现代水工测试技术(武大课件四)
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【实用】现代检测技术PPT文档
二、软测量技术的要素 系，通过数学推导（计算和估计），求出它们之间的关系式，此关系式称为软测量模型，根据此模型编制程序，再由计算机求出待测
过程的主导变量。 根据这三个参数利用机理法，便可实现湿蒸汽干度的在线自动测量。
1. 中间辅助变量的选择
• 变量类型的选择，可以根据以下原则选择辅助变量。
−灵敏性：能对过程输出或不可测扰动作出快速反应； −特异性：对过程输出或不可测扰动之外的干扰不敏感； −过程适用性：工程上容易获得并能达到一定的测量精度； −精确性：构成的模型输出满足精度要求； −鲁棒性：构成的测量模型对模型误差不敏感。
四、 软测量技术应用举例
汽驱热采工艺流程中，锅炉出口湿蒸汽干度的检测是其中的 一个关键问题干度过低，无法满足注井热量要求；干度过高会 导致蒸汽过热而使锅炉结垢。目前对干度的测量主要有两种方 法，一种是依靠人工分析化验，但这种方法时间滞后性大，锅 炉的优化操作得不到保证，这里采用机理分析建立湿蒸汽的软 测量模型。
1． 软测量技术的应用条件
•通过软测量技术所得到的过程变量估计值必须在工艺过程 所允许的精确度范围内；
•能通过其他检测手段得到过程变量估计值以对测被估过程变量的检测仪表较贵或维护困难； •被估过程变量应具有灵敏性、精确性、合理性等 2.尚存在的问题 • 软测量技术的发展依赖于两个基本问题的解决： 可计算性与实时性问题。 • 还需要解决好以下问题： （1）确定既简单、便于实时计算又 保持一定的精度的软测量模型的问题还没有理想的解决方案。 （2）软测量技术的通用性
4． 测量模型修正
工业实际装置在运行过程中，由于过程的随机噪声和不确定 性，使其对象特性和工作点会不可避免的发生变化和漂移， 所建模型和实际对象间存在误差，如果误差大于工艺允许的 范围时，应对测量模型进行校正。校正方法可以根据当前数 据进行重新建模，也可以通过闭环校正进行数学模型的修正。
过程的主导变量。 根据这三个参数利用机理法，便可实现湿蒸汽干度的在线自动测量。
1. 中间辅助变量的选择
• 变量类型的选择，可以根据以下原则选择辅助变量。
−灵敏性：能对过程输出或不可测扰动作出快速反应； −特异性：对过程输出或不可测扰动之外的干扰不敏感； −过程适用性：工程上容易获得并能达到一定的测量精度； −精确性：构成的模型输出满足精度要求； −鲁棒性：构成的测量模型对模型误差不敏感。
四、 软测量技术应用举例
汽驱热采工艺流程中，锅炉出口湿蒸汽干度的检测是其中的 一个关键问题干度过低，无法满足注井热量要求；干度过高会 导致蒸汽过热而使锅炉结垢。目前对干度的测量主要有两种方 法，一种是依靠人工分析化验，但这种方法时间滞后性大，锅 炉的优化操作得不到保证，这里采用机理分析建立湿蒸汽的软 测量模型。
1． 软测量技术的应用条件
•通过软测量技术所得到的过程变量估计值必须在工艺过程 所允许的精确度范围内；
•能通过其他检测手段得到过程变量估计值以对测被估过程变量的检测仪表较贵或维护困难； •被估过程变量应具有灵敏性、精确性、合理性等 2.尚存在的问题 • 软测量技术的发展依赖于两个基本问题的解决： 可计算性与实时性问题。 • 还需要解决好以下问题： （1）确定既简单、便于实时计算又 保持一定的精度的软测量模型的问题还没有理想的解决方案。 （2）软测量技术的通用性
4． 测量模型修正
工业实际装置在运行过程中，由于过程的随机噪声和不确定 性，使其对象特性和工作点会不可避免的发生变化和漂移， 所建模型和实际对象间存在误差，如果误差大于工艺允许的 范围时，应对测量模型进行校正。校正方法可以根据当前数 据进行重新建模，也可以通过闭环校正进行数学模型的修正。
《水利工程现代化技术》(精)
2、建成较为完善的大江大河防 洪减灾体系
防洪减灾体系完善、运用自如、安全程度高， 保障从整体安全的角度对洪水进行优化调度， 把灾害损失降低到最低程度。防洪能力与经济 社会发展水平和洪水特点相适应。基本保障经 济发展和社会安全对防洪的要求，基本保障人 民生命和财产的防洪安全，为经济社会的安全 运行和稳定发展提供支撑的保障。基本保障大 江、大河、大湖和沿海主要防洪保护区及城市 的防洪安全，城市发展的防洪安全得到保障， 提高中小河流的防洪标准和抗御洪涝灾害的能 力。
3、生产用水效率综合指数：
指国民经济各行业用水水平相对于设定高效用水水平 的达标程度，以现状条件下生产用水的综合万元GDP用 水量与设定节水水平条件下的综合万元GDP用水量（参 照国外发达国家的用水水平确定）的满足程度来表征， 是反映用水效率及其与经济产出之间关系的一项综合 指标。 根据发达国家的发展经验，随着国民经济的发展，用 水量逐步增大，水资源逐步变成一种稀缺性资源，国 民经济的各个行业开始重视节约用水，用水效率逐步 提高。我国近20年的发展历程也表明单位经济产出所 消耗的水量，随着国民经济的发展，节水力度的加大 和用水效率的不断提高而降低。因此，该指标可用来 评价水利现代化的进程。
（二）水利现代化的定性评价指标体系 鉴于反映水利现代化进程的有些指标可 以定量，有些指标难以进行定量，为了 全面、综合地反映不同经济社会发展条 件和不同类型地区的水利现代化所达到 的形象和程度，从定性评价的角度出发 将水利现代化分为以下八个方面：
1、以人为本、实现人与自然和谐相处。
通过合理开发水资源、高效利用水资源、合理 配置水资源等，基本满足人类生存、经济社会 发展和生态环境保护对水的需求；通过规范和 调节人类水事行为，彻底制止对生态环境和水 资源的破坏和掠夺性开发行为，实现达到人与 自然和谐相处；水利对经济社会发展以及生态 环境保护的支持与保障达到较高的水平，经济 社会发展以及生态环境的安全基本得到保障， 经济社会抗御水旱灾害风险的能力达到较高的 水平，基本达到洪旱无恙，人居环境得到较大 程度的改善，环境良好，基本实现水资源与经 济社会协调发展。
现代水工测试技术—强度检测49页PPT
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
பைடு நூலகம்
现代水工测试技术—强度检测
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
பைடு நூலகம்
现代水工测试技术—强度检测
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
现代检测技术PPT课件
(6-16)
为电桥输出电压与各桥臂电阻变化量的一般关系式。由于 RR，
忽略分母中的 R 项和分子中的 R高次项，对于最常用的全等臂电桥，
可写为：
ey4 eR 0R 1R2R3R4
(6-17)
10
6.2.1 测量电桥
（2）直流电桥主要的特点： a) 所需的高稳定度直流电源较易获得； b) 电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，精度较高； c) 对传感器至测量仪表的连接导线要求较低； d) 电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。 但直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。
解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测 量信号（调制波）。
图641高频干扰电压对称滤波器简化的线间电压和对地电压滤波器精选课件ppt54632抑制干扰的基本方法图642对抑止因电源波形失真而含有较多高频谐波的干扰很有效去耦滤波器为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰如图644所图642低频干扰电压滤波器图643高低频干扰电压滤波器图644电源去耦滤波器精选课件ppt55632抑制干扰的基本方法光电耦合光电耦合器对切断地环路电流干扰是十分有效的
则:
Z01Z03 Z02Z04
13 24
(6-24)
图6.10 交流电桥
式(6-24)表明，交流电桥平衡必须满足两个条件：相对两臂阻 抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称 为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。
18
6.2.1 测量电桥
图6.11 电容电桥
❖ 图6.11是一种常用电容电桥，R 1、R 4
6
6.2 检测信号的调理电路
6.2.1 测量电桥
• 按照电桥所采用的电源不同可分为： 直流电桥和交流电桥
武汉工程大学工程测试技术课件
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
工程测试技术
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
工程测试技术
4
概述
一、系统：由若干个相互作用、相互依赖的事物组合而
成的具有特定功能的整体。
工程测试技术
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
工程测试技术
Common Sense
• 课程内容：
– 以基础内容为主（考核重点） – 适当扩展内容（相关背景，学科进展等）
课程内容
1. 概述
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
工程测试技术
工程测试技术
信号分析
• 信号（Signal）分为确定性信号和非确定性信号两大类。
• • 确定性信号
是指可以用数学关系式或图表来明确描述其关系的信号。是一 确定的时间函数时，给定某一时间值，就可以确定一相应的函数值。 表描述其关系，更不能确切预测，只能用概率统计方法由过去估计未来，因此 也叫随机信号。不是确定的时间函数，只知道该信号取某一数值的概率。 •带有信息的信号往往具有 不可预知的不确定性，是一 种随机信号。 •除实验室发生的有规律的 信号外，通常的信号都是随 机的，因为确定信号对受信 者不可能载有信息。
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
课程内容
1. 概述
2. 信号分析
3. 4. 5. 6. 7. 8.
School of Mechanical & Electrical Engineering
工程测试技术
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
工程测试技术
4
概述
一、系统：由若干个相互作用、相互依赖的事物组合而
成的具有特定功能的整体。
工程测试技术
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
工程测试技术
Common Sense
• 课程内容：
– 以基础内容为主（考核重点） – 适当扩展内容（相关背景，学科进展等）
课程内容
1. 概述
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
工程测试技术
工程测试技术
信号分析
• 信号（Signal）分为确定性信号和非确定性信号两大类。
• • 确定性信号
是指可以用数学关系式或图表来明确描述其关系的信号。是一 确定的时间函数时，给定某一时间值，就可以确定一相应的函数值。 表描述其关系，更不能确切预测，只能用概率统计方法由过去估计未来，因此 也叫随机信号。不是确定的时间函数，只知道该信号取某一数值的概率。 •带有信息的信号往往具有 不可预知的不确定性，是一 种随机信号。 •除实验室发生的有规律的 信号外，通常的信号都是随 机的，因为确定信号对受信 者不可能载有信息。
机电工程学院
School of Mechanical & Electrical Engineering
课程内容
1. 概述
2. 信号分析
3. 4. 5. 6. 7. 8.
现代分析测试技术PPT课件
气相色谱分析法 高效液相色谱分析
分子质谱分析 原子质谱分析
现代分析测试技术
热分析法 放射化学分析法
14
概
述
按仪器的用途可分为：
1.成分分析类（原子、离子、分子、基团） 如：原子吸收光谱、
红外光谱、X射线衍射等。
2.结构分析类（原子结构、分子结构、晶体结构、微观结构）如：
红外光谱、X射线衍射、透射电镜等。
现代分析测试技术
19
概述部分的要求
1. 了解现代物质分析、仪器分析的概念 2. 掌握现代物质分析有哪几大类分析方法 3. 掌握物相、元素、微观分析的区别 4. 了解现代物质分析的特点、应用范围
现代分析测试技术
20
课堂复习
1. 现代物质分析常用方法（按照原理）有_________、 __________、
• 《仪器分析原理》何金兰等，21教材，科学出版社（2002）
现代分析测试技术
3
其它参考书
物相、元素分析与微观分析的区别
重要
劣质食盐
NaCl KCl Na2SO4 K2SO4
物相
NaCl、KCl、Na2SO4、K2SO4
元素
Na、K、 Cl、 S、O
微观
现代分析测试技术
4
元素分析结果的表征形式:
10
概
述
重要
2. 现代分析测试技术的分析方法
按仪器的工作 原理可分为：
分析方法 （工作原理）
光学分析法 电化学分析法 色谱分析法 质谱分析法 其现代它分分析测析试技方术法 （如：热分析法） 11
光学分析法----按原理分类
重要
光谱法：测量的信号是物质内部能级跃迁所产生的发射、吸收、散
水工模型试验基础PPT课件
.
15
日洪水总量 Vp 2074万m3 。试进行模型设
计。
L2 0 m2 .1 m s
解：由于过闸水流主要受重力控制，所以要 按重力相似准则设计；同时考虑过闸水流紊 动的特点，还要满足紊动阻力相似。
（1）确定模型流量：由
QL2.51788.85
.
16
则 模 型 流 量Q mQ Q p1 7 8 8 0 8 0 .8 50 .4 4 7m 3s
.
18
第三节 水工模型设计的几点说明
（1）如果原型水流是紊流，则模型中 的水流也应该是紊流，在设计河道模型时 要选择几个流速较小的断面进行校核。
(2)原型水流是缓流或急流，模型中也 相应为缓流或急流。
(3)在阻力相似的模型中，应该保持粗 糙系数的相似，并检验模型水流是否在阻 力平方区。
.
19
.
20
（2）确定原型闸小护坦中部流速
L 0 .5 4 .4 7 m 2 .1 m s
p m 4 .4 7 2 .1 9 .3 9 m s
（3）确定模型洪水周期和洪量
原 型 设 计 洪 水 周 期 T p 3 d ， 设 计 洪 水 总 量 V p 2 0 7 4 1 0 4 m 3
.
6
二. 相似准则 1.牛顿普遍相似准则
F
Fp Fm
mpap mmam
aL3
F 1 L v
Fp Fm
pLp2p2 mLm2m2
F Ne L2 2
Nep Nem
★模型与原型的牛顿数相等，这是流动相似 的重要判据，称为牛顿相似准则。
.
7
2.重力相似准则
实际工程中，由于流经闸、坝的水流， 具有自由液面，因此起主导作用的力是重力， 如果用重力代替牛顿相似准则中的F，换成是 重力G，就可以满足原型与模型在单项力上的 力学相似。此时的作用力比尺就是：
水利工程试验检测ppt课件
;
二、干密度试验〔灌砂法）
图a
;
二、干密度试验〔灌砂法）
3〕将密度测定器竖立，灌砂漏斗口向上，关阀门，向灌砂漏斗 中注满标准砂，打开阀门使灌砂漏斗内的标准砂漏入容砂瓶内， 继续向漏斗内注砂漏入瓶内，当砂停止流动时迅速关闭阀门， 倒掉漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量， 准确至5g。试验中应避免振动。 4〕倒出容砂瓶内的标准砂、通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高 出阀门，关阀门，倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水 的总质量，准确到5g，并测定水温，准确到0.5℃。重复3次，3 次测值之间的差值不得大于3mL，取3次测值的平均值。 （4〕容砂瓶的容积，应按下式计算：
;
二、干密度试验〔灌水法）
试坑尺寸〔表a）
;
二、干密度试验〔灌水法）
5〕记录储水筒内初始水位高度，拧开储水筒出水管开关，将 水缓慢注入塑料薄膜袋中。当袋内水面接近套环边缘时，将水 流调小，直至袋内水面与套环边缘齐平时关闭出水管，持续 3~5min，记录储水筒内水位高度。当袋内出现水面下降时， 应另取塑料薄膜袋重做试验。 （4〕试坑的体积，应按下式计算：
;
二、干密度试验〔环刀法）
■实验应按下列步骤进行： 1〕将环刀内部涂一层凡士林 2〕取尺寸大于环刀的土样，整平土样两端，将环刀刃口向下放在土样上。 3〕用切土刀沿环刀外围切削土样，并将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出 环刀为止，将环刀两端余土削去修平。 4〕擦净环刀外壁，称环刀和试样总质量。也可在天平放砝码一端放一等质量环 刀或与环刀等质量的砝码，直接称出试样质量。 5〕从剩余的土中取代表性土样测定土的含水率。（含水率测定应符合烘干法含 水率试验的要求） 6〕称量精确至0.1克，环刀容积精确至0.01cm³。
二、干密度试验〔灌砂法）
图a
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二、干密度试验〔灌砂法）
3〕将密度测定器竖立，灌砂漏斗口向上，关阀门，向灌砂漏斗 中注满标准砂，打开阀门使灌砂漏斗内的标准砂漏入容砂瓶内， 继续向漏斗内注砂漏入瓶内，当砂停止流动时迅速关闭阀门， 倒掉漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量， 准确至5g。试验中应避免振动。 4〕倒出容砂瓶内的标准砂、通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高 出阀门，关阀门，倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水 的总质量，准确到5g，并测定水温，准确到0.5℃。重复3次，3 次测值之间的差值不得大于3mL，取3次测值的平均值。 （4〕容砂瓶的容积，应按下式计算：
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二、干密度试验〔灌水法）
试坑尺寸〔表a）
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二、干密度试验〔灌水法）
5〕记录储水筒内初始水位高度，拧开储水筒出水管开关，将 水缓慢注入塑料薄膜袋中。当袋内水面接近套环边缘时，将水 流调小，直至袋内水面与套环边缘齐平时关闭出水管，持续 3~5min，记录储水筒内水位高度。当袋内出现水面下降时， 应另取塑料薄膜袋重做试验。 （4〕试坑的体积，应按下式计算：
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二、干密度试验〔环刀法）
■实验应按下列步骤进行： 1〕将环刀内部涂一层凡士林 2〕取尺寸大于环刀的土样，整平土样两端，将环刀刃口向下放在土样上。 3〕用切土刀沿环刀外围切削土样，并将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出 环刀为止，将环刀两端余土削去修平。 4〕擦净环刀外壁，称环刀和试样总质量。也可在天平放砝码一端放一等质量环 刀或与环刀等质量的砝码，直接称出试样质量。 5〕从剩余的土中取代表性土样测定土的含水率。（含水率测定应符合烘干法含 水率试验的要求） 6〕称量精确至0.1克，环刀容积精确至0.01cm³。
现代测量技术-4[1]
脉冲 输出
电源 公共端
精密电荷 分配器
频率/电压转换
失调电压 调整
频
率
输
精密电荷 自适应式
入
分配器 滤波器
比较器
参
考
输
原理：频率电压从比较器输入，电容器将交替地
入
由精密参考电压充电并通过下一级放大器的汇流
电放电。每一个充电/放电周期都有固定数量的电
荷受到控制。输入频率越高，流入汇流点的平均
汇
电流就越大。然后再有电流放大器的反馈电阻完
第四章 信号的传输
程晓舫 中国科学技术大学 工程科学学院 热科学和能源工程系
§4 信号的传输
§4.1 概述 §4.2 信号的传输 §4.3 干扰 §4.4 本章小结
§4.1 概述
怎样传输电信号？
流动：
• 通过信号自身的运动，从一处到达另一处
波动：
• 通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处
哪些电信号能够被传输
传输介质
与电磁有关的介质：电缆、空间 与电磁无关的介质：光缆
传输调理
数字调理； 频率调理； 电光调理。
§4.3 干扰
§4.3.1概述 §4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式 §4.3.3传导干扰的耦合和抑制 §4.3.4共阻抗干扰的耦合和抑制 §4.3.5电场干扰的耦合和抑制 §4.3.6电感干扰的耦合和抑制 §4.3.7小结
电器设备干扰
放电干扰
• 电晕放电：15kHz-400MHz，主要对低频产生影响 • 辉光（气体）放电：超高频，几十微伏到几十毫伏 • 弧光（金属雾）放电：0.15-150MHz，100-1000微伏 • 火花放电：0.15-150MHz，几百-几千微伏
电器开关通断干扰
电源 公共端
精密电荷 分配器
频率/电压转换
失调电压 调整
频
率
输
精密电荷 自适应式
入
分配器 滤波器
比较器
参
考
输
原理：频率电压从比较器输入，电容器将交替地
入
由精密参考电压充电并通过下一级放大器的汇流
电放电。每一个充电/放电周期都有固定数量的电
荷受到控制。输入频率越高，流入汇流点的平均
汇
电流就越大。然后再有电流放大器的反馈电阻完
第四章 信号的传输
程晓舫 中国科学技术大学 工程科学学院 热科学和能源工程系
§4 信号的传输
§4.1 概述 §4.2 信号的传输 §4.3 干扰 §4.4 本章小结
§4.1 概述
怎样传输电信号？
流动：
• 通过信号自身的运动，从一处到达另一处
波动：
• 通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处
哪些电信号能够被传输
传输介质
与电磁有关的介质：电缆、空间 与电磁无关的介质：光缆
传输调理
数字调理； 频率调理； 电光调理。
§4.3 干扰
§4.3.1概述 §4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式 §4.3.3传导干扰的耦合和抑制 §4.3.4共阻抗干扰的耦合和抑制 §4.3.5电场干扰的耦合和抑制 §4.3.6电感干扰的耦合和抑制 §4.3.7小结
电器设备干扰
放电干扰
• 电晕放电：15kHz-400MHz，主要对低频产生影响 • 辉光（气体）放电：超高频，几十微伏到几十毫伏 • 弧光（金属雾）放电：0.15-150MHz，100-1000微伏 • 火花放电：0.15-150MHz，几百-几千微伏
电器开关通断干扰
现代水检测技术概述
《电化学分析导论》，科学出版社，高小霞等，1986 (2) 《电化学分析》，中国科大出版社，蒲国刚等，1993 (3) 《电分析化学》，北师大出版社，李启隆等，1995 (4) 《近代分析化学》，高等教育出版社，朱明华等，1991
08:33:16
色谱分析参考书
释世界的过程；
20世纪40年代前：分析化学=化学分析； 越来越多的问题化学分析不能解决：快速、实时检测？ 痕量分析？结构确定？ -仪器分析的快速发展，
08:33:15
1.1.2 仪器分析发展和作用
20世纪40年代后：仪器分析的大发展时期，
确立了仪器分析的地位；
原因： （1）物理学+电子技术+精密仪器制造技术的发展； （2）社会发展的迫切需要（发展动力，连续化大生产的迫 切需要）；
第一章 绪 论
Introduction
1.1.1 概述
1.1.2 仪器分析的发
展和作用
第一节 概 述
Generalization
1.1.3 课程的主要内
容与学习方法
08:33:15
1.1.1 概 述
分析化学是研究获取物质的组成、形态、结构等信息及 其相关理论的科学； 分析化学是化学中的信息科学； 分析化学的发展过程是人们从化学的角度认识世界、解
分析化学 = 化学分析+仪器分析；仪器分析地位确立
仪器分析：通过最佳物理方法获取尽可能多的化学信息 仪器分析的发展过程“与时俱进”，与社会发展同步。
08:33:15
仪器分析发展和作用
20世纪90年代后，各种新方法、新内容广泛应用： （1）化学计量学 （2）毛细管电泳 （3）高效膜分析技术 （4）超临界萃取 （5）分子分析
(3) 《光谱解析法在有机化学中的应用》，科学出版社，洪
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工业CT需适应不同工件尺寸和材质的无损检测，发射能量和空间分辨率 的要求往往更高于医学CT，从20世纪80年代开始已成为一个专门分支。目前 已取得飞速发展，进入了成熟的实用阶段。
地学科学家将CT技术移植于地球内部的结构成像，形成了地球物理CT这 一新分支。为人类了解地球内部结构、动力和演化提供了有利的工具。
（五）大坝CT实例（丰满大坝CT检查）
1、工程概况 丰满大坝位于吉林省吉林市松花江上，为混凝土重力坝,高91m,长 1080m,修建于上世纪30年代末至40年代中后期。因部分坝体施工质量不佳, 加之年久老化,坝体存在薄弱部位。为掌握其性态以制订加固方案,1991年在 日本国际协力事业团帮助下用3个月时间进行了坝体20个坝段的CT检查。 2、起震点及拾振点布置
பைடு நூலகம்
4、成果
由图像重建的结果得知： 坝体250m以下混凝土波速为3.5~4.5km/s， 250m以上至坝顶多在3. 5km/s以下，上部混凝土质量较差。 此外,上下游坝面附近也有速度较低的部位,这可能是材料老化所致。。
图3 丰满 大坝 42 剖面波速成像结果图
（六）近期和远景的可能应用项目
在大坝工程施工期和运行期,可考虑下列CT应用项目。 (1)大坝内部材料弹性模量(或强度)分布情况及缺陷部位检查、成像。
大坝检查监测中CT技术
大坝检查监测中的计算机层析成像技术
（一）概念
计算机层析成像（Computerized Tomography）指的是在不 破坏物体结构的前题下,根据在物体周边所获取的某种物理量(如 波速、X线光强)的一维投影数据,运用一定的数学方法,通过计算 机的处理,重建物体特定层面上的二维图像以及依据一系列上述 二维图像进而构成三维图像的技术。 从信息的观点看来,它实质上是从低维流形上叠加的信息来 分辨或提取点上信息的技术。 大坝检查监测中的计算机层析成像技术是一种无损检验高 新技术。可以定量地反映大坝内部材料性质的分布情况和缺陷 部位,描绘出剖面以至三维立体内的结构图像。
我国于199年11月曾完成对天生桥水利工程地质问题的磁场观测层析 成像。1991年还发表了对二峡地区基底面二维速度反演的成果。中国水利 水电科学研究院和丰满发电厂共同攻关研究CT技术,并发表了大坝CT诊断 软件系统的研制报告。
（四）大坝CT基本原理
1、射线走时与图象重建 （1）选择重力坝横剖面如图1； （2）在上游坝面设发射点； （3）在坝顶及下游坝面设接收点。 （4）依次在各发射点激振，并于每 个发射点激振时在各接收点记录弹 性波走时, 得到所有各射线(由一个 发射点到一个接收点之间的震波经 过路径)上的走时T值； （5）根据实际测得的走时T值要计算出 坝内各点的波速值V（x，y）即可了解 材料弹性模量(或强度)的分布情况。
在大坝CT中,射线路径不仅与反射点及接收点位置有关,而且与介质速度分 布有关,因此走时反演速度是一个非线性层析成像问题,这比属于线性问题的医 学CT要更复杂。
层析成像的关键是根据众多的投影数据(射线走时)求解大型稀疏线性方程 组(2)，求得成像面上各点的慢度W(x,y)值。 目前解决这一问题有三类方法：直接法、间接法、偶合法。
3、信号处理分析 反演计算时单元取边长为2.5m的正方形，用逆投影法作成初期原型，用同步 迭代重建法作逼近计算。没有考虑射线追踪。 分析走时误差的主要原因有2： 1、初动读数的误差。由爆破产生的P波频率约为300Hz，一个波长的时间为 3ms，频率读取的精度为0.3ms(1/10波长)； 2、测定点座标的误差。由于接收点未进行实地量测,是从图上确定位置的， 估计有50cm的座标误差。当波速为3.0km/s时，相应误差时间为0.17ms。两者合计 误差约0.5ms。故以此值为迭代计算时走时剩余差的控制标准，小于此值时终止迭 代，结束计算。
（2）接收部分 接收部分常用拾震传感器：速度传感器和加速度传感器两种。 （3）记录部分 记录部分的功能是记录起爆时间及弹性波形。它是一个多通道的震动示波仪。
4 、分析处理系统
（1）系统硬件 计算机。
（2）分析处理软件
分析处理软件一般应有下列功能： ① 监测控制 ② 反演计算
③ 图像输出
④ 成果分析 ⑤ 大坝个有关信息存储及查询 ⑥ 结构分析 ⑦ 合成模型分析
Vi
(1)
Lij /( t
i 1 i 1
K
K
( 0) cij
( 0) tij ) i 1
K
④ 止。
以Vj(1)作为已知波速分布，重复
②、③步骤，直至求得的L、T、W、V符合要求为
2）傅里叶变换层析成像法（间接法）
根据傅里叶切片定理，二维函数f(x,y)的傅里叶变换F(u,v)在中心剖 面上的分布等于该二维函数f(x,y)的一维投影的傅里叶变换。 由此在取得足够的投影数据后做它们的傅里叶变换就可以得到F(u,v)的 分布，再作F(u,v)的逆变换就可以得到f(x,y)。 3）卷积反投影法（间接法） 是对傅里叶变换层析成像法的推广。它假设投影数据是有限带宽，以此将 傅里叶变换公式分成“卷积”和“反投影”两部分，这减少了直接进行二维 傅里叶变换的计算工作量，精度也得到改进。
2、射线走时与图象重建
假设射线均为直线,则由T及射线长度L、可以求出射线上的平均波速v，还可求 出射线上的平均慢度w，慢度为波速的倒数，是单位长度上的走时。 射线上速度(及慢度)在各点是不同的，走时T是慢度W(x、y)在射线上的一维投 影数值。 为提取射线上各点的慢度信息，并通过多条射线上各点慢度得出坝横剖面上的 慢度分布，就需通过一定的数学方法及计算机处理，从多个方向上的一维投影值为 建立二维慢度(或波速)的图像，这就是CT中的图像重建技术。
3、大坝CT检测设备
大坝CT检测设备一般包括发射（起震）、接收和记录三部分。 （1）发射部分 发射部分是产生弹性波的动能源。 位置：一般在坝面、钻孔、廊道或探坑处。 作用：激震。起震后立即将弹性波在被测物体传播，并有驱动装置与记录 部分相连，能在弹性波能源产生的瞬间即开始记录。 对发射部分的要求：起震源较强、频带域宽广（特别是高频）、时间分辨 率高。 常用震源：电器雷管、甘油炸药。在小范围也用激震大锤、气枪、电火 花发生器等。
(2)大坝内部材料老化进程及异常变化监测。
(3)大坝混凝土施工质量检验。 (4)施工爆破及洞室开挖对附近坝工建筑物影响的监测。
(5)大坝补强加固(裂缝灌浆、预应力锚固等)效果检验。
(6)大坝地基内断层破碎带及软弱夹层检查成像。 (7)大坝地基处理效果检验。
(8)高边坡稳定情况监视。
结合CT技术的进展,还可扩大使用领域、采用更先进的技术,在 远期逐步考虑以下应用。 (1)对坝体、基岩及边坡内部的材料异常部位,实现三维成像。 (2)用核磁共振成像技术观测大坝地基及岸坡地下渗流。
CT技术还有效地应用于海洋内部结构的成像。应用海洋音响层析成像来 测量大洋内部的波速、水温、流速的变化，辨识洋流的结构、海水温度的三 维分布及变化过程以研究厄尔尼诺现象的成因。
（三）大坝CT的开发应用
意大利最早将CT技术用于大坝性态诊断。他们采用声波方法,利用直 达波走时对坝体介质的波速分布进行反演,实施大坝的CT成像,有效地进行 CT大坝安全检查及工程处理效果检验； 日本曾对某些坝址区地表、钻孔及平硐所围的区域作CT探查,来掌握 坝址地质构造或推测断层破碎带分布情况。他们还在某隧洞开挖前借测定 附近岩体波速的变化,用以确定开挖所引起的岩体松驰的范围和程度。 1991年7一9月,日本国际协力事业团曾协助对我国丰满大坝20个坝段 作CT检查,获得了这些坝段的波速分布横剖面图。
V
(0) j
L t
j 1 i 1 K
K
ij
ij
② 以Vj(0)作为已知波速分布，进行射线追踪，形成L矩阵和走时T向量。追踪射线常用 基于惠更斯原理的二次震源法。 ③ 对有K条射线通过的第j号单元的速度Vj(0)进行修正。 根据各单元初期速度计算出的j射线计算走时为Lci(0),则实测走时与计算走时的 差值为：
（3）几种常用层析成像方法
直接法是直接计算线性方程组系数的方法,有逆矩阵法、消元法、迭代法等。 迭代法采用较多,其中又包括同步迭代重建法,代数重建法、图像重建外插算法 等。 间接法是经过付立叶变换及逆变换来求函数W(x,y)的办法。包括付立叶变 换法、卷积反投影法等。 耦合法是在较小的计算机硬件条件下,进行数值计算的方法,包括分割推算 法、区域分裂法、多重子结构法、小波法及分形几何法等。 1）迭代法及射线追踪图像重建步骤（直接法） ① 假定有K条射线通过第j号单元，则第j号单元的初始波速分布Vj(0)（相 应初始慢度分布为Wj（0）），Ti为第i条射线的实时走时，Li为射线长度，Lij为 通过第j号单元的射线长度，tij为通过第j号单元初设走时。
(3)对混凝土中钢筋及金属埋件作微波检测。
(4)对水库是否出现诱发地震作监测。 (5)利用声波扫描记录作海洋音响层析成像,监测水库水温及流 速分布。 (6)对中国上空云和水蒸汽质量作三维成像,用于预报大范围流域 的大暴雨和洪水。
（二） CT的发展概况
1971年英国科学家洪斯费尔德(Hounsfield)综合了当时物理学、数学、放射 学、医学、计算机科学等多学科成果,研制成功了世界上第一台X射线CT扫描 机,用于人体颅脑断面成像,在医学领域率先推出了CT技术。 等。
随着CT技术和各专业学科的发展，出现了工业CT、地球物理CT和大坝CT
（1）投影数学关系式
一条射线上的投影关系为
T W ( x, y )dl
L
（1）
式中L为射线路径；l为L上的弧长参数，W(x,y)为二维平面内点P(x,y)上的慢度， T为L上走时；
当将被测区域划分成许多规则的小方块单元, 每个单元内的w(x,y)可視为常数, 式(1)可用下式表示
Ti LijW j
( 0) Ti (0) Ti Tci