CN101413823B - 便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置。两个结构相同的激发传感器和接收传感器分别插入土体中，线性放大器和分压电路的一端接激发传感器的接线端，线性放大器和分压电路的另一端分别接便携式计算机中声卡的第一端和第三端，电荷放大器的一端接接收传感器的接线端，电荷放大器的另一端接微机中声卡的第三端。本发明所设计的测试传感器能确保压电陶瓷弯曲元具有良好的工作状态，可以适应不同刚度或类型土体的测试需要，同时还具有原理明确、结构简单、制作使用方便的特点；通过采用便携式计算机以及专门针对弯曲元测试设计的小型线性放大器与电荷放大器组建测试系统，保证了系统具有较高的便携性。

Description

便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置
技术领域
本发明涉及剪切波速测试装置，尤其是涉及一种便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置。
背景技术
压电陶瓷弯曲元测试土样波速具有原理简明，操作便捷的优点，而被广泛安置在各种室内土工试验设备中进行土样小应变剪切模量的测量研究。浙江大学曾于2002年开发了在三轴室内安装压电陶瓷弯曲元的土样波速测试装置并申请了专利(专利号：02261611.X)，之后又成功开发了在固结仪上安装压电陶瓷元的土样波速测试装置(专利号：200520013094.2)，但目前国内外尚无直接利用压电陶瓷弯曲元在现场进行土体波速测试的测试方法和相应装置。现场土体波速测试可以避免取样扰动对波速测试结果的影响，具有室内测试不可替代的优越性。以往现场土体波速测试主要采用单孔法、跨孔法或面波分析法等方法，这些方法普遍存在操作程序复杂，费用较高的缺点，应用受到较大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，利用压电陶瓷弯曲元在现场进行土体剪切波速的测试。
本发明采用的技术方案如下：
包括激发传感器、接收传感器、线性放大器、分压电路、电荷放大器和便携式计算机；两个结构相同的激发传感器和接收传感器分别插入土体中，线性放大器和分压电路的一端接激发传感器的接线端，线性放大器和分压电路的另一端分别接便携式计算机中声卡的第一端和第三端，电荷放大器的一端接接收传感器的接线端，电荷放大器的另一端接微机中声卡的第三端。
所述的两个结构相同的激发传感器和接收传感器，包括两个基座、两块夹板和压电陶瓷弯曲元；压电陶瓷弯曲元两侧分别夹在夹板中间夹紧槽中，而两块夹板又分别夹在基座中间凹槽中。
所述的线性放大器由集成功率放大电路LM1875及其周围电路组成，LM1875的信号输入端经过耦合电容与声卡的信号输出端连接，LM1875的信号输出端与激发传感器的接线端连接。
所述的分压电路由第一电阻和第二电阻组成，第一电阻的一端接线性放大器的输出端，另一端通过第二电阻接地，并与声卡的输入接口连接。
所述的电荷放大器由J-FET输入集成运算放大电路TL082及其外围电路组成，TL082的正相输入端接地，反相输入端与接收传感器的接线端连接，TL082的输出端与声卡的输入接口连接。
所述的压电陶瓷弯曲元表面采用环氧树脂密封，无接线的一端呈悬臂状插入土体中。
本发明具有的有益效果是：
本发明大大降低了现场土体波速测试的费用和测试时间，具有较高的经济效益。它解决了压电陶瓷弯曲元在土体中的安置、系统的电连接以及高阻抗压电陶瓷弯曲元的防水防潮问题；采用独特的传感器结构设计，能通过调节悬臂长度改变压电陶瓷弯曲元晶片的刚度，通过安装使用较大尺寸的压电陶瓷弯曲元晶片获得较高的激发能量，因而能适应不同刚度或类型土体的测试需要，具有广泛的适用性；采用由便携式计算机以及专门针对压电陶瓷弯曲元测试设计的小型线性放大器和电荷放大器组建测试系统，保证了系统具有较高的便携性，并大大降低了系统的成本，提高了经济效益；同时还兼有原理明确、结构简单、制作使用方便的特点。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是激发传感器和接收传感器的剖视图。
图3是激发传感器和接收传感器的拆解图。
图4是线性放大器与电荷放大器电路原理图。
图5是测试系统运行界面图。
图中：1，激发传感器；2，接收传感器；3、3’，分别为激发、接收屏蔽信号线；4，土体；5，线性放大器；6，分压电路；7，电荷放大器；8，便携式计算机；9，基座；10，夹板；11，压电陶瓷弯曲元；12，基座连接螺钉；13，紧固螺钉。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括激发传感器1、接收传感器2、线性放大器5、分压电路6、电荷放大器7和便携式计算机8；两个结构相同的激发传感器1和接收传感器2分别插入土体4中，线性放大器5和分压电路6的一端经激发屏蔽信号线3接激发传感器2的接线端，线性放大器5和分压电路6的另一端分别接便携式计算机8中声卡的第一端和第三端，电荷放大器7的一端经接收屏蔽信号线3’接接收传感器3的接线端，电荷放大器7的另一端接微机8中声卡的第三端。激发屏蔽信号线3和接收屏蔽信号线3’均采用单芯同轴电缆。
如图2、图3所示，所述的两个结构相同的激发传感器1和接收传感器2，包括两个基座9、两块夹板10和压电陶瓷弯曲元11；压电陶瓷弯曲元11两侧分别夹在夹板10中间夹紧槽中，用紧固螺钉13夹紧，而两块夹板10又分别夹在基座9中间凹槽中，用基座连接螺钉12夹紧。所述的基座9和夹板10均采用有机玻璃材料制作，基座9底面中间部位凹槽的大小与由夹板10组成的夹紧装置大小相等。
所述的压电陶瓷弯曲元11为高阻抗压电元件，表面采用环氧树脂密封，无接线的一端呈悬臂状插入土体4中。为了保证压电陶瓷弯曲元密封层的防水防潮性、韧性和抗老化性能，本测试系统在制作安装时需注意以下问题：在高阻抗压电陶瓷弯曲元和其接线端的表面用含适量固化剂的环氧树脂密封，密封层要均匀，不宜太厚，不得有气泡存在。
如图4所示，所述的线性放大器由集成功率放大电路LM1875及其周围电路组成，LM1875的信号输入端经过耦合电容与声卡的信号输出端连接，LM1875的信号输出端与激发传感器1的接线端连接。
如图4所示，所述的分压电路由第一电阻和第二电阻组成，第一电阻的一端接线性放大器的输出端，另一端通过第二电阻接地，并与声卡的输入接口连接。
如图4所示，所述的电荷放大器由J-FET输入集成运算放大电路TL082及其外围电路组成，TL082的正相输入端接地，反相输入端与接收传感器2的接线端连接，TL082的输出端与声卡的输入接口连接。
本发明的工作原理是：测试软件控制声卡输出的函数信号经过线性放大器5放大后，传送至激发传感器1和声卡线路输入接口的第一个输入通道，激发传感器1产生一微弱纵向或横向振动，在土体4中激发一个以纵波或横波为主的波动，通过土体4传播至接收传感器2并被接收，接收信号经电荷放大器7转换为电压信号后传送至声卡线路输入接六口的第二个通道，测试软件在控制声卡输出信号的同时即开始进行双通道高速数据采集，并将激发脉冲信号与接收信号的图形和互相关函数图形在计算机屏幕上显示出来(如图5所示)，通过比较来自线性放大器5的激发脉冲信号和来自电荷放大器7的接收信号的到达时间差异，得到剪切波在土体4中的传播时间，根据激发传感器1和接收传感器2之间的距离和剪切波的传播时间就可以计算得到剪切波在土体4中的传播速度。

Claims (5)

1.一种便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，包括激发传感器(1)、接收传感器(2)、线性放大器(5)、分压电路(6)、电荷放大器(7)和便携式计算机(8)；结构相同的激发传感器(1)和接收传感器(2)分别插入土体(4)中，线性放大器(5)和分压电路(6)的一端接激发传感器(1)的接线端，线性放大器(5)的另一端接便携式计算机(8)中声卡的信号输出端，分压电路(6)的另一端接便携式计算机(8)中声卡的输入接口，电荷放大器(7)的一端接接收传感器(2)的接线端，电荷放大器(7)的另一端接便携式计算机(8)中声卡的输入接口；其特征在于：
所述的结构相同的激发传感器(1)和接收传感器(2)，每个传感器均包括两个基座(9)、两块夹板(10)和压电陶瓷弯曲元(11)；压电陶瓷弯曲元(11)两侧分别夹在夹板(10)中间夹紧槽中，而两块夹板(10)又分别夹在基座(9)中间凹槽中。
2.根据权利要求1所述的便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，其特征在于：所述的线性放大器(5)由集成功率放大电路LM1875及其周围电路组成，LM1875的信号输入端经过耦合电容与声卡的信号输出端连接，LM1875的信号输出端与激发传感器(1)的接线端连接。
3.根据权利要求1所述的便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，其特征在于：所述的分压电路(6)由第一电阻和第二电阻组成，第一电阻的一端接线性放大器的输出端，另一端通过第二电阻接地，并与声卡的输入接口连接。
4.根据权利要求1所述的便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，其特征在于：所述的电荷放大器(7)由J-FET输入集成运算放大电路TL082及其外围电路组成，TL082的正相输入端接地，反相输入端与接收传感器(2)的接线端连接，TL082的输出端与声卡的输入接口连接。
5.根据权利要求1所述的便携式压电陶瓷弯曲元土体剪切波速测试装置，其特征在于：所述的压电陶瓷弯曲元(11)表面采用环氧树脂密封，无接线的一端呈悬臂状插入土体(4)中。
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