【正文】 頻率響應(yīng)函數(shù)： Utνe=BLDejθ (411) D=λ2(1λ2)2+4ξ2λ2θ=arctan2ξλ1λ2 (0≤θ≤π)λ=ωωn,ωn=km,ξ=c2mk (412)式中：Ut——速度傳感器的輸出電壓； νe——待測振動速度； B——磁場強度； L——切割磁力線的線圈總長度； D——動力放大系數(shù)； Θ——相位差； λ——頻率比； ξ——阻尼系數(shù)。為了壓低使用頻率下限，一般在速度傳感器中引入阻尼比ξ，這樣曲線在λ=1之后，將很快進入平坦區(qū)，因而可以改善幅頻特性。引入阻尼還可以起到避免過大的共振振幅造成傳感器內(nèi)部可動部件損壞，縮短響應(yīng)過度時間的作用。阻尼比越大，速度傳感器的分辨率越高，能夠清楚地區(qū)分到達時差很短的有效波越高，能夠清楚的區(qū)分到達時差很短的有效波振動，但是，過大的阻尼比會降低靈敏度，使傳感器動態(tài)響應(yīng)遲鈍?！?。、123340（Hz）幾種。用于反射波法時可選擇較大的固有頻率；而用于機械阻抗法（特別是檢測樁基承載力）宜選擇固有頻率較低的速度傳感器（≤10Hz）。一般速度傳感器的頻道寬度約為2000Hz以內(nèi)。用于反射波法測樁，頻帶寬度應(yīng)不窄于10～1000Hz。理論和實驗表明，彈性安裝條件（手按或油性橡皮泥耦合）或安裝不良時，速度傳感器頻響曲線的高頻端會突顯一安裝諧振峰，導(dǎo)致頻帶寬度減小，無法滿足測試要求?，F(xiàn)場使用時，安裝諧振頻率不得低于1500Hz。根據(jù)目前的技術(shù)，大多數(shù)速度傳感器的靈敏度可設(shè)計在200～800mV/（cm/s）之間。在樁基動測中，由于錘擊產(chǎn)生的能量較強，一般不要求靈敏度太高。用于反射波法測樁，要求靈敏度大于300mV/(cm/s)。實際使用中，針對不同樁長，可選擇不同靈敏度的速度傳感器。樁較短時，可選擇靈敏度小一些的傳感器；樁較長，則選擇高靈敏度的傳感器。速度傳感器的優(yōu)點是可以直接輸出電壓信號，毋須后接轉(zhuǎn)換設(shè)備，可提高測試系統(tǒng)的可靠度。用于反射波法測樁的速度傳感器的技術(shù)指標 表3型號電壓靈敏度(mV/(cm/s))固有頻率（Hz）頻率范圍（Hz）阻尼比ξ生產(chǎn)廠家MLV－92002001010～1000——清華大學EG－10A3201010～1200～威海雙峰CD30088～1000——揚州科發(fā)表４為加速度傳感器和速度傳感器的比較。相對而言，速度傳感器的適用范圍較窄，具體如下：加速度傳感器及速度傳感器的比較　　表４項目加速度傳感器速度傳感器固有頻率fn高頻端，＞15kHz低頻端，～100Hz；機械阻抗法宜選擇較低的fn反射波法可選較高的fn頻帶寬度幾赫茲～1/3fnfn～1500Hz安裝諧振頻率＞10kHz＞靈敏度電壓靈敏度：＞100mV/g；點和靈敏度：＞100PC/g。樁長增加，宜選擇較大的靈敏度＞300mV/(cm/s)。樁長增加，宜選擇較大的靈敏度。阻尼比ξ－～輸出信號高阻抗電荷輸出，需轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)可靠性差，干擾因素多電壓信號，毋須轉(zhuǎn)接，可長距離傳播適用用條件范圍較大不宜用于淺部缺陷或長樁① 若現(xiàn)場處理或后續(xù)分析得當，對于中深部缺陷（2～40m），速度傳感器可以得到與加速度傳感器相似的信號。② 即使是高阻尼傳感器，由于其高頻不足或安裝不良出現(xiàn)諧振頻率，對淺部缺陷﹙＜2m﹚容易漏判或誤判。③ 由于低頻不足，使用速度傳感器檢測樁長大于40m的樁時，時域波形曲線的樁低反射特征往往模糊不清，頻域曲線難見整樁的一階諧振。高阻尼速度傳感器采用犧牲靈敏度，增大阻尼辦法拓寬其頻響范圍，比低阻尼速度傳感器更適宜于測樁。用于測量地震波的檢波器其主要功能是記錄首波到達時間，對頻響無過高要求。檢波器一般有三個固有頻率，如38Hz的檢波器，f1=38Hz，f2=220Hz，f3=380Hz，用于測樁時容易產(chǎn)生指數(shù)衰減振蕩信號。壓電式傳感器具有很高的輸出阻抗，輸出的電荷量很微弱，因此，為便于觀察、記錄或送到分析儀進行分析，必須先將信號放大。完成這種功能有兩種前置放大器可供選擇，即電壓放大器和電荷放大器。這兩種放大器有以下特點：①具有極高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，以便與加速度傳感器及記錄、測量儀器相匹配；②能將加速度傳感器的微小電信號加以放大并變成容易測量的電壓信號；③在與不同靈敏度的加速度傳感器相配合時，均能輸出電壓達到歸一。電壓放大器在線路上比電荷放大器簡單，信噪比亦比電荷放大器高，但不像電荷放大器那樣可在低頻段使用，總增益受傳感器電纜長度的影響較電荷放大器大。目前普遍使用電荷放大器。放大系統(tǒng)的增益應(yīng)大于60dB，長期變化量應(yīng)小于1%。折合輸入端的噪聲水平應(yīng)低于3μV頻帶寬度應(yīng)不窄于10～1000Hz，濾波頻率可調(diào)整。在信號采集分析儀中采樣是通過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的，稱為A/D轉(zhuǎn)換?！痘鶚兜蛻?yīng)變動力檢測規(guī)程》（JGJ/T9395）規(guī)定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不應(yīng)小于８位?，F(xiàn)在幾乎所有用于樁基低應(yīng)變檢測的信號采集分析儀的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)都達到12位、16位。系統(tǒng)對信號的分辨由A/D的位數(shù)確定。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)為ｎ，則模擬信號的輸入量Va可表示成：Va≈Vr(a121+a222+?+an2n （413）最高位為符號位，則最小分辨率為２－(n1)。例如輸出電壓范圍為5～+5V，則８位A/D所能表示的最小電壓為177。５V２－７＝177。39mV，同樣可計算出116 位A/。要求信號采集分析儀體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定，便于野外使用，同時應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、記錄存儲、數(shù)字計算和信號分析功能。至少應(yīng)有兩個以上的通道，每個通道數(shù)據(jù)暫存器的容量應(yīng)不小于１kB，多道采集系統(tǒng)應(yīng)具有一致性，振幅偏差應(yīng)不小于３%。采樣時間宜為５0～１000μs，且可調(diào)。第五章　測試方法及數(shù)據(jù)處理 測試方法（1）采樣頻率、FFT計算點數(shù)、頻率分辨率動測法測樁時，實測的是模擬信號，例如F（t）、ν（t）、a（t）。計算機不能對模擬信號進行處理，因此必須對模擬信號進行采樣，即把連續(xù)的模擬量變?yōu)閿嗬m(xù)的數(shù)字量。采樣就是按一定的時間間隔對模擬信號進行取值，這一時間間隔稱為采樣間隔，用Δt表示，Δt的倒數(shù)稱為采樣頻率fs： fs=1Δt (51)設(shè)一個模擬信號為x（t），信號的最高頻率為fs。當采樣頻率fm滿足關(guān)系： fs≥2fm (52)則采樣值具有原信號x（t）的全部信息，信號的頻譜x（f）不會發(fā)生混淆，這就是采樣定理。亦即為使信號頻譜結(jié)構(gòu)從理論上能準確地恢復(fù)成原信號，采樣頻率所要滿足的條件。采樣時間T，又稱采樣長度，是一次采樣N點所需要的時間： T=N?t (53)FFT計算點數(shù)N可設(shè)置為511022048等，可與采樣點數(shù)相等，也可以小于采樣點數(shù)，一般設(shè)置為1024點。頻率分辨率Δf，是在領(lǐng)域里相鄰兩個數(shù)據(jù)的頻率間隔， Δf=1T=1NΔt=fsN (54)由式（54）可見，采樣頻率fs（或采樣時間間隔Δt）、頻率分辨率Δf、計算點數(shù)N三個參數(shù)是相互制約的。采樣頻率越高，即采樣間隔時間越小，則時域信號精度越高，但頻率分辨率越低；反之，當采樣頻率越低，即采樣時間間隔越大，則時域信號精度越低，但頻率分辨率越高。一般來說，Δt越小，對短樁或長樁中的親啊不缺陷反射明顯；而Δt越大，對長樁的樁低反射及深部缺陷反射越明顯。假設(shè)一根長L的樁，混凝土波速為c，計算點數(shù)為N。采樣時間T必須大于2L/c，亦即Δt＞2L/(Nc)才能保證時域信號中在第N點能看到柱底反射信號?？紤]到一些影響因素，這樣采樣頻率可選擇Nc/3L。以L=60m、c=3600m/s、N=1024計算，fs≈20kHz。利用反射波法測樁，為了提高時域信號的精度，要采用較高的采樣頻率；而將信號做頻譜分析或機械阻抗法分析時，為了提高頻率分辨率，根據(jù)樁實際情況，應(yīng)采用較低的采樣頻率。（2）頻帶寬度的選擇現(xiàn)場測試，由于振源、樁——土系統(tǒng)的阻尼和衰減作用以及傳感器等多方面的原因，很難覆蓋全頻域的信號出現(xiàn)。式（55）即為完成正常測試所需要的頻率范圍，其中式（55a）為確保在時域分析中能完全記錄缺陷（或樁低）一階諧振峰，；式（55b）為確保在頻域中能完全記錄缺陷（或樁低）兩節(jié)諧振峰，以讀取頻差。下限頻率是在低于整樁一階諧振頻率的基礎(chǔ)上選取的，一般取10～30Hz，時域取20Hz，頻域因不涉及波形形態(tài)，可適當放寬，選30Hz。時域分析：f∈（20,） (55a)頻域分析：f∈（30,） (55b)取c=4000m/s，根據(jù)不同檢測部位的需要，完成測試所需的頻帶寬度由式（55）計算，列于表5。不同缺陷深度（樁長）要求的頻帶寬度 表5缺陷深度（樁長）頻帶寬度時域頻域深部缺陷（L’ ≥25m）20～12030～200中深部缺陷（10m≤L,≤25m）20～30030～500中淺部缺陷（2m≤L,≤10m）20～150030～2500超淺部缺陷（L’≤2m）20～300030～5000建議低應(yīng)變動力檢測采用的測量響應(yīng)傳感器為壓電式加速度傳感器。根據(jù)壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)特點和動態(tài)性能，當傳感器的可用上限頻率在其安裝諧振頻率的1/5以下時，可保證較高的沖擊測量精度，且在此范圍內(nèi)，相位誤差完全可以忽略。所以應(yīng)盡量選用自振頻率較高的加速度傳感器。對于樁頂瞬態(tài)響應(yīng)測量，習慣上是將加速度計的實測信號積分成速度曲線，并據(jù)此進行判讀。實踐表明：除采用小錘硬碰硬敲擊外，速度信號中的有效高頻成分一般在2000Hz以內(nèi)。但這并不等于說，加速度計的頻響線性段達到2000Hz就足夠了。這是因為，加速度原始信號比積分后的速度波形中要包含更多和更尖的毛刺，高頻尖峰毛刺的寬度和多寡決定了它們在頻譜上占據(jù)的頻帶寬窄和能量大小。事實上，對加速度信號的積分相當于低通濾波，這種濾波作用對尖峰毛刺特別明顯。當加速度計的頻響線性段較窄時，就會造成信號失真。所以，在177。10%幅頻誤差內(nèi)，加速度計幅頻線性段的高限不宜小于5000Hz，同時也應(yīng)避免在樁頂敲擊處表面凹凸不平時用硬質(zhì)材料錘（或不加錘墊）直接敲擊。瞬態(tài)激振操作應(yīng)通過現(xiàn)場試驗選擇不同材質(zhì)的錘頭或錘墊，以獲得低頻寬脈沖或高頻窄脈沖。除大直徑樁外，沖擊脈沖中的有效高頻分量可選擇不超過2000Hz（鐘形力脈沖寬度為1ms，對應(yīng)的高頻截止分量約為2000Hz）。樁直徑小時脈沖可稍寬一些。選擇激振設(shè)備沒有過多的限制，如力錘、力棒等。錘頭的軟硬或錘墊的厚薄和錘的質(zhì)量都能起到控制脈沖寬窄的作用，通常前者起主要作用；而后者（包括手錘輕敲或家里錘擊）主要是控制力脈沖幅值。因為不同的測量系統(tǒng)靈敏度和增益不同，靈敏度和增益都較低時，加速度和速度響應(yīng)弱，相對而言降低了測量系統(tǒng)的信噪比或動態(tài)范圍；兩者均較高時又容易產(chǎn)生過載或削波。通常手錘即使在一定錘重和加力條件下，由于樁頂敲擊點凹凸不平、軟硬不一，沖擊加速度幅值變化范圍很大（脈沖寬窄也發(fā)生較明顯變化），有些儀器沒有加速度超載報警功能，而削波的加速度波形積分成速度波形后可能不容易被察覺。所以，錘頭及錘體質(zhì)量選擇并不需要拘泥某一種固定形式，可選用工程塑料、尼龍、鋁、銅、鐵、硬橡膠等材料制成的錘頭，或用橡皮墊作為緩沖墊層，錘的質(zhì)量也可幾百克至幾十千克不等，主要目的是以下兩點：圖51 不同激勵脈沖寬度（a）脈沖過寬；（b）脈沖寬度合適① 控制激勵脈沖的寬窄以獲得清晰的樁身阻抗變化的反射或樁低反射（見圖51），同時又不產(chǎn)生明顯波形失真或高頻干擾；② 獲得較大的信號動態(tài)范圍而不超載。穩(wěn)態(tài)激振設(shè)備可包括掃頻信號發(fā)生器、功率放大器及電磁式激振器。由于掃頻信號發(fā)生器輸出等幅值、頻率可調(diào)的正弦信號，通過功率放大器放大至電磁激振器，輸出同頻率正弦激振力作用于樁頂。樁頂條件和樁頭處理好壞直接影響測試信號的質(zhì)量。對低應(yīng)變動測而言，判斷樁身阻抗對變化的急準時樁頭部位的阻抗。因此，要求受檢樁樁頂?shù)幕炷临|(zhì)量、截面尺寸應(yīng)與樁身設(shè)計條件基本等同。，露出密實的混凝土。該項工作非常重要，由于浮漿層不密實，與下部正?；炷琳辰Y(jié)不良，會形成一個不連續(xù)的界面。敲擊樁頭產(chǎn)生的應(yīng)力波在這一界面上多次反射，影響應(yīng)力波向下傳播，這種雜波幅值大，與正常信號疊加后，會掩蓋樁下部的信息。，平面應(yīng)平整并基本與樁身軸線垂直。，目的是減少外露主筋對測試信號產(chǎn)生干擾。若外露主筋過長，影響正常測試時，應(yīng)將其割短。，當法蘭盤與樁身混凝土之間結(jié)合緊密時，可不進行處理，否則，應(yīng)采用電鋸將樁頭鋸平。，相當于樁頭處存在很大的截面阻抗變化，對測試信號會產(chǎn)生影響。因此，測試時樁頭應(yīng)與混凝土承臺斷開；當樁頭側(cè)面與墊層相連時，除非對測試信號沒有影響，否則應(yīng)斷開。，粘結(jié)層應(yīng)盡可能?。槐匾獣r可采用沖擊鉆打孔安裝方式，但傳感器底安裝面應(yīng)與樁頂面緊密接觸。激振以及傳感器安裝均應(yīng)沿樁的軸線方向。，其目的是減少外露主筋振動對測試產(chǎn)生干擾信號。若外露主筋過長而影響正常測試時，應(yīng)將其割短。，但相對樁頂橫截面尺寸而言，激振點處為集中力作用，在樁頂部位難免出現(xiàn)與樁的徑向振型相對應(yīng)的高頻干擾。當錘擊脈沖變窄或樁徑增加時，這種由三維尺寸效應(yīng)引起的干擾加劇。傳感器安