阻、線圈直流電阻在整個阻

抗中的比例很小,所以可忽略不計。

另會,從這一原理可以正明,點火能量的大小與高壓線無關(當然，不包括損壞高壓線)。認真看了這

篇文章後，你們如果還是相信有XX高能量火花線，只能說明你水平大差。

第三階段
振盪衰減期：隨放電時間的增加電感線圈儲存能量(電壓)消耗下降，使氣體中分離的電離子越來

越少，電感放電電流也就越來越少，電離通道溫度下降，根著通道電離子數量急劇下降,即相當於通

道電阻值R逐步上升変為無限大，火花塞停止跳火。這時電感剩餘能量對電容C充電，電容C對電

感放電，如此反復直至下一個點火周期的到來。

註：同樣此階段產生一個逐步衰竭的正弦振盪波對外界造成干擾，但強度遠小於第一階段電容放電干擾電磁波。

多餘的話
汽車已有100多年歷史，發動機的氣缸、活塞等並沒有變化,只是工藝的提高。自發動機引入微型電子計算機控制後，產生了質的變化。因此, 發動機系統越來越完善，從噴油到點火、進氣到排氣無不環環緊扣,相互相連。也就給我DIY的空間越來越少,顧此失彼，所以沒有較高的專業水平請不要更換與原車不同的點火電器設備，特別是更改點火變壓器請三思而行。

在點火糸統中，很多人認為更換價格更高的火花塞及高壓線會增加發動機的性能，其實不然。
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隨著汽車越來越多地進入社會與家庭，汽車愛好者及有關人員迫切希望了解汽車上一些系統的工作原理與維修。其中現代汽車電氣部分廣泛採用的電子點火系統就是很重要的部分。汽車為什麼要採用電子點火？本著由淺入深的原則，本文首先簡介傳統的汽車機械式斷電觸點點火（俗稱白金觸點點火）的原理與不足之處。傳統的機械式斷電觸點點火的原理圖1是一個4缸汽油發動機的點火電路原理圖。它主要由蓄電池、點火開關、斷電觸點、電容器、火花塞、點火線圈及附加電阻等組成。閉合點火開關後，蓄電池點火電流經過點火開關、附加電組（或經過啟動機短路開關，啟動時閉合）到點火花線圈的初級繞組，經過斷電器觸點，再經車身拾鐵（即接地）回到蓄電池的負極。這時由於初級繞組中有電流通過，所以在點火線圈鐵芯中形成了磁場並儲存電磁能。當發動機運轉帶動分電器的凸輪（凸輪的稜角數等於發動機的氣缸數）轉動時，凸輪的稜角頂開動觸點臂上的絕緣凸塊使斷電器觸點打開，這時初級繞組中電流中斷。由於點火線圈類似一個升壓變壓器，所以因互感的作用，次級繞組中便互感產生出20kv左右的高壓電，從而經分電器擊穿火花塞的電極，產生火花點燃氣缸內的可燃混合氣。在這種點火系統中，斷電觸點上並聯的電容器（0.22μF左右）有兩個重要的作用： 1． 當斷電觸點打開時，因磁場消失，初級繞組中將產生300V左右的自感電動勢。若無電容器，這個自感電動勢將使觸點燒損。當斷電觸點打開時，電流流向電容器充電，這時電容器與初級繞組構成一振盪放電。充了電的電容器，以電流相反的方向通過初級繞組盪放電，加速了磁場的消失，使次級繞組的互感電動勢升高。整個點火過程可分為兩個階段：斷電觸點閉合期間點火線圈初級繞組中電流的增長；斷電觸點打開後，次級繞組中高壓電的產生。在這種傳統的點火方式中，斷電觸點是故障的多發點，同時也是排除故障的突破口。此點火電路實質上就是把蓄電池12V的低壓電，通過點火線圈（即變壓器）升壓到幾萬伏的高壓電。大家知道變壓器只對交流電起作用，而汽車上沒有交流電源，所以用斷電觸點一開一閉，造成點火線圈初級繞組中的電流時通時斷產生脈沖直流電，來仿效交流電。從而使次級繞組能夠產生高壓電。知道了這個原理，就不難判斷故障所在，首先必須有良好的脈沖低壓電（12V），否則就不會產生高壓電。而造成脈沖低壓電不良的原因，大多是斷電觸點燒損、接觸不良、間隙失准所致。上述傳統的機械式斷電觸點點火有幾個根本的缺點： 1、 盡管有電容器的消弧作用，斷電觸點還是容易燒損。分電器的凸輪和動觸點臂上的凸塊容易磨損，從而引起斷電觸點接觸不良和觸點之間的間隙失准（正常間隙為0.35-0.45mm），造成車輛不易啟動和點火時間的變化。點火線圈初級繞組中的電流不能加大（≤5A）。因為初級繞組中電流加大，更容易使斷電觸點燒損。但是要提高警惕次級繞組產生的互感電動勢（亦即次級繞組的高壓），更有利於點燃氣缸內的可燃混合氣，就必須加大通過初級繞組中的電流（即通過斷電觸點的電流）以產生更大的磁通變化量。這顯然是一個不能解決的矛盾。1、 斷電觸點的間隙一經調好，人為地不再變動。大家知道汽車發動機的轉速是在不斷變化的，以4缸發動機為例，在低速時斷電觸點閉合時間長，點火線圈初級繞組中通過的電流，因而次級繞組產生的互感電動勢就高；在高速時斷電觸點閉合時間短，初級繞組中通過的電流小，造成次級繞組產生的互感電動勢降低。再則，隨著發動機氣缸數的增加（如6缸發動機），斷電觸點的閉合時間還要縮短，初級繞組中的電流進一步減少，最終使次級產生的互感電動勢還要降低。雖然點火電路中有PTC附加電阻的補償作用，但還是不能從根本上解決問題。總之，傳統的斷電觸點點火系統，次級繞組中互感電動勢的最大值（即擊穿火花塞電極的放電電壓），在很大程度上取決於斷電觸點斷開時，初級繞組中電流所能夠達到的最大值。次級繞組中的電壓是隨著發動機轉速的增高和發動機氣缸數的增加而下降。主要原因就是因為點火線圈初級繞組中的電流不能恆定（盡管有PTC附加電阻的補償），點火閉合角不能控制。所以傳統的機械式斷電觸點點火已經到了盡頭，必須從本質上改變。無觸點電子點火的原理與維修汽車採用電子點火是60年代末出現的。它取消了傳統機械式點火裝置中的斷電觸點，所以機械磨損問題減少了，許多甚至不存在磨損。因而帶來了許多的優點，車輛啟動容易、點火能量大、降低油耗、減少排污、減輕甚至不需要維護。無觸點電子點火從使用的儲能元件上可以分為：電感儲能（儲能元件是點火線圈）放電式電子點火和電容儲能（儲能元件是電容器）放電式電子點火兩大類。前者主要用在汽車上，後者主要用於摩托車。無觸點的汽車電子點火系統從採用的信號感測器（信號發生器）又可分為：光電式電子點火、電磁感應式（磁電式）電子點火和霍爾感測器（霍爾效應）式電子點火。汽車電子點火系統裝置方框圖見圖2所示。因早期的光電式電子點火不十分理想，故現在基本上不使用了。目前普遍採用的是磁電式感測器和霍爾式感測器電子點火系統，點火控制器有分立元件和集成電路兩種，配用高能的點火線圈等。其它部件類同傳統的有觸點式點火系統。1．磁電式電子點火系統的原理與維修 圖3是一種汽車磁電式電子點火電路原理圖。它由信號發生器L（信號感測器）、點火線圈、火花塞、電源（蓄電池）等組成。信號發生器的工作原理見圖4。信號發生器安裝在分電器內，它由鐵芯、永久磁鐵、信號線圈、觸發輪及空氣隙組成。工作時，由發動機帶動分電器軸上的觸發輪旋轉，利用電磁感應原理，輸出交變的信號電壓。詳細工作原理如下： 1當觸發輪轉到圖4中（a）的位置時，信號線圈鐵芯和觸發輪的凸齒處在相接近的位置。這時空氣隙越來越小，磁通量從此位置開始逐漸增加，當轉到信號發生器線圈鐵芯位於兩個凸齒之間的某一位置時，磁通量的變化率最大。因而感應產生的電動勢最高，即產生的信號電壓亦最高。由楞次定律可知，A端為+、B端為-。 2觸發輪繼續轉動到圖4中（b）的位置時，信號線圈鐵芯的中心位置正好與觸發輪凸齒的中心相一致。這時空氣隙最小，通過的磁通量最大，但磁通的變化率為零。所以線圈中感應的電動勢亦為零，即無感應電壓輸出。 3當觸發輪轉到圖4中（c）的位置時，觸發輪的凸齒開始逐漸離開信號線圈鐵芯，空氣隙開始增大，磁通量開始減小。當轉到觸發輪的兩個凸齒間的某一位置時，磁通的變化率最大。此時感應產生的電動勢最高，但感應電壓的極性與圖a相反，即A為-、B為+。若觸發輪不停地轉動（發動機運轉時），上述工作過程不斷重復發生。對於4缸發動機，觸發輪旋轉一周360°產生4個交變信號電壓，即90°產生一個交變的信號電壓。它實際上類似一個小型的交流發電機，輸出的交變信號電壓送至點火控制器工作原理見圖3，這是普通的汽車電子點火電路之一。工作原理很簡單，它由信號拾取、整形放大、開關等電路組成。鑒於這些電路原理在一般電子書刊中均有介紹，故在此只簡述工作過程。當信號發生器輸出的交變壓器A端為+、B端為-時，二極體D1截止，三極體T1導通，T2截止T3、T4導通，這時點火線圈初級繞組中流進電流儲存能量。當觸發輪轉動，輸出的交變壓器A端為-、B端為+，二極體D1導通，三極體T1截止，T2導通，T3、T4截止。點火線圈初級繞組中的電流被切斷。次級繞組產生高壓電，使火花塞放電點火。圖5是採用美國摩托羅拉公司生產的汽車專用點火集成電路89SO1的點火線路。工作原理大同小異，只不過增加了一些輔助的功能，如閉合角控制、點火恆流控制等。汽車電子點火系統的原理與維修（下）汽車電子點火系統一般來說是比較可靠的，但是也免不了有出故障的時候，下面介紹其檢修步驟與方法：第1步：首先查看各導線有無明顯的短路、斷路接觸不良等現象，不要一開始就盲目地拆卸電子點火器件。因為有許多故障都與汽車所處的特殊使用環境有關，如路面的顛簸、泥水的侵蝕、銹蝕。尤其是導線的插接件中侵入泥水後，極易造成短路、接觸不良等故障。第2步：上述檢查完好後，才可進一步檢查點火系統中的各部件。首先檢查各部件自身有接地迴路的其自身接地是否良好，這一點也是故障的多發點。如點火控制器是靠其外殼與車身接地（或專用接地線），再也蓄電池負極連接一起構成迴路的。如果接地不良，就會造成點火系統工作時好時壞，甚至完全不工作。第3步：確認電子點火部件有故障後，應拔掉分電器（信號感測器）與電子點火控制器的插頭，先單獨測試信號感測器，用萬用表的交流電壓擋接地信號感測器輸出的插頭上，啟動發動機帶動觸發輪轉動。這時萬用表若無指示，即無信號電壓輸出，說明信號感測器有故障，用萬用表測其電阻值時，一般正常應為幾百歐姆（視不同的感測器信號線圈而定）。觸發輪與信號線圈鐵芯的間隙一般為0.2-0.4mm，否則應與調整或更換。第4步：檢查電子點火控制器。電子點火控制器其實就是一個將輸入信號波形整形放大的晶體管開關電路。先接通其工作電源，取蓄電池一格2V電壓或用一節1.5V的干電池，+、-極分別觸碰電子點火控制器的輸入A、B兩端（模擬信號感測器輸出的信號電壓），並用萬用表直流電壓擋監視點火線圈初級（電源輸入端）與接地之間的電壓。如果萬用表的指示在接近0V（開關三極體導通時的管壓降）和接近電源電壓12V交替地變化，說明電子點火控制器良好。否則有故障。第5步：檢測點火線圈。汽車上的點火線圈其實就是一個升壓變壓器。初級繞組的阻值應在0.5-1.7Ω，次級繞組的阻值應在3-4kΩ或 10-15kΩ（視配用不同的點火線圈而定。高壓點火線阻值不得大於25kΩ，否則應更換。）一般經過上述幾個步驟的檢查，即可查出故障所在。當然汽車點火系統還有諸好火花塞、分火頭及蓄電池等故障，不過那已是傳統有觸點式點火系統常遇到的普通問題。霍爾式汽車電子點火的原理與維修磁電式電子點火，因信號感測器是基於電磁感應原理，工作性質類似一個小型的交流發電機。所以發動機在低速運轉（如啟動時）時輸出的信號電壓較小，甚至更低轉速時，產生不了足夠的信號電壓。因此它對發動機的轉速有一定的要求。新型的霍爾感測器式汽車電子點火是應用了霍爾效應原理，感測器輸出的是開關脈沖信號，且具有陡峭的前沿和後沿。只要發動機一轉動它就有霍爾信號電壓輸出，不受轉速的影響。且還不受溫度濕度、等影響，可在惡劣的環境中穩定地工作。使得汽車點火的正時精度、可靠性大大提高，故障率大大減少，應用更為廣泛。圖6是汽車霍爾式感測器的工作原理與結構示意圖簡圖。它是由霍爾元件、永久磁鐵和一個能在霍爾元件與永久磁鐵之間的空氣隙里轉動的像鏟狀的金屬片（能陰擋、旁路磁場）等組成。工作時電源給霍爾元件提供一個很小的工作電流，發動機通過傳動機構帶動鏟狀的金屬片旋轉。當鏟狀的金屬片進入霍爾元件與永久磁鐵之間的空氣隙時，如圖6中的(a)所示，因磁場被金屬片所阻擋旁路，所以霍爾感測器無霍爾信號電壓產生。當鏟狀的金屬片離開霍爾元件與永久磁鐵的空氣隙時，霍爾元件受到磁場的作用，如圖6中的(b)所示，這時產生霍爾信號電壓。圖7是霍爾式汽車電子點火系統的結構方框圖。 圖8是應用在上海桑塔納和紅旗等轎車上的霍爾式電子點火電路原理圖。主要元件採用汽車點火專用集成電路L497或L482。它具有過壓、停車斷電拋負載等保護功能。並兼有點火電流恆定、可變閉合角功能。點火控制器的5腳提供霍爾元件工作電源，2、3腳接地。6腳輸入霍爾脈沖信號

2. 樁基動態無損檢測法

隨著高層建築、大型工程的蓬勃興起，在地基工程中，樁基礎被廣泛地使用。樁基具有防震、抗震、承載力高、沉降量小且均勻等特點。由於樁基是建築物的持力基礎，樁基的質量對建築物的穩定性影響很大，在混凝土灌注施工過程中，常常會造成部分樁出現斷裂、縮頸、擴頸、混凝土離析和蜂窩等現象，如不及時發現和處理將是建築物的長期隱患。

傳統檢測樁基完整是採用鑽探取心法測定樁基承載力，採用靜載荷壓樁試驗。這些方法雖直觀，但均存在設備笨重、成本高、工期長、檢測數量少、隨機性大等缺陷。而且，1%的驗樁率遠遠不能評價全部樁基質量。

動態無損檢測法具有省時、省力、經濟、簡便、無損、可靠等優點。

一、樁的動測技術的發展與應用近況

1.樁的動測技術在國外的發展和應用

近十年來，國外在樁動測技術方面有兩件事值得我們關註：一是對國外廣泛應用的波動方程法測樁的承載力進行了考核；二是國外出現了另一種新的動測樁承載力的方法，叫做靜動法，並且很快得到了認可和應用。

1992年在荷蘭海牙召開的第四屆國際應力波理論在樁基中應用的會議期間，對國外廣泛應用測樁承載力的波動方程法進行了考試，共有國際上有名的10家單位參加。試樁長為11.5m，截面為0.25 m×0.25 m，參加測試單位絕大多數都採用CAPWAP的程序和PDA儀器，但是測試結果很不理想，除了一家的結果（圖2-4-1曲線B）與靜載試驗結果（圖2-4-1曲線A）較接近外，其他結果均與靜載試驗結果相差甚遠，其中最低破壞荷載為90kN，最高為510kN，而靜載試驗的破壞荷載為340kN。

由此可見，即使採用相同的儀器、相同的程序、相同的方法，由於測試人員的素質和經驗不同，也會得到不同的承載力結果，這是值得我們引以為戒的。

為了搞清CAPWAP法和PDA儀器的實際應用效果，美國聯邦高速公路管理局（FHWA）委託麻省理工學院的佩柯斯基（S.G.Paikowsky）教授進行調查，後者搜集了206根樁的動靜對比試驗，結果如圖2-4-2所示。該圖的橫坐標為貫入1英寸所需的錘擊數；縱坐標表示靜荷載試驗結果與用CAPWAP實測結果之比值。由圖示結果來看，多數情況下CAPWAP所提供的樁承載力比靜載的結果要小，但也有偏大的情況。在分析樁打入性能和樁承載力時，國外採用的軟體有多種，但較為廣泛應用的除CAPWAP程序外，還有WEAP程序和TNOWAVE程序等，但其存在的問題大致與CAPWAP程序相同。

圖2-4-1 測樁承載力對比結果圖

圖2-4-2 動靜對比試驗結果圖

2.樁的動測技術在國內的發展和應用

樁的動測技術在我國的推廣和應用，經歷了一段不平凡而且頗有特色的道路。1989年第一次在北京召開的「全國樁基動測學術交流會」，開始將樁的動測技術推廣應用於工程實踐。1995年10月正式頒布了我國行業標准《基樁低應變動力檢測規程》（JGJ／T93-95），使我國小應變動測法進入了實用推廣階段，我國的「基樁高應變動力檢測規程」（JGJ106-97）也於1997年正式頒布。總之，動力測樁的技術在我國的工程建設中已經得到愈來愈廣泛的應用。

由於動測技術的發展，許多有關樁動測的學術爭議也隨之消失。例如，用小應變激振方法能否測定樁的完整性的問題，隨著大量的工程實踐已經得到了解決。目前，全國幾乎所有動測樁單位均採用小應變激振方法來檢驗樁的完整性。至於用小應變激振方法來檢測樁的承載力問題，雖然有些人尚不能接受，但全國已有90多家單位通過了國家建築工程質量監督檢驗中心組織的考試，獲得了建設部頒發的資質證書，允許在樁基工程中應用。盡管有些單位在掌握和應用這些新技術方面還不盡人意，但至少說明了這些技術所具有的優越性和強大的生命力。

此外，我國許多學者和研究人員近年來在樁的動測方面也進行了大量研究開發工作，有些單位還研製了新的儀器和設備，已經在樁基工程中得到應用的幾種動測方法，現在也在進一步改進中。

盡管我國在動測樁的應用和研究開發方面取得了很大的成績，並且在某些方面結合我國國情還有所創新，但也要看到我們在實踐中還存在著許多問題，它們是：①有些方法實施效果不盡人意，需要改進；②某些測試儀器質量不高，不能滿足測試要求；③有的測試單位因經濟利益驅動，接受了某種動測方法本應限制使用的測試任務；④測試人員缺乏應有的經驗或素質不高，造成測試結果不佳或誤判。總之，我們應清醒地看到，樁的動測新技術還將不斷地發展，各種動測方法必須以傳統的靜載試驗作為依託，而不是相互排斥。

二、樁基的類型

目前，我國採用的樁基主要有沉管灌注樁、鑽孔灌注樁、鑽擴灌注樁、沖孔灌注樁、挖孔灌注樁、爆擴灌注樁、鋼筋混凝土預制樁、鋼樁、旋噴樁、振動碎石樁、振動擠密砂樁等類型。

樁基按受力分類可分為摩擦樁、端承樁、擴底墩型樁。摩擦樁以樁周土的摩擦力為主，樁尖支承力為輔。端承樁的樁底坐落在堅硬的基岩上，它以樁底基岩的反向支承力為主，以樁周摩擦力為輔。擴底墩型樁要求擴大樁底部的接觸面積提高支承力。

三、樁基無損檢測方法

以應力波理論為基礎的檢測樁基質量的瞬態動測法和穩態振動法使用得最廣泛。

1.瞬態動測法（錘擊法）

嵌入土中的樁基，相當於一個在阻尼介質中上端自由與下端彈性連接的彈性桿，如圖2-4-3。在樁基頂端應用錘擊的辦法施加一脈沖激振力f（t），樁將產生縱向振動而產生應力波。波沿樁身傳播至樁底部分能量反射回樁頂。若激振力足夠大，樁和樁周圍一定范圍內的土將作為一個體系產生自由振動。通過儀器接收這些波，可對樁基質量作出判斷，並推算出單樁承載力。

圖2-4-3 一維彈性桿模型

（1）反射波法

a.基本原理及波形特徵

反射波法的現場測試工作如圖2-4-4所示。利用小手錘在樁頭施加一沖擊力f（t）被激發應力波在樁身內傳播，當遇到波阻抗界面時，將產生反射波，如圖2-4-5所示。

其反射系數為

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式中：A₁、A₂為樁身截面積；ρ₁、ρ₂為介質密度；v₁、v₂為波速；R表示反射波與入射波的振幅比。這里是以廣義的波阻抗Aρv替代波阻抗ρv，它取決於波阻抗的差異和截面積的變化，反射波旅行時與平均速度及波阻抗界面的深度l有關。然後利用拾震器接收初始信號，樁身缺陷和樁底產生的反射波信號，通過儀器進行處理和分析，結合地質資料對樁的完整性和混凝土的質量作出評價。

b.樁基完整性的分析與判別

完整樁 完整樁一般指樁身混凝土膠結良好，均勻連續，抗壓強度達到設計要求的樁，它只存在一個樁底波阻抗界面，由圖2-4-6可以看出，A₁ρ₁v₁＞A₂ρ₂v₂，所以R＜0，根據入射波和反射波速度量的相位關系為同向，體現在U（t）曲線上信號為同向疊加，如圖2-4-7所示其波形特徵為一衰減振動曲線，衰減快，樁底反射波明顯，解析度高。由圖分析可得一次反射波旅行時為t，樁長為l，則平均速度為

圖2-4-4 小擾動應變力波反射法示意圖

圖2-4-5 應變波的反射與透射

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t可以從時程曲線上讀得，若知v_c或l中任一個，便可求解。若二者均未知時，常利用統計的方法或其他實驗的方法假定v_c或根據施工記錄來假定l，以求得近似解。

缺陷樁 當樁間存在缺陷，如斷裂、夾層、空洞、縮頸或擴頸時，缺陷部位的應力波傳播速度v、密度ρ或截面積A與樁身完好部位都有所不同，即存在波阻抗差異。當應力波遇到波阻抗差異界面時，將會產生反射。若根據這一反射時間計算整樁的波速，則其結果將大於完整樁時的波速。如圖2-4-8 示，樁身在l₁處斷開，Z₂相當於充氣或充泥的波阻抗，反射系數，R＜0，曲線中主要反映了l₁處多次反射波，而樁底反射不清。圖2-4-9 表示在l₁處樁產生擴頸，應力波在l₁處反射系數R＞0，入射波和反射波為反向疊加，從時程曲線不難確定擴頸和樁底位置。

圖2-4-6 樁身完好

圖2-4-7 完好樁實測波形

圖2-4-8

圖2-4-9

根據樁彈性波速度評價樁的質量 眾所周知，樁基的波速與樁身混凝土的密實程度有關。緻密的樁身，其波的傳播速度則大，鬆散的樁身，其波速則小。

對動測樁身質量分類評價，是根據不同工程和不同類型的樁基檢測和靜荷載資料對比，可從兩個方向分類評價——樁身完整性和混凝土質量：①樁身完整性包括完好樁、微縮擴頸、嚴重縮頸、大面積離析、斷樁等可以根據動測波型特徵判斷；②混凝土質量則可以根據動測樁的波速進行評價。對灌注樁採用下表2-4-1所列波速進行分類判別。

表2-4-1

（2）樁基承載力推算原理

摩擦樁承載力的計算原理

摩擦樁指樁置於松軟地層。當用重錘豎向敲擊樁周土或樁頭而被激起振動後，將在垂向作自由振動，並通過樁側摩擦力及樁尖作用力帶動樁周部分土體參予振動，形成復雜的樁—土振動體系，其裝置見圖2-4-10所示。樁及樁側參振的土體，可視作單質點振動體系，根據質量—彈簧—阻尼模式振動理論，可推導出樁基的剛度計算式。再根據剛度與承載力之間的直接相關關系，可計算出樁基的承載力。

圖2-4-10 頻率法檢測裝置示意圖

圖2-4-11 樁—土體系示意圖

計算單樁抗壓剛度 在樁—土體系振動的曲線上求出振動周期 T_z，計算出自振頻率f_z，如圖2-4-11所示。根據單自由度的質量—彈簧體系，其質量和剛度同頻率關系：ω，單樁抗壓剛度為

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式中：λ是動力修正系數，可取λ=2.365；g是重力加速度為9.81（m/s²）。

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式中：（梨形土體擴散半徑）；A———樁的橫截面積（m²）；L₀———樁的全長（m）；L———樁的入土深度（m）；r₁———樁的砼容重（kN/m³）；r₂及φ———分別為樁的下段范圍內，土的容重（kN/m³）及內摩擦角。

計算單樁臨界荷載 臨界荷載指與按靜荷載試驗測定的P—S曲線上與拐點對應的荷載。根據動靜對比關系，可得臨界荷載：

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式中μ為靜載與動測之間的比例系數。它是選取不同地質條件下各種類型的樁基，進行動靜對比試驗，通過數理統計分析求得的回歸系數。

計算單樁允許承載力（P_a）對粗長樁，特別是當樁尖以下土質遠較樁側土強時，則

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對中小樁，特別是當樁尖以下土質較樁側土弱時，則

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式中k為安全系數，一般取2.0。

2.穩態振動法（機械阻抗法）

（1）方法原理

將樁視為一維彈性體，當其受縱向穩態振動時，給定不同的邊界條件，既可求得樁的動力反映，該反映包含了材料的有關信息。研究樁的動力反映曲線可判定樁的質量和樁基的承載力。

（2）測試系統

樁的穩態激振測試系統如圖2-4-13所示。超低頻信號發生器輸出頻率5Hz～1500Hz的自動掃描正弦信號給功率放大器，由它推動樁頂中心的電磁激振器向樁施加幅值不變的動態激振力（即：激振力在激振頻率變化時，保持恆定，使樁產生穩態振動）。在樁頂和激振器之間有力感測器，它可知激振力的大小，樁頂拾振器接收樁的振動信號，經測振放大器與IBMPC/XT機相連，可進行計算並列印出成果圖件。

圖2-4-12 樁基的導納反應曲線

（3）測量信息的利用及判別樁質量的依據如果使用一定能量在樁頂進行激振，其激振力為F（ω），則樁身內產生應力波，並沿樁身向下傳播，在任何一個密度不均勻的界面上則有一部分能量反射回到樁頂，這時在樁頂用拾震器可直接測量到樁基系統的速度反應U（ω），則速度導納為：

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它決定於樁基系統的質量，阻尼系數和樁基的抗壓剛度。以頻率f為橫坐標，以速度導納絕對值為縱坐標的導納反應曲線，如圖2 4 12 所示。樁—土體系不同，導納反應曲線也有差別，速度導納曲線是判別樁基質量的重要依據。

a.樁身砼的波速v_c

由波動理論可知：

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式中：Δf是導納曲線上兩諧振峰之間的頻率差；L為樁長。

應用時根據已知樁長L和測得的Δf計算v_c，正常砼的波速v_c=3300～4500m/s，若v_c小於此范圍，說明砼的質量較差。另外，也可利用Δf和正常v_c值反算樁長L_m，質量好的樁L=L_m，若L_m＜L則反映了在深度處有質量問題。

圖2-4-13 穩態激振測試系統

b.特徵導納

所謂特徵導納是指導納頻譜曲線上振幅的幾何平均值，還可以求出特徵導納，利用實測的特徵導納與理論計算的特徵導納作比較，可判別樁基的質量。如果實測值接近理論計算值說明樁基的質量及完整性較好。

理論計算的特徵導納公式為

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式中：ρ_c是樁基質量密度；A_c為樁的截面積。

實測特徵導納表示為

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式中：ρ_max和Q_min是速度導納的最大值與最小值，由圖2-4-13中讀出。

若N_m≈N為正常樁，若N_m＞N，說明ρ_c或v_c變小（存在局部混凝土鬆散）或A_c變小（局部有縮頸）。若N_m隨頻率增高而變小，表示樁徑上大下小，也為縮頸樁。若N_m＜N，一般為擴頸樁。

c.動抗壓剛度

當樁在低頻（低於樁的固有頻率）激振時，位移較小，樁的振動可視為剛體運動或平動，此時導納曲線接近於直線，其斜率的倒數為樁的動抗壓剛度，即

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式中|U/F|和f_m為導納曲線的低頻直線段上任一點M的導納值和頻率。

動抗壓剛度的意義及用處可歸納為：K_D反映樁周土對樁柱的彈簧支承剛度，K_D值的大小與樁的承載力有一定聯系；K_D值與靜剛度K_S建立統計關系，可以評價單樁承載力，並可估計在工作荷載下樁的彈性位移。

在實際工作中，通常不易獲得理想的曲線，在測得的諧振峰中常摻雜一些假峰，為區別真假峰，尚須測定隨頻率變化的速度導納相位變化曲線，即導納譜相頻曲線。相頻曲線上的零相位點所對應的導納譜幅頻曲線上的波峰，即為有效的諧振峰。

（4）不同類型模型樁的導納譜曲線特徵

a.完整樁

幅頻曲線的低頻段與理論導納譜曲線相近似，利用相頻曲線的零相位點可准確地找出諧振峰，諧振幅間隔均勻、整齊，平均頻差為1450Hz，按公式v_c=2×L×Δf，算得波速4350m/s，屬完整正常波速。如圖2-4-14所示。

b.全斷樁

圖2-4-14 完整模型樁導納譜曲線

圖2-4-15是全斷裂模型的導納譜曲線，特點是反映全斷面的諧振峰明顯，在相頻曲線上有對應的零相位點，這是因為應力波在樁身遇到全斷面時，絕大部分能量被反射到樁頂，樁底反射效應不明顯。根據所得頻差可計算斷裂位置。測得Δf=207.5Hz，算得樁身斷裂深度I=8.6～9.6m，也與實際斷裂位置9.0m吻合。

圖2-4-15 斷裂模型樁導納譜曲線

（5）樁基完整性分析與判別

1）通過相頻曲線上的零相位點，在幅頻曲線上確定諧振峰之間的頻差Δf。對於完整樁，幅頻曲線上的各峰分布大致均勻、整齊，用Δf計算的樁身內應力波傳播的速度v′_c接近於正常混凝土的波速v_c。如果計算的樁身波速v′_c小於正常值的下限，表明樁身混凝土質量較差。如果v′_c大於正常值的上限，說明樁身中有明顯的異常存在，如果樁身出現斷裂，縮頸或擴頸，應力波在這些異常處的反射效應，使測得頻差增大。如果諧振峰很多，且有類似調制波的波形，即所謂大峰之間夾小峰時，通常，小峰之間的頻差反映樁底效應，由式v′_c=2L×Δf計算的值接近正常值，大峰之間的頻差則反映樁身異常處的反射效應。

2）異常的位置。按公式L=×Δf計算，此時v_c可選用已判明為完整樁的計算值，或取多根完整樁的平均值，取屬於異常效應的頻差。

總之，判別樁基質量的好壞要綜合利用導納譜的特徵，樁基內波的傳播速度，諧振峰之間的頻差，樁基的動抗壓剛度和特徵導納值等因素進行分析，有可能對樁的砼質量、斷樁、縮頸或擴頸位置及大小作出判斷，可以計算樁的承載力。

3.超聲波檢測法

（1）原理與適用條件

混凝土亦名砼，國內外有關砼聲學特徵的研究成果為工程界利用超聲波檢測灌注樁的質量展示了良好的前景。首先是利用砼的聲參數在樁中的分布，推斷異常的位置和幾何形態等。另外，在一定的條件下，還可以建立砼的縱波速度v_P與其單軸抗壓強度P_z之間的關系曲線。但是，砼的不同齡期、不同水灰比、鋼筋配比、骨料的品種、粒徑等因素都能對聲速產生不同程度的影響。有時，砼的強度一樣，由於骨料的品種不同、用量不同、粒徑不同造成縱波速度也不同。特別是不同工區之間原料和工藝上的差異，很難給出統一的v_P—P_z關系曲線。比較穩妥的辦法是與靜載荷壓樁試驗結合起來進行，通過對少數樁基的聲波探測和力學試驗，求得v_P—P_z關系曲線，以此來作為該工區聲波法測砼的依據。這里主要介紹利用實測樁中聲參數的分布來解析異常位置和幾何形態的方法。

（2）設備與檢測方法

設備包括發射探頭、接收探頭和聲波測量儀。對探頭的要求是：發射功率較大，接收靈敏度較高，指向角合適，有較寬的頻帶，諧振頻率為20～50kHz。其中，發射探頭的機械品質因數要高，以便獲得較高的發射效率和較高的信噪比；接收探頭的機械品質因素則希望低一些，這樣在換能過程中不致引起波形嚴重畸變，並且有較寬的接收頻帶。使用攜帶型計算機可直接進行記錄、計算和判斷異常，檢測方法如下。

1）在灌注混凝土之前，隨鋼筋籠下二至四根鍍鋅鐵導管（砼樁直徑小於800mm時，下二根；大於800mm時，下三根或四根）。分別固定在鋼筋骨架上，位置如圖2-4-16所示，上圖為俯視圖。要求樁體內的兩根鐵導管必須平行，距離誤差小於5%。導管的底部封死，接頭處內壁保持光滑，上部用木塞封住，防止導管內掉入雜物。

2）檢測時，通常是使用岩石聲波參數測定儀，按單發雙收的工作方式測砼樁的聲參數，即在一根導管內下一個發射探頭，在另一根導管內下一對接收探頭，管中注滿水作耦合介質。整個檢測的方框圖如圖2-4-17所示。全面粗測是將待測樁先按較稀的點距H，例如50～80cm，整體測一遍。主要使用參數為聲速和首波振幅，檢測過程中應注意等振幅讀聲波走時t，等增益讀首波振幅。在異常附近細測時，點距可減小到10～15cm。

（3）數據處理與解釋方法

a.異常的判斷標准

制定異常的判斷標準是聲波檢測法的重要一環，通常有兩種做法。一是根據實測資料（包括砼小樣的資料）制定判斷異常的標准；二是根據概率統計原理制定判斷異常的標准。後一種做法比較科學，但在工程實踐中發現，如不剔除或少剔除可疑數據都會漏掉異常點。劉渝等人提出的一種做法是在處理數據時，先統計數據的頻率分布，然後參考已有的聲波資料，剔除不合理的數據，人為地使參加統計的數據為正態分布，並依據概率統計的原理制定劃分異常界限的臨界值，低於此值的數據即為「異常」，可判斷該處內部有缺陷。

圖2-4-16 砼樁檢測示意圖

圖2-4-17 砼樁檢測方框圖

為防止兩根預埋管之間的距離變化引起假異常，引入距離判據，其表達式為

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圖2-4-18為判斷異常的電算程序框圖。框圖中的N為測點數，P為某點聲速出現的概率，若N·P＜1，則說明這個測點的聲速（通常為低速）在正常情況下不應出現，其聲波傳播路徑上可能有缺陷。參數K_a由單點聲速v_pi、所有測點聲速平均值以及速度均方差σ等參數求出，也可由概率P查正態分布概率表求出。

b.缺陷的詳查方法

在檢測現場，用計算機處理數據，劃分出異常帶（或點）之後，可在包括異常帶的一定深度內加密點距細測，使用方法主要有交會法和視速度——代數重構法。

交會法是將置於測量導管中的發射和接收換能器以較小的點距，如10～20cm，按「水平同步」方式及「斜同步」方式依次對異常帶測量。處理資料時，將每條射線的聲速平均值（射線行程除以首波到時）或者波振幅比標注在聲波射線圖上，如圖2-4-19所示，用來評價缺陷的性質和存在的大致范圍。

由該圖可以看出，在標高為-5.2m附近，有一低速異常，因為穿過這一區間的三條射線速度（3.67，3.4，3.83）均較低，該處縱波速度v_P，應取三條射線速度的算術平均值3.6（km／s）。這種作圖交會法簡單直觀，但卻有一定的局限性，因為這些射線在樁內並不都是近似直線傳播的，有時也會由於繞射、折射干擾而造成較大的解釋誤差。

關於視速度———代數重構法，其實就是層析成像技術中的透射層析方法，最早源於醫學中的 X射線層析成像技術。這里給出兩個圖示計算結果。圖2-4-20 的①是為使用代數重構法而將聲波透視空間離散化，圖中分成十八個網格，虛線表示聲波射線的路徑；②測定對象是一根直徑為400 mm，長5 m且在3.2 m深度上充填有爐灰渣的砼樁，圖中所示為對2.8 m至3.8 m一段用視速度———代數重構法細測的解釋成果。由圖中的等值線很容易看出爐灰渣的含量及分布情況；③是另一砼樁的視速度———代數重構法細測的解釋結果。在-2.4 m處有一水平層狀異常，應推斷為斷柱（已知是爐灰渣）。

圖2-4-18 電算程序框圖

圖2-4-19 聲波射線圖

圖2-4-20 透射層析方法示意圖

c.基樁質量的總體評價

評價混凝土灌注樁質量和力學性質的參數有：縱波平均速度v-_P、動彈性模量E_d、准抗壓強度P_m以及聲速v_pi的離散系數和出現頻率等。表2-4-2 為劉渝等根據工程實踐，參考技術文獻及規范要求，提出的混凝土質量等級的聲參量指標，可供參考。

使用岩石聲波參數測定儀器在現場只能取得縱波速度、首波幅值和聲波信號波形。

計算動彈性模量還需要橫波速度和密度等參數，這兩個參數可通過對砼小樣的測試取得。准抗壓強度P_m可以用下述兩種方法來求取，一是根據縱波速度在v_P-P_z曲線上找對應的P_z值作為P_m；二是通過公式（2.4.15）計算：

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式中：K為調整系統，根據基樁有無缺陷，缺陷的性質及大小、數據的觀測質量等因素確定；v_Pr為砼小樣的縱波速度；P_r為砼小樣的單軸抗壓強度。

利用聲波檢測法的粗測、細測和砼小樣的測試參數，參考表2-4-3的標准，可對混凝土基樁質量作出總體評價。

表2-4-2 混凝土質量等級的聲參量指標

表2-4-3

3. 汽輪發電機所有實驗項目都有什麼

1-1：試驗項目：定子繞組的絕緣電阻、吸收比或極化指數
1-2：試驗周期：1）1年或小修時；2）大修前、後。
1-3：試驗要求：1）絕緣電阻值自行規定。若在相近試驗條件（溫度、濕度）下，絕緣電阻值降低到歷年正常值的1/3以下時，應查明原因。2）各相或各分支絕緣電阻值的差值不應大於最小值的100%；3）吸收比或極化指數：瀝青浸膠及烘卷雲母絕緣吸收比不應小於1.3或極化指數不應小於1.5；環氧粉雲母絕緣吸收比不應小於1.6或極化指數不應小於2.0，水內冷定子繞組自行規定。
1-4：試驗說明：1）額定電壓為1000V以上者，採用2500V兆歐表，量程一般不低於10000MΩ；2)水內冷定子繞組用專用兆歐表；3)200MW及以上機組推薦測量極化指數。
1-5：試驗設備：HN2671數字式電動兆歐表；HN2520指針式電動兆歐表；HN2008水內冷發電機專用兆歐表

2-1：試驗項目：定子繞組的直流電流
2-2：試驗周期：1）大修時；2）出口短路後。
2-3：試驗要求：汽輪發電機各相或各分支的直流電阻值,在校正了由於引線長度不同而引起的誤差後相互間差別以及與初次(出廠或交接時)測量值比較,相差不得大於最小值的1.5%(水輪發電機為1%).超出要求者,應查明原因
2-4：試驗說明：1)在冷態下測量,繞組表面溫度與周圍空氣溫度之差不應大於±3℃；2)汽輪發電機相間(或分支間)差別及其歷年的相對變化大於1%時,應引起注意
2-5：試驗設備：HNZZ-3A直流電阻測試儀

3-1：試驗項目：定子繞組泄漏電流和直流耐壓試驗
3-2：試驗周期：1）1年或小修時；2）大修前、後；3）更換繞組後。
3-3：試驗要求：1）試驗電壓：全部更換定子繞組並修好後為3Un；局部更換定子繞組並修好後為2.5Un；大修前運行20年及以下者為2.5Un；大修前運行20年及以上與架空線路直接連接者為2.5Un；大修前運行20年及以上不與架空線路直接連接者為2.0Un-2.5Un；小修時和大修後為2.0Un； 2）在規定試驗電壓下，各相泄漏電流的差別不應大於最小值的100%；最大泄漏電流再20μA以下者，相間差值與歷次試驗結果比較，不應有顯著的變化；3）泄漏電流不隨時間的延長而增大。
3-4：試驗說明：1）應在停機後清除污穢前熱狀態下進行。處於備用狀態時，可在冷態下進行。氫冷發電機應在充氫後氫純度為96%以上或排氫後含氫量在3%以下時進行，嚴禁在置換過程中進行試驗；2）試驗電壓按每級0.5Un分階段升高，每階段停留1min ； 3）泄漏電流隨電壓不成比例顯著增長時，應注意分析；4）試驗時，微安表應接在高壓側，並對出線套管表面加以屏蔽。水內冷發電機匯水管有絕緣者，應採用低壓屏蔽法接線；匯水管直接接地者，應在不通水和引水管吹凈條件下進行試驗。冷卻水質應透明純凈，無機械混雜物，導電率在水溫20℃時要求：對於開啟式水系統不大於5.0×102μS/m；對於獨立的密閉循環水系統為1.5×102μS/
3-5：試驗設備：YDJZ-30KVA-30KV直流泄漏耐壓試驗裝置（含高壓電容、直流毫安表、調壓控制台、水電阻、放電棒）

4-1：試驗項目：定子繞組交流耐壓試驗
4-2：試驗周期：1）大修前；2）更換繞組後；
4-3：試驗要求：1）全部更換定子繞組並修好後的試驗電壓如下：①額定容量小於10000KW以下，額定電壓Un在36V以上，試驗電壓為2Un+1000V，但不得低於1500V；②額定容量大於等於10000KW，額定電壓Un在6000V以下的，試驗電壓為2.5Un；③額定容量大於等於10000KW，額定電壓Un在6000V-18000V之間的，試驗電壓為2Un+3000V；④額定容量大於等於10000KW，額定電壓Un在18000V以上的，試驗電壓按專門協議辦；2）大修前或局部更換定子繞組並修好後試驗電壓為：①運行20年以下者，試驗電壓為1.5Un；②運行20年以上與架空線路直接連接者，試驗電壓為1.5Un；③運行20年以上與架空線路不直接連接者，試驗電壓為1.3 Un -1.5Un；
4-4：試驗說明：1）應在停機後清除污穢前熱狀態下進行 。處於備用狀態時，氫冷發電機一般應在通水的情況下進行試驗，進口機組按廠家規定； 2）水內冷電機一般應在通水的情況下進行試驗，進口機組按廠家規定；3）有條件時，可採用超低頻耐壓（0.1HZ），試驗電壓峰值為工頻試驗電壓峰值的1.2倍。
4-5：試驗設備：YDJ-3KVA-30KV交流耐壓試驗裝置；HNCD-30超低頻耐壓試驗儀

5-1：試驗項目：轉子繞組的絕緣電阻
5-2：試驗周期：1）小修時；2）大修中轉子清掃前、後。
5-3：試驗要求：1）絕緣電阻值在室溫時一般不小於0.5MΩ；2）水內冷轉子繞組絕緣電阻值在室溫時一般不應小於5kΩ。
5-4：試驗說明：1） 採用1000V兆歐表測量。水內冷發電機用500V及以下兆歐表或其它測量儀器；2）對於300MW以下的隱極式電機，當定子繞組已乾燥完畢而轉子繞組未乾燥完畢，如果轉子繞組的絕緣電阻值在75℃時不小於2KΩ，允許投入運行；3） 對於300MW及以上的隱極式電機，轉子繞組的絕緣電子值在10～30℃時不小於0.5MΩ。
5-5：試驗設備：HN2671數字式電動兆歐表；HN2520指針式電動兆歐表；HN2008水內冷發電機專用兆歐表

6-1：試驗項目：轉子繞組的直流電阻
6-2：試驗周期：大修時
6-3：試驗要求：與初次(交接或大修)所測結果比較,其差別一般不超過2%
6-4：試驗說明：1）在冷態下測量；2）顯極式轉子繞組還應對各磁極線圈間的連接點進行測量
6-5：試驗設備：HNZZ-3A直流電阻快速測試儀

7-1：試驗項目：轉子繞組交流耐壓試驗
7-2：試驗周期：1）顯及式轉子大修時和更換繞組後；2）隱極式轉子拆卸套箍後，局部修理槽內絕緣和更換繞組後
7-3：試驗要求：1）顯極式和隱極式轉子全部更換繞組並修好後試驗電壓：額定勵磁電壓500V及以下者為10Un，但不低於1500V；500V以上者為2Un +4000V；2）顯極式轉子大修時及局部更換繞組並修好後試驗電壓：5Un，但不低於1000V，不大於2000V；3）隱極式轉子局部修理槽內絕緣後及局部更換繞組並修好後試驗電壓：5Un，但不低於1000V，不大於2000V。
7-4：試驗說明：1）隱極式轉子拆卸套箍只修理端部絕緣時，可用2500V兆歐表測絕緣電阻代替；2）隱極式轉子若在端部鋁鞍，則在拆卸套箍後作繞組對鋁鞍的耐壓試驗。試驗時將轉子繞組與軸連接，在鋁鞍上加電壓2000V；3）全部更換轉子繞組工藝過程中的試驗電壓值按製造廠規定。
7-5：試驗設備：YDJ-3KVA-30KV交流耐壓試驗裝置

8-1：試驗項目：發電機和勵磁機的勵磁迴路所連接的設備（不包括發電機轉子和勵磁機電樞）的絕緣電阻
8-2：試驗周期：1）小修時；2）大修時。
8-3：試驗要求：絕緣電阻值不應低於0.5MΩ，否則應查明原因並消除
8-4：試驗說明：1）小修時用1000V兆歐表；2）大修時用2500V兆歐表。
8-5：試驗設備：HN2671數字式電動兆歐表；HN2520指針式電動兆歐表；

9-1：試驗項目：發電機和勵磁機的勵磁迴路所連接的設備（不包括發電機轉子和勵磁機電樞）的交流耐壓試驗
9-2：試驗周期：大修時
9-3：試驗要求：試驗電壓為1KV
9-4：試驗說明：可用2500V兆歐表測絕緣電阻代替
9-5：試驗設備：HN2671數字式電動兆歐表；HN2520指針式電動兆歐表；

10-1：試驗項目：定子鐵芯試驗
10-2：試驗周期：1）重新組裝或更換、修理硅鋼片後；2）必要時
10-3：試驗要求：1） 磁密在1T下齒的最高溫升不大於25K，齒的最大溫差不大於15K，單位損耗不大於1.3倍參考值，在1.4T下自行規定；2）單位損耗參考值見附錄A。
10-4：試驗說明：1）在磁密為1T下持續試驗時間為90min，在磁密為1.4T下持續時間為45min。對直徑較大的水輪發電機試驗時應注意校正由於磁通密度分布不均勻所引起的誤差。
10-5：試驗設備：紅外熱成像儀

11-1：試驗項目：發電機和勵磁機軸承的絕緣電阻
11-2：試驗周期：大修時
11-3：試驗要求：1)汽輪發電機組的軸承不得低於0.5MΩ；2）立式水輪發電機組的推力軸每一軸瓦不得低於100MΩ；油槽充油並頂起轉子時，不低於0.3MΩ；3）所有類型的水輪發電機,凡有絕緣的導軸承,油槽充油前,每一軸瓦不得低於100MΩ。
11-4：試驗說明：汽輪發電機組的軸承絕緣,用100V兆歐表在安裝好油管後進行測量
11-5：試驗設備：HN2671數字式電動兆歐表；HN2520指針式電動兆歐表；

12-1：試驗項目：滅磁電阻器(或自同期電阻器)的直流電阻
12-2：試驗周期：大修時
12-3：試驗要求：與銘牌或最初測得的據比較,其差別不應超過10%
12-4：試驗說明：
12-5：試驗設備：HNZZ-3A直流電阻快速測試儀

13-1：試驗項目：滅磁開關的並聯電阻
13-2：試驗周期：大修時
13-3：試驗要求：與初始值比較無顯著差別
13-4：試驗說明：電阻值應分段測量
13-5：試驗設備：HNZZ-3A直流電阻快速測試儀

14-1：試驗項目：轉子繞組的交流阻抗和功率損耗
14-2：試驗周期：大修時
14-3：試驗要求：阻抗和功率損耗值自行規定.在相同試驗條件下與歷年數值比較,不應有顯著變化
14-4：試驗說明：1）隱極式轉子在膛外或膛內以及不同轉速下測量。顯極式轉子對每一個轉子繞組測量；2）每次試驗應在相同條件、相同電壓下進行，試驗電壓峰值不超過額定勵磁電壓（顯極式轉子自行規定）；3）本試驗可用動態匝間短路監測法代替。
14-5：試驗設備：HNJL發電機轉子交流阻抗測試儀

15-1：試驗項目：檢溫計絕緣電阻和溫度誤差檢驗
15-2：試驗周期：大修時
15-3：試驗要求：1）絕緣電阻值自行規定；2）檢溫計指示值誤差不應超過製造廠規定；
15-4：試驗說明：1）用250V及以下的兆歐表；2）檢溫計除埋入式外還包括水內冷定子繞組引水管出水溫度計；
15-5：試驗設備：HN2202指針式電動兆歐表

16-1：試驗項目：定子槽部線圈防暈層對地電位
16-2：試驗周期：必要時
16-3：試驗要求：不大於10V
16-4：試驗說明：1）運行中檢溫元件電位升高、槽楔松動或防暈層損壞時測量；2）試驗時對定子繞組施加額定交流相電壓值，用高內阻電壓表測量繞組表面對地電壓值；3）有條件時可採用超聲法探測槽放電。
16-5：試驗設備：靜電電壓表

17-1：試驗項目：汽輪發電機定子繞引線的自振頻率
17-2：試驗周期：大修時
17-3：試驗要求：自振頻率不得介於基頻或倍頻的±10%范圍內
17-4：試驗說明：
17-5：試驗設備：頻率測試儀器

18-1：試驗項目：定子繞組端部手包絕緣施加直流電壓測量
18-2：試驗周期：1）投產後；2）第一次大修時；3）必要時。
18-3：試驗要求：1）直流試驗電壓值為Un；2）測量結果不得大於以下值：A）手包絕緣引線接頭，汽機側隔相接頭的泄漏電流為20μA，100MΩ電阻上的電壓降值為2000V；B）端部接頭（包括引水管錐體絕緣）和過渡引線並聯塊的泄漏電流為30μA，100MΩ電阻上的電壓降值為3000V。
18-4：試驗說明：1）本項試驗適用於200MW及以上的國產水氫氫汽輪發電機；2）可在通水條件下進行試驗，以發現定子接頭漏水缺陷；3）盡量在投產前進行，若未進行則投產後應盡快安排試驗。
18-5：試驗設備：ZGF-60kV/2mA直流高壓發生器

19-1：試驗項目：軸電壓
19-2：試驗周期：大修後
19-3：試驗要求：1）汽輪發電機的軸承油膜被短路時，轉子兩端軸上的電壓一般應等於軸承與機座間的電壓；2）汽輪發電機大軸對地電壓一般小於10V；3）水輪發電機不作規定。
19-4：試驗說明：測量時採用高內阻（不小於100KΩ/V）的交流電壓表
19-5：試驗設備：交流電壓表

20-1：試驗項目：定子繞組絕緣老化鑒定
20-2：試驗周期：累計運行時間20年以上且運行或預防性試驗中絕緣頻繁擊穿時
20-3：試驗要求：見附錄A
20-4：試驗說明：新機投產後第一次大修有條件時可對定子繞組做試驗，取得初始值
20-5：試驗設備：

21-1：試驗項目：空載特性曲線
21-2：試驗周期：1）大修後；2）更換繞組後。
21-3：試驗要求：1）與製造廠（或以前測得的）數據比較，應在測量誤差的范圍以內；2）在額定轉速下的定子電壓最高值：a）水輪發電機為1.5Un（以不超過額定勵磁電流為限）；b）汽輪發電機為1.3Un（帶變壓器時為1.1Un）。3）對於有匝間絕緣的電機最高電壓時持續時間為5min
21-4：試驗說明：1）無起動電動機的同步調相機不作此項試驗；2）新機交接未進行本項試驗時，應在1年內做不帶變壓器的1.3Un空載特性曲線試驗；一般性大修時可以帶主變壓器試驗。
21-5：試驗設備：

22-1：試驗項目：三相穩定短路特性曲線
22-2：試驗周期：1）更換繞組後；2）必要時。
22-3：試驗要求：與製造廠出廠（或以前測得的）數據比較，其差別應在測量誤差的范圍以內
22-4：試驗說明：1）無起動電動機的同步調相機不作此項試驗；2）新機交接未進行本項試驗時應在1年內做不帶變壓器的三相穩定短路特性曲線試驗。
22-5：試驗設備：

23-1：試驗項目：發電機定子開開路時的滅磁時間常數
23-2：試驗周期：更換滅磁開關後
23-3：試驗要求：時間常數與出廠試驗或更換前相比較應無明顯差異
23-4：試驗說明：
23-5：試驗設備：

24-1：試驗項目：檢查相序
24-2：試驗周期：改動接線時
24-3：試驗要求：應與電網的相序一致
24-4：試驗說明：
24-5：試驗設備：相序表

25-1：試驗項目：溫升試驗
25-2：試驗周期：1）定、轉子繞組更換後；2）冷卻系統改進後；3）第一次大修前；4）必要時。
25-3：試驗要求：應符合製造廠規定
25-4：試驗說明：如對埋入式溫度計測量值有懷疑時，用帶電測平均溫度的方法進行校核

4. 風洞實驗的分類

流體力學方面的風洞實驗的主要分類有測力實驗、測壓實驗、傳熱實驗、動態模型實驗和流態觀測實驗等。測力和測壓實驗是測定作用於模型或模型部件（如飛行器模型中的一個機翼等）的氣動力及表面壓強分布，多用於為飛行器設計提供氣動特性數據。傳熱實驗主要用於研究超聲速或高超聲速飛行器上的氣動加熱現象。動態模型實驗包括顫振、抖振和動穩定性實驗等 ，要求模型除滿足幾何相似外還能模擬實物的結構剛度、質量分布和變形。流態觀測實驗廣泛用於研究流動的基本現象和機理。高速計算機在在以上風洞實驗中的應用極大地提高了實驗的自動化、高效率和高精度的水平。 測力實驗是利用風洞天平（見風洞測試儀器）測量作用在模型上的空氣動力和力矩的風洞實驗。它是風洞實驗中最重要的實驗項目之一。測力實驗主要有：全模型和部件的縱向和橫向測力實驗、噴流實驗、靜氣動彈性實驗、外掛物測力和投放軌跡實驗等。
全模型和部件的縱向和橫向測力實驗是測量沿模型上三個互相垂直軸的力和繞三個軸的力矩的實驗，其中無測滑的實驗為縱向實驗，有測滑的為橫向實驗。模型由腹部支桿或尾支桿支撐於風洞中（圖1和圖2）。
為研究各部件的貢獻和干擾，除採用全模和部件組拆實驗外，更精確的方法是在模型內安裝多台天平，同時測量全機和部件的氣動力。對於有對稱面的飛行器，在繞流對稱的條件下，可以洞壁或反射平板為對稱面，取模型的一半做實驗。這種實驗稱為半模實驗，其優點是模型可做得大些，雷諾數可以高些，無尾支桿干擾，製造方便和經濟。缺點是存在洞壁邊界層和縫隙的影響以及僅能進行縱向實驗。噴流實驗是測量飛行器發動機噴流對飛行器機體氣動特性影響的實驗。在風洞中要精確模擬噴流是很困難的。除模擬自由流馬赫數Mα∞、比熱比γ和噴管幾何形狀外，還要模擬出口與自由流靜壓比pj/p∞、出口馬赫數Mαj、噴流比熱比γ1、普適氣體常數與熱力學溫度乘積比(RT)j/(RT)∞等相似參數。通常只能有選擇地模擬其中一些項目，例如，一般當噴口處於飛行器底部時，可用冷空氣模擬噴流。當噴口處於飛行器底部上游時，還應模擬γ1和(RT)j/(RT)∞。火箭發動機噴流模擬以用縮尺火箭發動機為宜。噴流實驗的關鍵在於研製高精度天平、小干擾的支架和不傳力的輸氣密封系統。
靜氣動彈性實驗是測量模型剛度對氣動特性影響的實驗。通常風洞實驗中的模型都是用強度和剛度較大的金屬製作的，而真實飛行器的剛度比模型低得多。因此，需製造一種由金屬作骨架、用輕木或塑料作填料、能模擬飛行器各部件彎曲和扭轉剛度的彈性模型，把它放在風洞中作模擬飛行條件的高動壓實驗，測量對模型剛度的影響，修正剛體模型實驗的數據。
外掛物測力和投放軌跡實驗是測量飛行器外掛油箱、炸彈或其他物體的氣動力和外掛物投放軌跡的實驗。由於風洞尺寸的限制，風洞中外掛物模型很小，測量很困難。早期的實驗是設計專門的外掛物天平。天平可以放在外掛物模型或者它的掛架內直接測量。外掛物投放軌跡是用高速攝影或多次曝光技術對自由投放的模型進行照相記錄。圖3是在低速風洞中用多次曝光法拍攝的外掛物投放軌跡照片。這種方法簡便、直觀，但要模擬弗勞德數，所以模型設計和調整很困難。20世紀60年代以來，發展出一種雙天平測量系統，母機模型和外掛物分別支撐在各自的天平上。實驗時首先測量外掛物和母機的氣動力，輸入計算機，由運動方程和給定的時間間隔算出外掛物在氣動力作用下運動的下一個位置，然後操縱外掛物運動到計算位置再進行測量。一直到所要求的軌跡測出為止。這時，母機和外掛物所有瞬間的氣動力也同時測出。這種方法不要求模型動力相似，模型可多次使用。同時，這套裝置也可以用於其他雙體實驗或大攻角失速後運動軌跡測量等。缺點是精度要求較高，製造費用大。
除上述實驗外，還有一些專門的測力實驗，如鉸鏈力矩測量、摩阻測量、進氣道阻力測量、馬格納斯力和力矩（見馬格納斯效應）測量等，這些都要有專門設計的天平。
測壓實驗 風洞洞壁、模型表面上各點和氣流中各點的當地壓力參數測量。對應於流場的每一點，有一個總壓p0和一個靜壓p∞。總壓是假想氣流等熵絕熱地滯止，最後流速降為零時所能達到的壓力。靜壓是氣流內部相互作用的流層之間的法向力。在不可壓縮流體中，總壓和靜壓之差，即該流動點上由於氣流動力效應引起的壓力增高（p0－p∞），稱為動壓或速壓q∞。氣流壓力的測量，是空氣動力實驗中最基本的測量項目之一。
1738年，丹尼爾第一·伯努利就確立了無粘性不可壓縮流體中壓力與速度之間的關系，後稱為伯努利定理。這個定理後來被推廣到可壓縮流體。因為測量氣流壓力比較容易，故風洞實驗中常藉助測量氣流的壓力來推求速度。
物體表面某一點（如第i點）的壓力pi，常以無量綱形式的壓力系數Cρii表示。如果p∞和q∞分別代表遠前方未擾動氣流的靜壓和動壓，則Cρii是該點的剩餘壓力（pi－q∞）與動壓q∞之比。
風洞中最常見的測壓實驗是模型表面壓力分布測量。模型表面上直接開有測壓孔。通過實驗，可以了解局部流動特性並積分出總的氣動特性。常見的有飛行器測壓、汽車測壓和建築物測壓等。進氣道測壓實驗是通過進氣道表面測壓孔和管道內排管的壓力測量，以得到進氣道的流量- 總壓恢復特性。風洞流場校測中速度場、壓力場、方向場的測量也是通過測壓進行的。此外，邊界層壓力測量也是經常進行的實驗項目。有時還通過二元物體尾流壓力測量來推算物體的阻力。所以風洞測壓實驗在工程設計和研究工作中得到廣泛應用。
風洞中氣流總壓、靜壓測量用總壓、靜壓探測管和壓力計或壓力感測器。圖4和圖5示出一般總壓管和靜壓管的結構。總壓或靜壓排管可同時獲得許多測壓數據。但管與管之間的相互影響要小。模型表面壓力測量孔要求垂直當地物面，孔緣處平滑不得有毛刺。靜壓探測管上靜壓孔位置的選擇特別重要，應使它受靜壓管頭部和支柄的綜合影響最小。測壓設備中壓力傳輸的管路不能太長，否則管內壓力達到平衡要用很長時間。 在氣流和模型作相對高速運動的條件下，測定氣流沿模型繞流所引起的對模型表面氣動加熱的一種實驗。當飛行器飛行馬赫數大於3時，必須考慮氣動加熱對飛行器外形、表面粗糙度和結構的影響。風洞傳熱實驗的目的是為飛行器防熱設計提供可靠的熱環境數據，實驗項目包括：光滑和粗糙表面的熱流實驗，邊界層過渡、質量注入對熱流影響的實驗，台階、縫隙、激波和邊界層等分離流熱流實驗等。在風洞傳熱實驗中一般略去熱輻射，只考慮對流加熱，要模擬的是馬赫數、雷諾數、壁溫比、相對粗糙度（粗糙度與邊界層位移厚度之比）、質量注入率、自由湍流度等參數。在一般高超聲速風洞、脈沖風洞、激波風洞、電弧加熱器、低密度風洞和彈道靶中都能進行傳熱實驗，但都不能全面模擬上述參數。因此，必須對不同設備的實驗數據進行綜合分析。風洞傳熱實驗的方法有兩類：一類是確定熱流密度分布的熱測繪技術，如在模型表面塗以相變材料，通過記錄等溫線隨時間的擴展過程進行熱測繪；又如在模型表面塗以漆和粉末磷光材料的混合物，通過記錄磷光體的亮度分布轉求熱流密度分布（後一方法響應快，靈敏度高）。熱測繪技術可以提供豐富的氣動加熱資料，但精度較低。另一類是熱測量技術，利用量熱計進行分散點的熱測量，一般是在一維熱傳導的假定下通過測量溫度隨時間的變化率測量熱流密度。在一般高超聲速風洞中常用的量熱計有兩種：①薄壁量熱計，使用它時要求模型的壁做得很薄，以使模型在受熱時，內外表面的溫度接近相等，在內表面安裝溫差電偶，用以測量溫度隨時間的變化來推算熱流密度。②加登計，是R.加登在1953年提出的，它是基於受熱元件的中心和邊緣之間的溫度梯度和熱流密度有一定的關系進行測量的。薄壁量熱計和加登計由於達到溫度平衡需要較長的時間，不能用於脈沖風洞。在脈沖風洞中，可採用塞形量熱計和薄膜電阻溫度計進行測量。塞形量熱計是利用量熱元件吸收傳入其中的熱量，然後測量元件的平均溫度變化率再計算表面熱流密度。
風洞傳熱實驗必須恰當地解決模型設計、防護、冷卻和信號傳輸等問題，還要研究模擬技術，縮小感測器尺寸，解決感測器的穩定性問題，以及確定實驗中各種不確定因素對實驗結果精度的影響。 確定模型對氣流的相對運動和模型上的氣動力隨時間變化的實驗，包括顫振實驗、抖振實驗、動穩定性實驗、操縱面嗡鳴實驗、非定常壓力測量等。
顫振實驗 顫振是飛行器在氣動力、結構彈性力和慣性力相互作用下從氣流中吸取能量而引起的自激振動。它一旦發生，就很可能造成結構的破壞。進行風洞顫振試驗，旨在選擇對防顫振有利的結構方案（見顫振試驗）。
抖振實驗 抖振是氣流分離所激起的飛行器結構振動。作低速大攻角飛行時，舉力面上氣流分離達一定程度後就會出現抖振，這類抖振稱為舉力型抖振。作跨聲速飛行時由於激波的誘導作用，使抖振起始攻角明顯減小。此外，還有由於氣流分離造成的非舉力型抖振。抖振影響飛機的結構強度和疲勞壽命，會使武器系統和電子儀器的工作不正常，使乘員不舒適。抖振起始攻角所對應的舉力系數（見舉力）隨馬赫數的變化曲線，稱為抖振邊界。抖振邊界越高，飛機的最小平飛速度越低，飛行中的機動性和安全性越好。抖振實驗是要測定抖振邊界和抖振載荷。測定抖振邊界可採用方均根彎矩法和後緣靜壓發散法等。所謂方均根彎矩法，就是在模型翼根粘貼應變片，測定某一馬赫數不同攻角下與翼根彎矩成比例的方均根電平值，將電平值開始急劇增大的轉變點所對應的攻角確定為抖振起始攻角的方法。所謂後緣靜壓發散法，就是利用氣流分離後翼面後緣靜壓迅速增加的原理來進行測量的方法。除要求模型與實物保持氣動力相似外，還要求模擬一階彎曲頻率。抖振實驗對風洞雜訊級、湍流度以及模型表面的邊界層狀態都有較嚴格的要求。
動穩定性實驗 測定動導數的實驗。動導數是氣動力和力矩對運動參量時間變化率的導數，例如是滾轉力矩mx對滾轉角速度ωx的導數，通常起阻尼作用，又稱滾轉阻尼導數。動導數實驗一般採用剛性模型，除氣動力相似外，還要求減縮頻率ωL/v與實物相同，其中ω為振動頻率；L為特徵長度；v為氣流速度。在風洞中測量動導數一般採用自由振動法或受迫振動法。自由振動法是給模型以一定的初始位移後把它釋放出去，使它在氣流中作自由衰減振動，根據所記錄的模型位移時間歷程來確定動導數。此法設備簡單，但受風洞背景雜訊等外界干擾影響較大，准確度不高。受迫振動法是對模型系統施加一定頻率的正弦激振力矩，在此過程中，通過測量儀器，測定它的激振力矩和模型振動角位移之間的相位差，從而確定動導數。此外，還可以用風洞模型自由飛的方法測量動導數。
操縱面嗡鳴實驗 操縱面嗡鳴是飛行器作跨聲速飛行時由於翼面上的激波、波後的邊界層分離和操縱面偏轉的相互作用而產生的單自由度不穩定運動。操縱面嗡鳴對馬赫數很敏感。發生嗡鳴會降低操縱效率甚至使操縱失效，嚴重時將導致結構的疲勞破壞。通過嗡鳴實驗，可以確定飛行器操縱面振動的性質，提供排除振動的方法和確定剛度指標。嗡鳴實驗模型由剛性主翼和操縱面組成，可用彈簧片模擬操縱系統剛度。操縱系統結構阻尼應大致和實物相當。實驗時用應變測量系統測定振動波形，也可用方均根電平記錄儀測量振動強度。
非定常壓力測量 這種測量是研究非定常氣動力的基本手段。測量方法有兩種：一種是用埋在模型里的微型壓力感測器同時測量許多點的非定常壓力；另一種是在模型里安置許多壓力管，通過壓力管測量非定常壓力，而壓力管則通過掃描閥與感測器相連。採用後一種方法，必須作吹風狀態下管路動態傳遞特性的修正。
在動態實驗中，風洞背景雜訊對實驗結果的准確度有很大的影響，因此，除對風洞的雜訊級作出限制外，還必須在實驗技術上減小風洞雜訊的影響，如在數據處理中，採用相關濾波、總體平均等方法。配備能進行快速傅里葉變換的動態分析設備，可以明顯提高動態實驗的能力，實現實時分析。
流態觀察實驗 藉助物理和化學的手段使風洞中無色透明的氣流成為可見氣流的實驗方法。利用這種技術能夠用肉眼或其他輔助手段直接觀察到氣體流動的物理圖像，從而加深對氣體流動機理的了解並及時發現氣體流動中存在的問題。還可以用觀察的結果驗證一些理論、假說並幫助建立復雜流動問題的數學模型。這種技術是空氣動力實驗的一種基該方法。
自然界中存在著許多能顯示流體流動的現象。水面飄浮物體的運動往往表明水流方向；生火時產生的煙則顯示了熱空氣上升和擴散的圖形。在實驗室內用流態顯示技術進行科學研究始於19世紀末。1883年O.雷諾把一股染色水引入管流中，根據染色水是色彩清晰的規則流動還是紊亂流動來判別管中流動是層流還是湍流。1893年，L.馬赫在風洞中用絲線和煙流觀察了氣流繞垂直安放的一塊平板流動的情況。隨著風洞的發展和科學技術的進步，流態觀察方法也越來越多。
風洞中流態觀察方法大致為分兩類：第一類是示蹤方法；第二類是光學方法。
示蹤方法
是在流場中添加物質，如有色液體、煙、絲線和固體粒子等，通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形。只要添加物足夠小，而且比重和流動介質接近，顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法，特別適合於顯示定常流動。常用的有絲線法、煙流法、油流法、升華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種：
①絲線法將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型後的網格上，由絲線的運動（絲線轉動、抖動或倒轉） 可以判明氣流的方向和分離區的位置以及空間渦的位置、轉向等。圖6為一個模型實驗時機翼的絲線顯示氣體流動圖。現在又發展到用比絲線更細的尼龍絲，有時細到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理後再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，並且可以拍攝下來。粘絲很細，對模型沒有影響，可同時進行測力實驗。此法稱為熒光絲線法。
②煙流法用風洞中特製煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設了不少煙風洞。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產生的煙引入風洞；也有將塗有油的不銹鋼或鎢絲放在模型前，實驗時通電將鎢絲加熱，產生細密的煙霧。為了保證煙束清晰不散，必須採用大收縮比的收縮段、穩定段或風洞入口加裝抗湍流網和採用吸振性能好的材料製造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態。煙流法除用於觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結構。圖7為模型煙流實驗中拍攝的照片。
③油流法在粘性的油中摻進適量指示劑（如炭黑）並滴入油酸，配製成糊狀液態物，均勻地塗在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結構，顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量熒光染料，則在紫外線照射下可以顯現出熒光條紋圖，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區、激波與邊界層相互干擾等流動現象。圖8為模型油流實驗照片。
④升華法將揮發性的液體或容易升華的固體噴塗在模型表面，依據塗料從模型上散失的速度與邊界層狀態有關的原理（在湍流邊界層內由於氣流的不規則運動導致該處蒸發量或升華量大於層流處）來區分邊界層狀態，確定過渡點的位置。
⑤蒸汽屏法在風洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經過光面時，由於離心力的作用，旋渦內外蒸汽的含量是不同的，光的折射率因此不同，便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。
⑥液晶顯示法利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物，溫度較低時，無色透明，隨著溫度上升，便以紅、黃、綠、藍、無色的順序改變，能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前後的溫差。它適用於高速和超聲速流態觀察。液晶的塗法與漆類似，先稀釋，再噴塗。液晶對污物雜質敏感，噴塗時，模型表面必須干凈。 根據光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理製造出來的光學儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀（見風洞測試儀器）和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形。這種方法不在流場中添加其他物質，不會干擾氣體流動，而且可以在短時間內採集大量的空間數據。它是一種直接顯示方法，特別適合於觀察可壓縮流動和非定常流動，如激波、尾流和邊界層過渡等。
除了以上兩大類方法外，還有一種向流場中注入能量的方法。如在低密度風洞中向氣流發射電子束，使氣體分子激發出熒光，熒光的光通量與氣流密度大小有關。根據光通量的變化，就可以顯示出氣流密度的變化，這種方法可以顯示高超聲速稀薄氣體流動的激波位置和形狀以及用於定量測量流場密度。
70年代後期，發展出一種彩色照相圖示流態觀察技術。它用總壓探管在所測流場區域掃描，並將感受的壓力轉換成電壓值。根據不同的電壓觸發不同顏色的光，在照相機上曝光。通過多種顏色信號光記錄的流場等壓線圖，可以清晰地看到渦旋分布和飛機模型後的渦流圖像。這項技術最近發展成為直接把感測器感受的壓力信號記錄在磁帶上，並輸入計算機處理。感測器探頭可以用壓力探頭也可以用熱絲或熱膜或其他探頭。處理後的數據可由彩色電視顯示。因為不用照相裝置，而代之以計算機，這就帶來了很大的方便：可以一次處理很多數據（可以是一個也可以是好幾個探頭感受的數據）；顯示的顏色可多達4096種（但由於人眼解析度的限制，常用的也只有20～30種）；對於特別有興趣的區域可以放大和增加顏色詳細顯示；此外，還可以根據需要，旋轉顯示的數據平面，以得到從不同角度觀察的流場彩色顯示圖像。例如，可以在垂直風洞軸線的平面觀察，也可以在平行風洞軸線的平面或其他任意平面觀察。高解析度的彩色電視屏幕可以用顏色和箭頭表示流動方向。

5. 求一份波爾共振實驗報告

實驗20波爾共振實驗

在機械製造和建築工程等科技領域中受迫振動所導致的共振現象引起工程技術人員極大注意,既有破壞作用，但也有許多實用價值。眾多電聲器件是運用共振原理設計製作的。此外，在微觀科學研究中「共振」也是一種重要研究手段，例如利用核磁共振和順磁貢研究物質結構等。

本實驗中採用波爾共振儀定量測定機械受迫振動的幅頻特性和相頻特性，並利用頻閃方法來測定動態的物理量----相位差。數據處理與誤差分析方面內容也較豐富。

一、實驗目的

1、 研究波爾共振儀中彈性擺輪受迫振動的幅頻特性和相頻特性。

2、 研究不同阻尼力矩對受迫振動的影響，觀察共振現象。

3、 學慣用頻閃法測定運動物體的某些量，例相位差。

4、 學習系統誤差的修正。

二、實驗原理

物體在周期外力的持續作用下發生的振動稱為受迫振動，這種周期性的外力稱為強迫力。如果外力是按簡諧振動規律變化，那麼穩定狀態時的受迫振動也是簡諧振動，此時，振幅保持恆定，振幅的大小與強迫力的頻率和原振動系統無阻尼時的固有振動頻率以及阻尼系數有關。在受迫振動狀態下，系統除了受到強迫力的作用外，同時還受到回復力和阻尼力的作用。所以在穩定狀態時物體的位移、速度變化與強迫力變化不是同相位的，存在一個相位差。當強迫力頻率與系統的固有頻率相同時產生共振，此時振幅最大，相位差為90°。

實驗採用擺輪在彈性力矩作用下自由擺動，在電磁阻尼力矩作用下作受迫振動來研究受迫振動特性，可直觀地顯示機械振動中的一些物理現象。

當擺輪受到周期性強迫外力矩 的作用，並在有空氣阻尼和電磁阻尼的媒質中運動時（阻尼力矩為 ）其運動方程為

（1）

式中， 為擺輪的轉動慣量， 為彈性力矩， 為強迫力矩的幅值， 為強迫力的圓頻率。

令 ， ，
則式（1）變為

（2）

當 時，式（2）即為阻尼振動方程。

當 ，即在無阻尼情況時式（2）變為簡諧振動方程， 即為系統的固有頻率。方程（2）的通解為

（3）

由式（3）可見，受迫振動可分成兩部分：

第一部分， 表示阻尼振動，經過一定時間後衰減消失。

第二部分，說明強迫力矩對擺輪做功，向振動體傳送能量，最後達到一個穩定的振動狀態。

振幅 （4）

它與強迫力矩之間的相位差 為

（5）

由式（4）和式（5）可看出，振幅 與相位差 的數值取決於強迫力矩m、頻率 、系統的固有頻率 和阻尼系數 四個因素，而與振動起始狀態無關。

由 極值條件可得出，當強迫力的圓頻率 時，產生共振， 有極大值。若共振時圓頻率和振幅分別用 、 表示，則

（6）

（7）

式（6）、（7）表明，阻尼系數 越小，共振時圓頻率越接近於系統固有頻率，振幅 也越大。圖1-1和圖1-2表示出在不同 時受迫振動的幅頻特性和相頻特性。

三、實驗儀器

ZKY-BG型波爾共振儀由振動儀與電器控制箱兩部分組成。振動儀部分如圖1-3所示：由

β1

β2

β3

β1<β2<β3

ω/ωn

圖 1-1

ω/ωn

β1

β2

β1<β2

-π

-π/2

0

φ

圖 1-2

銅質圓形擺輪A安裝在機架上，彈簧B的一端與擺輪A的軸相聯，另一端可固定在機架支柱上，在彈簧彈性力的作用下，擺輪可繞軸自由往復擺動。在擺輪的外圍有一卷槽型缺口，其中一個長形凹槽D長出許多。在機架上對准長型缺口處有一個光電門H，它與電氣控制箱相聯接，用來測量擺輪的振幅（角度值）和擺輪的振動周期。在機架下方有一對帶有鐵芯的線圈K，擺輪A恰巧嵌在鐵芯的空隙，利用電磁感應原理，當線圈中通過直流電流後，擺輪受到一個電磁阻尼力的作用。改變電流的數值即可使阻尼大小相應變化。為使擺輪A作受迫振動。在電動機軸上裝有偏心輪，通過連桿機構E帶動擺輪A，在電動機軸上裝有帶刻線的有機玻璃轉盤F，它隨電機一起轉動。由它可以從角度讀數盤G讀出相位差。調節控制箱上的十圈電機轉速調節旋鈕，可以精確改變加於電機上的電壓，使電機的轉速在實驗范圍（30-45轉/分）內連續可調，由於電路中採用特殊穩速裝置、電動機採用慣性很小的帶有測速發電機的特種電機，所以轉速極為穩定。電機的有機玻璃轉盤F上裝有兩個擋光片。在角度讀數盤G中央上方900處也有光電門（強迫力矩信號），並與控制箱相連，以測量強迫力矩的周期。

受迫振動時擺輪與外力矩的相位差利用小型閃光燈來測量。閃光燈受擺輪信號光電門控制，每當擺輪上長型凹槽C通過平衡位置時，光電門H接受光，引起閃光。閃光燈放置位置如圖（1-3）所示擱置在底座上，切勿拿在手中直接照射刻度盤。在穩定情況時，由閃光燈照射下可以看到有機玻璃指針F好象一直「停在」某一刻度處，這一現象稱為頻閃現象，所以此數值可方便地直接讀出，誤差不大於20 。

擺輪振幅是利用光電門H測出擺輪讀數A處圈上凹型缺口個數，並在液晶顯示器上直接顯示出此值，精度為20。

波耳共振儀電氣控制箱的前面板和後面板分別如圖1-4和圖1-5所示。

電機轉速調節旋鈕，系帶有刻度的十圈電位器，調節此旋鈕時可以精確改變電機轉速，即改變強迫力矩的周期。刻度僅供實驗時作參考，以便大致確定強迫力矩周期值在多圈電位器上的相應位置。

圖 1-3 波爾振動儀

1.光電門H；2.長凹槽D；3.短凹槽D；4.銅質擺輪A；5.搖桿M；6.蝸卷彈簧B；7.支承架；8.阻尼線圈K；9.連桿E；10.搖桿調節螺絲；11.光電門I；12.角度盤G；13.有機玻璃轉盤F；14.底座；15.彈簧夾持螺釘L；16.閃光燈

圖 1-4 波耳共振儀前面板示意圖

1、液晶顯示屏幕 2、方向控制鍵 3、確認按鍵 4、復位按鍵

5、電源開關 6、閃光燈開關 7、強迫力周期調節電位器

圖 1-5 波耳共振儀後面板示意圖

1、電源插座（帶保險） 2、閃光燈介面 3、阻尼線圈

4、電機介面 5、振幅輸入 6、周期輸入 7、通訊介面

可以通過軟體控制阻尼線圈內直流電流的大小，達到改變擺輪系統的阻尼系數的目的。選擇開關可分4檔，「阻尼0」檔阻尼電流為零，「阻尼1」檔電流約為280mA，「阻尼2」檔電流約為300mA，「阻尼3」檔電流最大，約為320mA，阻尼電流由恆流源提供，實驗時根據不同情況進行選擇（可先選擇在「2」處，若共振時振幅太小則可改用「1」，切不可放在「0」處），振幅不大於150。

閃光燈開關用來控制閃光與否，當按住閃光按鈕、擺輪長缺口通過平衡位置時便產生閃光，由於頻閃現象，可從相位差讀盤上看到刻度線似乎靜止不動的讀數（實際有機玻璃F上的刻度線一直在勻速轉動），從而讀出相位差數值，為使閃光燈管不易損壞，採用按鈕開關，僅在測量相位差時才按下按鈕。

電機是否轉動使用軟體控制，在測定阻尼系數和擺輪固有頻率 與振幅關系時，必須將電機關斷。

電氣控制箱與閃光燈和波爾共振儀之間通過各種專業電纜相連接。不會產生接線錯誤之弊病。

四、實驗內容

1．測定阻尼系數β

從液顯窗口讀出擺輪作阻尼振動時的振幅數值θ1、θ2、θ3……θn，利用公式

（8）

求出β 值，式中n為阻尼振動的周期次數，θn 為第n次振動時的振幅，T為阻尼振動周期的平均值。此值可以測出10個擺輪振動周期值，然而取其平均值。

進行本實驗內容時，電機電源必須切斷，指針F放在0°位置， θ0通常選取在130-150之間。

2.測定受迫振動的幅度特性和相頻特性曲線。

保持阻尼檔位不變，選擇強迫振盪進行實驗，改變電動機的轉速，即改變強迫外力矩頻率ω 。當受迫振動穩定後，讀取擺輪的振幅值，並利用閃光燈測定受迫振動位移與強迫力間的相位差（ 控制在10°左右）

強迫力矩的頻率可從擺輪振動周期算出，也可以將周期選為「×10」直接測定強迫力矩的10個周期後算出，在達到穩定狀態時，兩者數值應相同。前者為4位有效數字，後者為5位有效數字。

在共振點附近由於曲線變化較大，因此測量數據相對密集些，此時電機轉速極小變化會引起 很大改變。電機轉速選鈕上的讀數（例2.50）是一參考數值，建議在不同ω時都記下此值，以便實驗中快速尋找要重新測量時參考。

五、波爾共振儀控制箱的使用方法

1、開機介紹

按下電源開關後,屏幕上出現歡迎界面，其中NO.0000X為控制箱與主機相連的編號。過幾秒鍾後屏幕上顯示如圖一「按鍵說明」字樣。符號「t」為向左移動；「u」為向右移動；「p」為向上移動；「q」向下移動。下文中的符號不再重新介紹。

2、自由振盪

在圖一狀態按確認鍵,顯示圖二所示的實驗類型,默認選中項為自由振盪,字體反白為選中。(注意做實驗前必須先做自由振盪,其目的是測量擺輪的振幅和固有振動周期的關系。)

按鍵說明

t u → 選擇項目

pq → 改變工作狀態

確定 → 功能項確定

圖一yi

實驗步驟

自由振盪 阻尼振盪 強迫振盪

圖二

阻尼 0 振幅

測量關00 回查 返回

周期 Ⅹ1 = 秒(擺輪)

圖三

阻尼0 振幅 134

測量查01 ↑↓按確定鍵返回

周期 Ⅹ1 = 01.442 秒(擺輪)

圖四

阻尼選擇

阻尼1 阻尼2 阻尼3

圖五

10

0

阻尼1 振幅

測量關00 回查 返回

周期Ⅹ = 秒（擺輪）

圖六

再按確認鍵顯示:如圖三

用手轉動擺輪160度左右，放開手後按「p」或「q」鍵,測量狀態由「關」變為「開」, 控制箱開始記錄實驗數據, 振幅的有效數值范圍為：160-50(振幅小於160測量開，小於50測量自動關閉)。測量顯示關時,此時數據已保存並發送主機。

查詢實驗數據,可按「t」或「u」鍵,選中回查,再按確認鍵如圖四所示，表示第一次記錄的振幅為134，對應的周期為1.442秒，然後按「p」或「q」鍵查看所有記錄的數據, 該數據為每次測量振幅相對應的周期數值,回查完畢,按確認鍵,返回到圖三狀態,若進行多次測量可重復操作,自由振盪完成後,選中返回,按確認鍵回到前面圖二進行其它實驗。

3、阻尼振盪

在圖二狀態下, 根據實驗要求,按「u」鍵,選中阻尼振盪, 按確認鍵顯示阻尼:如圖五。阻尼分三個檔次,阻尼1最小,根據自己實驗要求選擇阻尼檔,例如選擇阻尼1檔, 按確認鍵顯示:如圖六

用手轉動擺輪160度左右，放開手後按「p」或「q」鍵,測量由「關」變為「開」並記錄數據,儀器記錄十組數據後,測量自動關閉,此時振幅大小還在變化,但儀器已經停止記數。

阻尼振盪的回查同自由振盪類似,請參照上面操作。若改變阻尼檔測量,重復阻尼一的操作步驟即可。

4、強迫振盪

儀器在圖二狀態下,選中強迫振盪, 按確認鍵顯示:如圖七(注意:在進行強迫振盪前必須選擇阻尼檔,否則無法實驗。)默認狀態選中電機。

= 秒（擺輪）

= 秒（電機）

阻尼 1 振幅

測量關00周期1 電機關 返回

周期Ⅹ1

圖七

10 = 14.252 秒（擺輪）

0 = 14.252 秒（電機）

阻尼 1 振幅 122

測量開01 周期10 電機開 返回

周期Ⅹ

圖八

按「p」或「q」鍵,電機啟動。但不能立即進行實驗,因為此時擺輪和電機的周期還不穩定,待穩定後即周期相同時,再開始測量。測量前應該先選中周期，按「p」或「q」鍵把周期由1(如圖七)改為10(如圖八),(目的是為了減少誤差,若不改周期,測量無法打開)。待擺輪和電機的周期穩定後,再選中測量, 按下「p」或「q」鍵,測量打開並記錄數據:如圖八。可進行同一阻尼下不同振幅的多次測量,每次實驗數據都進行保留。

測量相位時應把閃光燈放在電動機轉盤前下方,按下閃光燈按鈕,根據頻閃現象來測量,仔細觀察相位位置。

強迫振盪測量完畢, 按「t」或「u」鍵,選中返回,按確定鍵,重新回到圖二狀態。

5、關機

在圖二狀態下，按住復位按鈕保持不動，幾秒鍾後儀器自動復位，此時所做實驗數據全部清除，然後按下電源按鈕，結束實驗。

六、數據記錄和處理

1．阻尼系數 的計算。

利用公式（8）對所測數據(表1)按逐差法處理，求出β值。

用公式（9），求出β值。

2.幅頻特性和相頻特性測量

作幅頻特性 曲線，並由此求β值。在阻尼系數較小（滿足 ≤ ）和共振位置附近（ ），由於 ，從式（4）和（7）可得出：

當 ，即 ，由上式可得

此ω對應於圖 處兩個值ω1，ω2，由此得出：

（此內容一般不做）

將此法與逐差法求得之 值作一比較並討論，本實驗重點應放在相頻特性曲線測量。

表1 阻尼檔位

序號
振幅（度）
序號
振幅（度）

θ1

θ6

θ2

θ7

θ3

θ8

θ4

θ9

θ5

θ10

平均值

10T= 秒 = 秒

（9）

表2 幅頻特性和相頻特性測量數據記錄表：阻尼開關位置

10T（s）

T（s）
（0）

理論值
θ（0）

測量值

T/T0

誤差分析，因為本儀器中採用石英晶體作為計時部件，所以測量周期（圓頻率）的誤差可以忽略不計，誤差組要來自阻尼系數 的測定和無阻尼振動時系統的固有振動頻率 的確定。且後者對實驗結果影響較大。

在前面的原理部分中我們認為彈簧的彈性系數k為常數，它與扭轉的角度無關。實際上由於製造工藝及材料性能的影響,k值隨著角度的改變而略有微小的變化（3%左右），因而造成在不同振幅時系統的固有頻率 有變化。如果取 的平均值，則將在共振點附近使相位差的理論值與實驗值相關很大。為此可測出振幅與固有頻率 的相應數值。在 公式中T0採用對應於某個振幅的數值代入，這樣可使系統誤差明顯減小。

振幅與共振頻率 相對應值可要用如下方法：

將電機電源切斷，角度盤指針F放在」0」處，用手將擺輪撥動到較大處(約1400～1500)，然後放手，此擺輪作衰減振動，讀出每次振幅值相應的擺動周期即可。此法可重復幾次即可作出 與 的對應表。

附：ZKY-BG型波爾共振儀調整方法

波爾共振儀各部分經校正，請勿隨意拆裝改動，電氣控制箱與主機有專門電纜相接，不會混淆，在使用前請務必清楚各開關與旋鈕功能。

經過運輸或實驗後若發現儀器工作不正常可行調整，具體步驟如下：

1、將角度盤指針F放在「0」處。

2、松連桿上鎖緊螺母，然後轉動連桿E，使搖桿M處於垂直位置，然後再將鎖緊螺母固定。

3、此時擺輪上一條長形槽口（用白漆線標志）應基本上與指針對齊，若發現明顯偏差，可將擺輪後面三隻固定螺絲略松動，用手握住蝸卷彈簧B的內端固定處，另一手即可將擺輪轉動，使白漆線對准尖頭，然後再將三隻螺絲旋緊：一般情況下，只要不改變彈簧B的長度，此項調整極少進行。

4、若彈簧B與搖桿M相連接處的外端夾緊螺釘L放鬆，此時彈簧B外圈即可任意移動（可縮短、放長）縮短距離不宜少於6cm。在旋緊處端夾擰螺釘時，務必保持彈簧處於垂直面內，否則將明顯影響實驗結果。

將光電門H中心對准擺輪上白漆線（即長狹縫），並保持擺輪在光電門中間狹縫中自由擺動，此時可選擇阻尼開關「1」或「2」處，打開電機，此時擺輪將作受迫振動，待達到穩定狀態時，打開閃光燈開關，此時將看到指針F在相位差度盤中有一似乎固定讀數，兩次讀數值在調整良好時差1º以內（在不大於2º時實驗即可進行）若發現相差較大，則可調整光電門位置。若相差超過5º以上，必須重復上述步驟重新調整。

由於彈簧製作過程中問題，在相位差測量過程中可能會出現指針F在相位差讀數盤上兩端重合較好，中間較差，或中間較好、二端較差現象。

[注意事項]

波爾共振儀各部分均是精確裝配，不能隨意亂動。控制箱功能與面扳上旋鈕、按鍵均較多，務必在弄清其功能後，按規則操作。

波耳共振實驗操作注意事項：

1. 作自由振盪實驗時，必須記下自由振盪實驗時的擺輪周期；

2. 強迫振盪實驗時，調節儀器面板〖強迫力周期〗旋鈕，從而改變不同電機轉動周期，必須做3～11次，其中必須包括在電機轉動周期與自由振盪實驗時的自由振盪周期相同的。

3. 在作強迫振盪實驗時，必須電機與擺輪的周期相同，振幅必須穩定後，方可記錄實驗數據。

4. 學生做完實驗後測量數據必須保存。