CN105651605B - 离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法。包括管状基座和加工处理过的压电陶瓷片，信号屏蔽线的正负导线分别连接在压电陶瓷片的两侧表面，压电陶瓷片的两侧表面再覆有内层环氧树脂层、导电铜胶带和外层环氧树脂层，信号屏蔽线的接地线连接到导电铜胶带，压电陶瓷片固定在管状基座一端面上；测量装置包括一对微型压电伸缩元件以及信号发生器、功率放大器、离心机主轴滑环、电荷放大器、示波器和微型压电伸缩元件。本发明具有较好的电磁屏蔽效果，能消除离心机中的电磁干扰；激励的压缩波具有较强的集束方向性，能在干扰较强环境中获得可靠信号；伸缩元件具有更高压缩波激励效率，能在高衰减的近饱和土体中使用。
Description
技术领域
本发明属于土体压缩波测试装置，尤其涉及一种离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法。
背景技术
压缩波属于材料体波的一种，由弹性理论可知，材料的弹性模量与其压缩波速存在如下关系E＝ρVp 2。所以通过弹性波速测试可以在不扰动土体结构性的前提下，获得土体的刚度参数。对于现场原位压缩波速测试，已有的方法包括下孔法、跨孔法等，其在岩土工程中应用相对成熟，结果可靠性较高。而室内试验土样尺寸小、波传播时间短、信号衰减快，信号判别难度显著增加，其测试装置需要具有更高的灵敏度和测试精度。基于室内压缩波速测试的特点，浙江大学相继发明了在三轴仪和固结仪上使用的弯曲元，可以实现单元体土样中压缩波速的测试。但是受元件结构限制，压缩波的激发能量相比剪切波要小一个数量级，容易受到场地中各类振动和电信号的干扰，难以应用于离心机试验。
离心机试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，令模型受到高于重力加速度的离心加速度作用，以补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重损失，使模型土体能够恢复原型土体的应力状态。由于缩尺效应，离心机试验中任何误差都会按相似律放大，因而要求测试元件尺寸尽可能小。另一方面，离心机在运行过程中受风阻作用会产生明显的振动干扰，为了在高噪音环境中辨识信号，传感器在微型化的同时还应具有较高的激发能量和接收灵敏度。总之，在离心机试验中，模型土样压缩波速的测量一直未能得到有效实现，其应用仍存在不少技术难题。
发明内容
传统的弯曲元元件主要为激发剪切波设计，采用长条形的压电陶瓷，受其结构形式限制无法激励出较大能量的压缩波，难以用于模型土体测试。为解决这一不足，本发明的目的在于提出了一种离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法，可以有效激发和准确接收土体压缩波，实现离心机试验中模型土体压缩波速的测量。
本发明采用圆形的压电陶瓷片，其最大自由挠度可达119μm，相同电压激励下陶瓷片纵向振幅更大；使用时对心埋设，压电陶瓷的面积利用率更高。与管状基座采用周边铰接的连接方式，使得压电陶瓷工作机理类似鼓面振动，进一步提高压缩波激发效率。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种用于离心机试验的微型压电伸缩元件：
包括管状基座和加工处理过的压电陶瓷片，管状基座的管状结构的侧面开有一道沿轴向的条形槽，管状基座内部设有X型支撑，加工处理过的压电陶瓷片固定在管状基座一端面上。
所述的加工处理过的压电陶瓷片包括连接或者包裹在压电陶瓷片上的信号屏蔽线、环氧树脂层和导电铜胶带，信号屏蔽线的正负导线分别连接在压电陶瓷片的两侧表面，压电陶瓷片的两侧表面再覆有用以绝缘的内层环氧树脂层、用于电磁屏蔽的导电铜胶带和用于防水的外层环氧树脂层，信号屏蔽线的接地线连接到导电铜胶带。
所述的加工处理过的压电陶瓷片用硅胶胶结在管状基座端面上，信号屏蔽线从管状基座的条形槽中引出。
所述的信号屏蔽线包含有分别作为正极、负极的屏蔽线正导线、屏蔽线负导线和作为接地线的屏蔽线铁丝，屏蔽线正导线和屏蔽线负导线直接焊接到压电陶瓷片两侧表面，屏蔽线铁丝通过锡焊固定连接到导电铜胶带并接地。
所述的导电铜胶带完全包裹在内层环氧树脂层。
所述的压电陶瓷片为圆形。
所述的管状基座材质为有机玻璃。
区别于传统弯曲元，本发明采用圆形压电陶瓷片。压电陶瓷外包裹导电铜胶带作为电磁屏蔽层，涂抹环氧树脂作为绝缘防水层。基座选用管状结构，上部开口引线，内部设有交叉支撑，保证基座具有足够刚度。
二、一种用于离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量装置：
包括一对所述的微型压电伸缩元件以及信号发生器、功率放大器、离心机主轴滑环、电荷放大器、示波器、土体和微型压电伸缩元件，模型箱内装有土体，一对微型压电伸缩元件同轴对心地埋入土体中，一对微型压电伸缩元件包括分别作为激励端和接收端的两个微型压电伸缩元件；作为激励端的微型压电伸缩元件连接到离心机主轴滑环第一通道，信号发生器经功率放大器后分别连接到离心机主轴滑环第一通道和示波器，作为接收端的微型压电伸缩元件经电荷放大器连接到离心机主轴滑环第二通道，离心机主轴滑环第二通道与示波器连接。
所述的微型压电伸缩元件激励端和接收端构造相同，包括圆管式基座、电磁屏蔽层、压电陶瓷圆片。压电陶瓷圆片由电磁屏蔽层包覆，再由硅胶将压电陶瓷圆片的周边固定在基座上。电磁屏蔽层由导电铜胶带制作，并涂上环氧树脂进行绝缘和保护。
所述的一对微型压电伸缩元件的压电陶瓷片所在端面相正对靠近埋设。
作为激励端的微型压电伸缩元件连接到离心机主轴滑环第一通道的输出端，功率放大器连接到离心机主轴滑环第一通道的输入端，电荷放大器连接到离心机主轴滑环第二通道的输入端，离心机主轴滑环第二通道的输出端与示波器连接。
三、一种用于离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量方法，包括如下步骤：
步骤1：将两个微型压电伸缩元件分别作为激励端和接收端，并同轴对心地埋入土体中，获得微型压电伸缩元件的埋设距离和埋设深度，并预留其信号屏蔽线接头；
步骤2：将作为激励端的微型压电伸缩元件中信号屏蔽线接头连接到离心机主轴滑环的一个通道上，将作为接收端的微型压电伸缩元件中信号屏蔽线接头经电荷放大器上连接到离心机主轴滑环的另一个通道；
步骤3：由信号发生器激发出电压信号，经功率放大器放大，分出两路，一路传输到示波器上，显示为激发信号，另一路连接到离心机主轴滑环中连接作为激励端的微型压电伸缩元件所在的通道，通过滑环实现离心机运行过程中对微型压电伸缩元件的激励；
步骤4：作为接收端的微型压电伸缩元件中产生的电压通过固定在离心机主轴上的电荷放大器放大后，经离心机主轴滑环到达示波器；
步骤5：比较激励信号和接收信号，获得压缩波在土体中的传播时间，后根据微型压电伸缩元件的埋设距离，计算获得压缩波在该超重力模型中的传播速度。
所述的步骤5具体采用以下公式计算获得压缩波的传播速度：
VP——压缩波的传播速度；
L——微型压电伸缩元件的埋设距离；
t——压缩波在土体中的传播时间。
本发明应用基于压电原理：在电压的作用下，压电材料会产生相应的体积变形，实现电信号同材料应变间的转换；相反，压电材料在外力作用下发生体变的同时，两端会产生电势差。利用压电材料的这一特性，我们可以将输出的电信号在一端转化为机械振动，使之产生的波动在土体中传播。并通过另一端的压电材料将其捕捉，并再次将应变转换成电压，加以分析。
埋在土里的激发端和接收端会存在电磁耦合现象，当激发端输入电信号时，在接收一端会即时出现电信号干扰，尤其在湿粘土及海相沉积物这些导电的土体中。同时试验场地中往往存在工频干扰，特别是离心机运行时，离心机周围产生复杂的电磁场。如前所述，土样压缩波的传播时间很短，细微判别误差都会明显影响结果。为了消除各种电磁干扰，本发明利用导电铜胶带制作了电磁屏蔽层，使用时令其接地，可获得可靠信号。
本发明用于离心机压缩波速测试的便携式装置，激励端在土中激励不同形式的压缩波；接收一端连接电荷放大器和示波器，分析土中的波动信号。
本发明的有益效果是：
本发明能有效地对室内试验土样进行压缩波速测量，进而在无损的条件下获得土样的性质。
本发明填补了离心机试验中土样压缩波速测量的空白，可以作为监测土样刚度变化的手段。基座内的交叉支撑保证微型压电伸缩元件在高g值下保持有足够的刚度，不影响压电陶瓷片变形。
本发明相比弯曲元具有更大的激发位移和接收有效面积，可在饱和度较高的高衰减环境下测量，采用类似于鼓的构造能保持波阵方向性集中、避免过大的几何耗散，因此能够在复杂的离心机环境中获得清晰的信号。
本发明电路连接均采用屏蔽线，对传感器中压电陶瓷也制作了屏蔽层，有效地消除了电磁干扰对信号判读的影响。
传感器外的环氧树脂层可以让其在水下正常工作，适应不同的土样条件。通过试验前的标定，压缩波速可以较为准确地反映土体饱和度的变化。对降雨过程中，土体饱和度变化的监测等具有非常实际的作用。
同时本发明还具有装置简单，连接方便的特点。
附图说明
图1是本发明伸缩元件压电陶瓷片的结构示意图；
图2是本发明屏蔽线正负导线与压电陶瓷片连接示意图；
图3是本发明压电陶瓷片分层加工示意图；
图4是本发明电磁屏蔽层功能示意图；
图5是本发明管状基座示意图；
图6是本发明工作原理示意图；
图7是本发明在离心机中使用时电路连接示意图；
图8是实施例测试压缩波获得的典型信号；
图9是实施例模拟降雨过程中不同时间对应的压缩波信号。
图中：1，信号屏蔽线；2，屏蔽线正导线；3，屏蔽线负导线；4，屏蔽线铁丝；5，压电陶瓷片；6，环氧树脂层；7，导电铜胶带；8，锡焊点；9，管状基座；10，X型支撑；11，信号发生器；12，功率放大器；13，离心机主轴滑环；14，电荷放大器；15，示波器；16，土体；17，微型压电伸缩元件；18，模型箱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明包括管状基座9和加工处理过的压电陶瓷片5，如图5所示，管状基座9的管状结构的侧面开有一道沿轴向的条形槽，管状基座9内部设有X型支撑10，如图3所示，加工处理过的压电陶瓷片5固定在管状基座9一端面上。
如图1所示，加工处理过的压电陶瓷片5包括连接或者包裹在压电陶瓷片5上的信号屏蔽线1、环氧树脂层6和导电铜胶带7。如图2所示，信号屏蔽线1包含有分别作为正极、负极的屏蔽线正导线2、屏蔽线负导线3和作为接地线的屏蔽线铁丝4，屏蔽线正导线2和屏蔽线负导线3直接焊接到压电陶瓷片5两侧表面。压电陶瓷片5的两侧表面再覆有用以绝缘的内层环氧树脂层6、用于电磁屏蔽的导电铜胶带7和用于防水的外层环氧树脂层6，导电铜胶带7完全包裹内层环氧树脂层6，信号屏蔽线1的屏蔽线铁丝4通过锡焊固定连接到导电铜胶带7并接地，环氧树脂层6、导电铜胶带7及锡焊点8分布如图3所示。导电铜胶带7的电磁屏蔽层的作用如图4所示，可见电磁干扰在接收信号中幅值较大，往往会遮蔽有用的波动信号，而依照上述步骤制作的屏蔽层能有效解决该问题。
基座结构示意图见图5，管状基座上部开口，用于引出信号屏蔽线1；内部设有交叉支撑，保证基座具有足够刚度。加工处理过的压电陶瓷片5用硅胶胶结在管状基座9端面上，信号屏蔽线1从管状基座9的条形槽中引出。
工作时，压电陶瓷片5在电压激励下交替鼓进、鼓出，微型压电伸缩元件的工作机理如图6所示。
如图7所示，本发明测量装置包括一对微型压电伸缩元件以及信号发生器11、功率放大器12、离心机主轴滑环13、电荷放大器14、示波器15、土体16和微型压电伸缩元件17，模型箱18内装有土体16，一对微型压电伸缩元件17同轴对心地埋入土体16中，压电陶瓷片5所在端面相正对靠近埋设。一对微型压电伸缩元件17包括分别作为激励和接收的两个微型压电伸缩元件17；作为激励的微型压电伸缩元件17连接到离心机主轴滑环13第一通道的的输出端，信号发生器11经功率放大器12后分别连接到离心机主轴滑环13第一通道的输入端和示波器15，作为接收的微型压电伸缩元件17经电荷放大器14连接到离心机主轴滑环13第二通道的输入端，离心机主轴滑环13第二通道的输出端与示波器15连接。压缩波测试时，微型压电伸缩元件的激励信号与接收信号都通过离心机的滑环通道传递。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
制作一对微型压电伸缩元件，如图2所示，采用圆型压电陶瓷5，直径为3.175cm，总厚度0.041cm，最大自由挠度为119μm。
根据压电陶瓷5本身的电极叠放顺序，屏蔽线的正导线2和负导线3分别锡焊在压电陶瓷5两侧的镀镍层上，如图2所示。在压电陶瓷5外均匀地涂上一层环氧树脂6，用以绝缘。环氧树脂6涂抹得尽量薄，减小其对压电陶瓷5激振及信号接收的不利影响。将完成绝缘的压电陶瓷片5用导电铜胶带7完全包覆，并将屏蔽线1裸露的部分也裹上铜胶带7。导电铜胶带7和屏蔽线端的屏蔽铁丝4锡焊在一起，完成整体屏蔽。铜胶带7外部需再涂上一层环氧树脂6，起防水作用，保证微型压电伸缩元件能够在水下正常工作，加工完成后的压电陶瓷片如图3所示。
如图5所示，管状基座9是与圆片同直径的有机玻璃管。使用硅胶将屏蔽好的压电陶瓷5粘到管状基座9上。硅胶相对较软，两者的连接效果类似铰接，压电陶瓷5可以更好地激发压缩波。基座9上方开槽用于信号屏蔽线引线。基座9内部设有交叉支撑，弥补上部开口造成的刚度损失。粘结完成后，基座9的缺口再用环氧树脂6封上，以固定、保护屏蔽线1。
在离心机中，应用微型压电伸缩元件测量土体压缩波速包括如下步骤：
步骤1:根据不同离心机试验的要求，确定微型压电伸缩元件17的埋设距离和埋设深度。本实施例采用黄土，离心加速度40g，埋设距离取100mm，埋设深度取60mm。在制作模型试样时，对心埋设微型压电伸缩元件17，并将连接微型压电伸缩元件17的屏蔽线1固定在模型箱18上，预留出屏蔽线1接头。
步骤2:将制好的模型吊上离心机吊篮，并把激励端微型压电伸缩元件的接头接到离心机主轴的滑环13上，接收端微型压电伸缩元件的接头接到电荷放大器14上，再由电荷放大器14连上滑环13。
步骤3:按图7连接电路，由信号发生器11激发出电压信号传输到激励的微型压电伸缩元件上。其四周固定的压电陶瓷片5在电压下变形的机理如图6所示，其表现类似于鼓。压电陶瓷5中间部分会随着正负交替的电压变换而前后鼓动。
试验发现，方波虽然有利于信号判别，但是会损坏压电陶瓷5，所以试验采用正弦波。该电压经功率放大器12放大后，产生两路信号。一路到示波器15上，显示为激发信号，另一路接到离心机主轴的滑环13上。通过滑环，可以在离心机运行过程中实现对微型压电伸缩元件17的激励。
步骤4:压缩波在超重力模型中传播，并在另一端被接收端微型压电伸缩元件17捕捉，转化为电压信号。
步骤5:接收端产生的电压通过固定在离心机主轴上的电荷放大器14放大后，经滑环13到达示波器15。由于压缩波初达信号常常很小，为了不误判，需采用叠加的方式(多次瞬态结果取平均)消除场地随机干扰。
步骤6:信号初达及激励的时间差t0，再减去电路系统的固有延时Δt，就是压缩波在土体中的传播时间t。本实施例中，典型的测试信号如图8。图中，激励信号上箭头所指为激励时间点，接收信号上箭头所指为压缩波初达时间点，两者的时间差即t0，为0.332ms。电路系统固有延时Δt在试验前测得，等于0.026ms，所以传播时间t为0.306ms。
步骤7：结合微型压电伸缩元件17的埋设距离及示波器15上获得的传播时间，再根据式
VP——压缩波的传播速度；
L——微型压电伸缩元件的埋设距离；
t——压缩波在土体中的传播时间。
可求得压缩波在超重力模型中的波速大小。本实施例埋设距离为100mm，压缩波传播时间0.306ms，所以计算得压缩波速等于327m/s。
另外，本实施例还在超重力环境中模拟了降雨，过程中土样的饱和度和基质吸力不断变化。土样性质的改变反映到土体压缩波速上，被微型压电伸缩元件实时地记录了下来，测试结果如图9所示，各时段土样压缩波速的测试值见表1。
表1降雨过程中土样压缩波速变化情况
通过上述实施例可见，本发明填补了超重力环境下压缩波速测试的空白，制作的微型压电伸缩元件具有体积小、灵敏度高的特点，可应用于离心机超重力环境，实现土样压缩波速的实时监测，接收信号压缩波到达时间易于判别，能准确反映土体试样含水率的变化，技术效果显著突出，可见本发明的元件对于土工离心机试验具有实际的意义。
Claims (9)
1.一种离心机试验的微型压电伸缩元件，其特征在于：包括管状基座(9)和加工处理过的压电陶瓷片(5)，管状基座(9)的管状结构的侧面开有一道沿轴向的条形槽，管状基座(9)内部设有X型支撑(10)，加工处理过的压电陶瓷片(5)固定在管状基座(9)一端面上；
所述的压电陶瓷片为圆形，所述的管状基座材质为有机玻璃；
所述的加工处理过的压电陶瓷片(5)包括连接或者包裹在压电陶瓷片(5)上的信号屏蔽线(1)、环氧树脂层(6)和导电铜胶带(7)，信号屏蔽线(1)的正导线(2)和负导线(3)分别连接在压电陶瓷片(5)的两侧表面，压电陶瓷片(5)的两侧表面再覆有用以绝缘的内层环氧树脂层(6)、用于电磁屏蔽的导电铜胶带(7)和用于防水的外层环氧树脂层(6)，信号屏蔽线(1)的接地线连接到导电铜胶带(7)。
2.根据权利要求1所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件，其特征在于：所述的加工处理过的压电陶瓷片(5)用硅胶胶结在管状基座(9)端面上，信号屏蔽线(1)从管状基座(9)的条形槽中引出。
3.根据权利要求1所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件，其特征在于：所述的信号屏蔽线(1)包含有分别作为正极、负极的屏蔽线正导线(2)、屏蔽线负导线(3)和作为接地线的屏蔽线铁丝(4)，屏蔽线正导线(2)和屏蔽线负导线(3)直接焊接到压电陶瓷片(5)两侧表面，屏蔽线铁丝(4)通过锡焊固定连接到导电铜胶带(7)并接地。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量装置，其特征在于：包括一对权利要求1～3任一所述的微型压电伸缩元件以及信号发生器(11)、功率放大器(12)、离心机主轴滑环(13)、电荷放大器(14)、示波器(15)和微型压电伸缩元件(17)，模型箱(18)内装有土体(16)，一对微型压电伸缩元件(17)同轴对心地埋入土体(16)中，一对微型压电伸缩元件(17)包括分别作为激励端和接收端的两个微型压电伸缩元件(17)；作为激励端的微型压电伸缩元件(17)连接到离心机主轴滑环(13)第一通道，信号发生器(11)经功率放大器(12)后分别连接到离心机主轴滑环(13)第一通道和示波器(15)，作为接收端的微型压电伸缩元件(17)经电荷放大器(14)连接到离心机主轴滑环(13)第二通道，离心机主轴滑环(13)第二通道与示波器(15)连接。
5.根据权利要求4所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量装置，其特征在于：所述的一对微型压电伸缩元件(17)的压电陶瓷片(5)所在端面相正对靠近埋设。
6.根据权利要求4所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量装置，其特征在于：作为激励端的微型压电伸缩元件(17)连接到离心机主轴滑环(13)第一通道的输出端，功率放大器(12)连接到离心机主轴滑环(13)第一通道的输入端，电荷放大器(14)连接到离心机主轴滑环(13)第二通道的输入端，离心机主轴滑环(13)第二通道的输出端与示波器(15)连接。
7.应用于权利要求4～6任一所述压缩波测量装置的压缩波测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将两个微型压电伸缩元件(17)分别作为激励端和接收端，并同轴对心地埋入土体(16)中，获得微型压电伸缩元件(17)的埋设距离和埋设深度；
步骤2：将微型压电伸缩元件(17)中信号屏蔽线(1)接头连接到离心机主轴滑环(13)上；
步骤3：由信号发生器(11)激发出电压信号，经功率放大器(12)放大，分出两路，一路传输到示波器(15)上，显示为激发信号，另一路连接到离心机主轴滑环(13)中连接作为激励端的微型压电伸缩元件(17)所在的通道，通过滑环实现离心机运行过程中对微型压电伸缩元件(17)的激励；
步骤4：作为接收端的微型压电伸缩元件(17)中产生的电压通过固定在离心机主轴上的电荷放大器(14)放大后，经离心机主轴滑环(13)到达示波器(15)；
步骤5：比较激励信号和接收信号，获得压缩波在土体(16)中的传播时间，后根据微型压电伸缩元件的埋设距离，计算获得压缩波的传播速度。
8.根据权利要求7所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量方法，其特征在于：所述步骤2中具体是将作为激励端的微型压电伸缩元件(17)中信号屏蔽线(1)接头连接到离心机主轴滑环(13)的一个通道上，将作为接收端的微型压电伸缩元件(17)中信号屏蔽线(1)接头经电荷放大器(14)上连接到离心机主轴滑环(13)的另一个通道。
9.根据权利要求7所述的一种离心机试验的微型压电伸缩元件的压缩波测量方法，其特征在于：所述的步骤5具体采用以下公式计算获得压缩波的传播速度：
VP——压缩波的传播速度；
L——微型压电伸缩元件的埋设距离；
t——压缩波在土体中的传播时间。
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