CN107764896A - 压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法 - Google Patents

压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法。包括弯曲元阵列结构、PXI控制器、驱动模块、多路模拟开关和数采系统，在数采系统发出激励信号，由PXI控制器执行并经多路模拟开关切换信号通道，压电元件依次激发和多接收，收集激励和接收信号并通过光纤滑环将数据传输到数采系统，数采系统完成信号处理和波速判别。本发明实现了离心机模型中多对弯曲元剪切波速测试快速完成，可以监测超重力离心机模型试验中高瞬态灾变过程土体剪切波速的变化；实现了一次激发就同时获得模型不同深度土体的剪切波速信息，测试避免了电信号经过离心机滑环时对信号的干扰，提高了波速判别的准确性，装置高度集成化，体积小，成本低。

Description

压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域材料参数测试装置和技术，具体涉及了一种在离心机模型试验中利用多对激发压电元件依次激发、多对接收压电元件同时接收来测试模型土体体波波速的装置和方法。
背景技术
目前岩土工程领域在工程现场进行现场试验的弊端就是投入设备和人员的花销巨大，人们往往更倾向于在室内实验。但是实验室根据原型场地1:1构建试验模型也存在花费巨大和投入人员和设备繁多的问题，因此，进行室内土体单元体或者缩尺模型试验来研究土体的力学行为和现场场地的灾变过程是必要的。单元体试验就是将从现场取回的土样按照一定的制样方法做成一定直径和高度(例如直径5cm、高度10cm)的圆柱体或正方体，用这样一个小的单元体去模拟现场条件下场地某一点土体的力学行为；缩尺模型试验就是将工程现场的场地条件按照一定的比例缩小成为模型试验，例如现场50m高的土石坝，按照1:50的比例缩小后模型高度变为1m(缩尺比例N＝50)，模型试验的优点在于可以模拟对应原型整个场地的灾变响应。
岩土材料等多孔松散介质的破坏绝大多数是在剪切作用导致的，例如地震作用下土体遭受地震波的剪切作用发生破坏，边坡失稳时也是由于土体遭受的外部剪切力超出土体的抵抗剪切破坏的能力。故分析土体中应力状况及其变形分布，进而研究土体灾变过程时，最重要的土体参数之一就是土体的剪切模量，因为它定义和描述了在剪切力作用下材料的变形行为。
弯曲元剪切波速测试技术具有装置简单、操作方便、测试参数直接明了、物理概念明确等优点，已经成功运用于共振柱、三轴仪、固结仪等室内试验设备当中。利用弯曲元在土体中产生剪切波并接收对应的波速信息，得到剪切波在土体中的传播时间，结合传播距离进而得到土体中剪切波的传播速度Vs，结合土体密度ρ，就可以快速得到土体的剪切模量Gmax。
如果将缩尺后的模型在常重力(1g)条件下进行实验，由于模型尺寸和原型场地尺寸的巨大差异导致的模型土体所处的应力水平与现场情况相差N倍(N为缩尺比例)，例如：现场50m高的土石坝，那么大坝底部任意一点实际的应力约为1000kPa，按照1:50(N＝50)的比例缩小后模型高度变为1m，在模型中大坝底部的应力水平只有20kPa(与大坝底部实际应力的相差50倍)。这样显著的应力水平差异将导致原型土体与缩尺后模型土体的力学特性和灾变响应完全不同，偏差很大。
为了真实反映实际原型场地的土体特性，利用超重力离心机的高速旋转为模型提供N倍的自重应力(Ng)，从而弥补由于模型缩尺N倍导致的应力水平与原型实际应力水平不一致，创造一个与原型应力水平相同的应力场，从而使现场原型的灾变过程在室内缩尺模型中可以真实再现。由于弯曲元波速测试技术在获得土体剪切模量的诸多优点，其在超重力离心机模型试验中也得到运用。
常规的超重力离心模型试验体波波速测试系统中存在两路电信号，两路电信号均经过滑环，滑环是指用于实现从连续旋转结构到固定结构传输电源和数据信号的结构。滑环会对经过它的电信号产生严重干扰：一方面激励信号或者第一路电信号在经过滑环时，滑环结构产生的高幅低频信号会显著干扰经过滑环处的电信号，称之为工频干扰，这部分干扰对波形的影响很难消除；另一方面滑环连接处由于导线暴露，电流较大时存在显著的电磁干扰，虽然采取电磁屏蔽导线等措施，但仍然不能完全消除其对电信号的干扰。
此外，在滑环连接处信号通道数有限，每一个激发压电元件或者接收压电元件在滑环处都对应一个通道接口，这样就大大限制了离心机模型当中压电元件的布置对数；另一方面，目前体波波速测试系统中的接收通道有限，不能进行多信号同时采集，只能进行单点激发和单点接收，即每次只能进行一对压电元件的激发和接收。
常规的体波波速测试系统需要人工手动激发信号，即每次都必须人工手动操作函数发生器产生激励信号，然后通过示波器判断两路电信号波形的起跳点从而得到剪切波的传播时间，效率不高，测试过程冗长。
现有的离心机试验体波波速测试系统包括的设备繁多，每种设备均是体积大且笨重，而且价格昂贵，需要十多万到数十万不等。
目前，运用于超重力离心机的压电元件测试技术还面临许多难题：
①超重力下的缩尺试验中的模型土体的尺寸要比常重力下单元体试验中的单元体的试样大得多，在超重力离心试验中，激发压电元件振动传播的距离通常需要超过50cm，而在常重力下的单元体试验中，激发压电元件振动传播的距离通常为10～20cm，由激发压电元件产生的振动能量必须足够大以至于能够传播得更远，这就需要更高的激励电压和更大的压电元件尺寸；
②超重力条件下存在相似率的问题，模型土体的瞬态灾变要求土体体波波速的快速连续监测。
针对上述第②点提到的模型土体的瞬态灾变过程，这里做进一步的解释。常重力(1g)条件下原型场地土体的灾变过程是一个渐进变化的动态过程，对应的土体当中应力和应变都是渐进变化的。由于超重力离心机提供的超重力环境下存在时间效应，常重力条件下原型灾变过程持续数个小时，在离心机超重力环境下数分钟甚至几十秒就重现了整个灾变过程，超重力离心机试验将原型灾变过程大大缩短，这样模型土体在试验过程中是一个高瞬态的灾变过程。例如，真实情况下，地震发生时的振动时间通常只有十几秒到几十秒的时间，在利用超重力离心机模拟地震过程时，由于缩尺效应，真实地震过程的时间被缩短N倍(例如真实的地震持续30s，如果缩尺比例N＝30，那么在超重力离心机模型模拟真实地震时就只有30s/30＝1s的过程)。获得模拟地震过程中这1秒内土体的物理力学性质变化，以及地震场地液化引起的十几秒到数分钟的灾变过程，都具有重要的意义。因此，对压电元件捕捉高瞬态灾变信息提出苛刻的要求。
现有技术存在的另一个显著问题就是：现有的体波波速测试系统采用的函数发生器和示波器只是双通道的，也就是说，双通道函数发生器只有两个通道可以输出激励波形信号，两个通道输出的激励波形信号分别一路直接传输到示波器(上述提到的第二路电信号)，另一路激励波形信号传输到激发压电元件产生激励信号(上述提到的第一路信号)；双通道示波器只有两个通道可以接收信号：其中一个通道接收函数发生器直接传输过来的激励信号(上述提到的第二路电信号)，另外一个通道接收从激发压电元件传输过来的接收电信号(上述提到的第一路信号)。因此，这样有限的通道数就限制了每次只能进行一对压电元件剪切波速的测试。如果想实现同时获得更多对压电元件的波形图，必须购买具有更多接收通道的示波器和函数发生器，但是目前市场上函数发生器和示波器通道数大多在4个通道左右，如果单独定制更多通道的仪器则价格会大大提高；或者购买多台具有单通道的函数发生器和示波器，如果购买多台单通道函数发生器或示波器，那么不仅成本增加，整套设备的体积和数量也大大增加。
在超重力离心试验中，需要埋设多对压电元件来监测不同深度土体的灾变响应。由于受到现有测试时间和设备通道的限制，通常埋设3对压电元件。对于现有的压电元件体波波速测试设备，如果采用双通道的函数发生器和示波器，一对压电元件的测试时间就比较长，需要3-5min，完成3对压电元件测试就需要10-15min。由于现有技术测试时间较长，通过现有技术只能测得某一土体深度体波波速的平均值，而无法获得体波波速的瞬态值。例如，通过某一土体深度埋设的压电元件计算得到的体波波速只是对应该深度位置波速测试过程(3-5min内)体波波速的平均值。在利用超重力离心机模拟地震过程时，由于缩尺效应，真实地震过程的时间被缩短N倍(例如真实的地震持续30s，如果缩尺比例N＝30，那么在超重力离心机模型模拟真实地震时就只有30s/30＝1s的过程)，这样要求得到的必须是模拟地震过程1秒内的体波波速的瞬态值，现有单对压电元件的体波波速测试得到的3-5min体波波速的平均值显然并不满足。进一步地，为了更加真实准确地得到模拟地震过程的结果，需要更短时间的体波波速的瞬态值，也就是地震发生1秒内不同时刻零点几秒内的体波波速瞬态值，现有技术更是无法实现。
目前试验时模型箱内埋设的测量剪切波速的弯曲元传感器，弯曲元片外伸的悬臂长度是固定的，其激励产生的剪切波在模型土体中传播距离有限，只能使用波速测试距离较短的情况(通常测试距离不超过20cm)；同时，在制模过程中按照预定位置将传感器放置在模型土体当中，不可避免存在位置误差影响测试精度；同时制模时放置弯曲元传感器会干扰模型土体的初始状态，影响试验结果。
目前在工程现场已经有运用弹性波CT技术来进行建筑物或者构筑物的性能和状态。
专利CN102141542A涉及一种基于无线传感器网络的混凝土坝弹性波CT测试系统和方法，其为一种运用于水利工程混凝土大坝无损检测的弹性波CT测试系统和方法。将人工振源模块和振动信号采集模块根据混凝土坝CT测试断面的要求和关注关注重点确定布置在大坝上，人工振源为力锤，和各振动信号采集模块通过无线传输技术将弹性波信号传输至计算机进行波速分析。根据获得的弹性波走时数据开展正反演算后即可进行坝体大弹性波层析成像。专利CN104820245A涉及一种地质缺陷无损检测系统和方法，激励装置和接收装置分别布置在两个降水井中，两个降水井之间距离不低于10m，不超过25m，根据激励点和各接收点之间弹性波的传播时间确定波速，根据弹性波CT图进行地质缺陷的无损检测。专利CN106291702涉及一种矿井采区应力集中区的时移地震检测方法，在地面放炮激振，然后在地下巷道内布置接收装置，接收地下工作面前方岩土体中的弹性波波速，反演计算应力条件。应该认识到，这些运用于工程现场的弹性波CT技术方法并不能直接照搬过来运用于实验室试验，特别是不能运用于超重力离心机试验条件。一是由于这些运用于工程现场的专利的传感器尺寸很大(直径或者边长超过5cm)，和实验室条件下的模型尺寸(通常长宽高均不超过1m)相比，体积如此庞大的传感器影响模型的初始条件，严重影响试验测试结果，所以实验室条件下的传感器更多是体积较小的传感器(长宽高不超过2cm，一般波速测试用压缩元或者弯曲元片)；二是这些专利涉及到的弹性波CT技术和方法的检测对象是静态的或者常重力条件的目标，例如专利CN102141542A涉及到的混凝土坝，其物理状态在波速测试过程中基本不发生变化，专利CN106291702涉及到检测对象为采区工作面前方的岩体，其物理及应力状态变化不是很剧烈，也就是监测对象本身引起波速变化的物理条件变化很慢，不至于引起波速在短时间内(几分钟甚至几个小时)剧烈变化，因此这些专利涉及到的技术和方法难以获得常重力条件下模型试验过程中波速的瞬态变化，更无法获得超重力条件下模型试验过程中波速的高瞬态变化，也就是这些运用于工程现场的方法不能监测实验室条件下模型波速瞬态变化的情况。
综上而言，目前的工程上和实验室内土体体波波速测试技术存在下述缺陷：
1)对于现有的实验室体波波速测试系统，无论是采用双通道还是四通道函数发生器和示波器，完成一对压电元件对应深度土体的体波波速的测试时间需要3-5min，完成三个不同深度的压电元件对全部体波波速测试时间需要10-15min。超重力条件下地震持续时间通常在1s内，地震场地液化引起的灾变过程也只有十几秒到数分钟，而现有的体波波速测试技术获得的是3-5min内不同深度土体体波波速的平均值，无法获得在数分钟内、十几秒甚至1秒内不同深度压电元件体波波速的瞬态值，这样就不能准确分析常重力条件下模型土体瞬态灾变过程，更不能分析超重力条件下的高瞬态土体灾变过程。
2)超重力离心机试验中不可避免地存在外界环境的干扰振动，产生大量随机波信号会掺杂在接收压电元件产生的第一路电信号中，导致第一路电信号对应在示波器上显示的波形信号幅值和形状严重失真，现有的体波波速测试系统不能有效消除干扰信号，难以判别第一路电信号对应波形信号的起跳点。
3)现有的体波波速测试系统，如果采用双通道函数发生器和示波器，只能进行一对一的激发和接收以及示波器上波速扫描图的绘制；目前市场上多通道函数发生器和示波器大都为四通道函数，如果采用四通道函数发生器和示波器，则可以实现一个激发压电元件激发、三只接收压电元件接收，但是对于弹性波CT技术来说3对压电元件数目太少，一般需要10对以上。如果购买多台双通道或者四通道函数发生器和示波器，那么不仅成本增加，整套设备的体积和数量也大大增加。
5)现有的体波波速测试系统，对于采用双通道的函数发生和示波器，一对压电元件体波波速测试完成后，必须手动将控制室内函数发生器的信号发射接口和示波器信号接收接口连接第二对压电元件的发射通道和接收通道，这大大加大了人工劳动强度；对于采用四通道的函数发生器和示波器，也只能一次连接三对压电元件；为了得到清晰可辨的波形起跳点，需要在手动在函数发生器上按照一定的时间间隔多次操作产生相同的波形信号，这样加大了人工劳动强度，而且效率低。
6)由于函数发生器和示波器等设备放置在主控制内，模型土体放置在离心机实验舱中，第一路电信号两次经过滑环，存在工频干扰和电磁干扰，信号严重失真，会严重影响波形起跳点的判别，造成体波波传播时间t的判别存在较大误差；且滑环通道数有限，限制了离心机模型中压电元件布置对数；
7)现有的一套压电元件体波波速测试设备设备繁多、体积大且笨重，价格昂贵。
8)压电元件在模型制备埋放过程中位置准确性难以把握且对模型土体初始状态有干扰；同时目前的压电元件结构一旦做好之后压电陶瓷片尺寸就固定不可调，其激励产生的剪切波在模型土体中传播距离有限，只能使用波速测试距离较短的情况(通常测试距离不超过20cm)。
9)目前运用于工程现场的波速测试方法不适用与实验室条件下模型波速瞬态变化的监测的情况。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种用于压电信号采集和处理的数采系统、一种用于实现弯曲元阵列测试离心机模型土体剪切波速的弯曲元阵列结构，在此基础上，公开了一种弯曲元列阵测试模型土体剪切模量的测试平台。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置：
所述测试装置包括置于主控室内的数采系统，置于离心机舱室内的PXI控制器、驱动模块和多路模拟开关，安装在离心机的吊篮上的模型箱；模型箱中安装有激发压电元件和接收压电元件，数采系统依次经PXI控制器、数模转换器、驱动模块和多路模拟开关和激发压电元件连接，接收压电元件依次经驱动模块、模数转换器、PXI控制器后与数采系统连接。
所述的数采系统包括激发模块、接收模块、信号处理模块、储存器和显示模块，所述的PXI控制器包括函数发生器模块和存储模块。所述的数采系统中激发模块的输出端和PXI控制器中函数发生器模块输入端相连接；所述的数采系统中接收模块的输入端与PXI控制器中存储模块的输出端相连。
所述的数采系统中：
包括激发模块，其输出端与所述PXI控制器的函数发生器模块的输入端连接，激发模块用于可以根据试验要求在激励模块设定信号迭代次数、所有激发压电元件总的信号激励次数、以及两次激励信号之间的时间间隔；并将指令发送到所述PXI控制器的函数发生器模块，控制函数发生器模块按照预定的波形、频率和振幅激励产生土体体波波速数字激励信号；
包括接收模块，其输入端与所述PXI控制器的存储模块的输出端连接，接收由存储模块发送过来的土体体波波速数字接收信号，并将土体体波波速数字接收信号传输到所述信号处理模块中的快速迭代模块；
包括信号处理模块，其输入端与所述接收模块的输出端连接，接收由接收模块发送过来的土体体波波速数字接收信号，经迭代、滤波和相位纠正处理成土体体波波速检测结果信号发送到储存器；
包括储存器，其输入端与所述信号处理模块的相位纠正模块的输出端连接，接收由信号处理模块发过来的土体体波波速检测结果信号并存储，同时发送到显示模块；
包括显示模块，其输入端与所述储存器的输出端连接，接收由储存器发送过来的土体体波波速检测结果信号并显示；
所述的PXI控制器中：
包括函数发生器模块，其输入端与所述数采系统中激发模块的输出端连接，接收由激发模块发过来的土体体波信号数字激励信号的指令，按照设定的迭代次数和时间间隔自动定时不间断连续地生成对应波形的激励控制信号，并将激励控制信号发送给存储模块，并同时经D/A转换器发送给所述驱动模块的功率放大器；
所述的函数发生器模块采用微处理器电路，优选的，可以采用DSP(digitalsignal process)微处理器，也可以采用ARM(Advanced RISC Machines)微处理器，能实现土体体波激励信号在微秒级快速激励。
包括存储模块，其输出端与所述数采系统中接收模块的输入端连接，其输入端分别与函数发生器模块和所述驱动模块的电荷放大器连接，接收由函数发生器模块发过来的激励控制信号，同时接收由所述驱动模块的电荷放大器发过来的土体体波波速数字接收信号，再将激励控制信号和土体体波波速电数字接收信号一起发送到所述数采系统的接收模块；
函数发生器模块的输入端和存储模块的输出端经光纤滑环连接到数采系统。
所述的驱动模块：
包括功率放大器，其输入端与所述PXI控制器的函数发生器模块经D/A转换器连接，其输出端经多路模拟开关分别与模型箱中安装的各个激发压电元件连接，对来自函数发生器模块的激励控制信号进行电压放大后发送到多路模拟开关，以增大激励信号能量来适应模型试验中压电元件测试距离较长的情况，再通过多路模拟开关控制各个激发压电元件的工作(打开或者关闭)；
包括电荷放大器，其输入端分别与模型箱中安装的各个接收压电元件连接，其输出端经A/D转换器与存储模块连接，对来自接收压电元件采集接收获得的模拟电信号进行电荷放大后发送到存储模块，以提高信号的分辨能力；
电荷放大器中具有高通滤波电路，功率放大器不具有高通滤波电路。
所述的多路模拟开关通过有线连接接收，并切换控制各个激发压电元件对应的输入通道实现激发压电元件的工作开闭；
所述激发压电元件接收多路模拟开关的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件采集沿模型箱中土体传播后的机械振动转化为模拟电信号。
所述的体波既包括剪切波，也包括压缩波。
在体波波速测试系统中，激励信号和接收信号必须通过位于离心机主轴上部的光纤滑环进入离心机试验舱，光纤滑环会对经过它的电信号产生严重电磁干扰和工频干扰。而本发明将所述的PXI控制器放置在离心机舱室，函数发生器模块产生的数字电信号与接收压电元件采集的模拟电信号经过模数转换器转化生成的数字信号均存储在所述PXI控制器的存储模块，然后再将数字信号经过光纤滑环传输到数采系统，而光纤滑环对数字信号不会产生影响，这样避免了激励电信号和接收电信号经过光纤滑环对信号产生的工频干扰和电磁干扰。
所述的信号处理模块包括数字滤波器、相位纠正模块和快速迭代模块；
包括快速迭代模块，其输入端与接收模块的输出端连接，将接收压电元件采集接收到的土体体波波速数字接收信号进行信号迭代处理后获得各个激发压电元件各自对应的一个波速信号，并发送到数字滤波器；
所述的快速迭代模块是将同一接收压电元件多次接收的信号叠加在一起形成一路完整信号，从而将土体体波数字信号中包含的由外界环境振动干扰产生的随机波信号相互抵消。
包括数字滤波器，其输入端与快速迭代模块的输出端连接，接收由快速迭代模块处理后发过来的波速信号进行滤波后发送到相位纠正模块，滤掉信号中由于外界环境干扰振动产生的随机波信号；
包括相位纠正模块，其输入端与数字滤波器的输出端连接，接收由数字滤波器发过来的波速信号后进行特殊的信号相位纠正处理，对电荷放大器中高通滤波电路引起的波形相位失真进行修正，以提高波形起跳点判断的准确性，然后发送到储存器。
本发明通过快速迭代模块、数字滤波器和相位纠正模块组成的信号处理模块大大提高接收信号波形起跳点判断的准确性。
本发明对土体体波数字信号中由于外界环境干扰振动产生的大量随机波信号滤波采用数字滤波器处理，数字滤波器根据不同滤波器的特点和考虑滤波的实际要求来选择合适的。
所述的PXI控制器、驱动模块和多路模拟开关均置于离心机舱室内离心机转轴处的平台上，与安装模型箱的吊篮绕离心机中心轴同步旋转。
本发明构建数采系统、PXI控制器和多路模拟开关的组合，实现了多个激发压电元件的自动定时连续激发，自动快速切换多个激发压电元件的输入通道，对于模型中不同深度埋放多对(例如10对)压电元件的情况，完成全部压电元件的体波波速测试时间在1秒内即可完成。
所述的数采系统能实现并具有以下功能：
根据试验要求在激励模块设定信号迭代次数、所有激发压电元件总的信号激励次数、以及两次激励信号之间的时间间隔；
将PXI控制器存储模块传输过来的土体体波波速数字信号进行快速迭代、滤波、相位纠正，提高接收信号波形起跳点判断的准确性；
将多个接收压电元件接收信号对应的土体体波数字信号同时绘制成波形图，实现一次判别多个接收压电元件接收信号对应波形图中的起跳点，从而得到多对压电元件对应深度的土体体波波速信息，提高效率。
所述的信号激励信号可以在微秒级快速发出，完成一对压电元件对应深度土体的体波波速测试仅需几十毫秒。
所述的数采系统可以同时完成多个波形图的绘制，一次性判别多个接收压电元件对应波形的起跳点，得到多个接收压电元件对应深度的土体体波波速。
所述的数采系统可以实现一只激发压电元件激励、十多个接收压电元件波形图的同时绘制，一次性判别对压电元件波形信号的起跳点，提高效率，为弹性波CT技术奠定基础。
一个激发压电元件和一个接收压电元件组成一对，所述激发压电元件和接收压电元件具有多对，分别埋放在模型箱中土体内的不同深度，用于测试模型土体不同深度的压缩波或者剪切波波速。
所述的模型箱内对称的两侧各设有一个固定架，固定架底部固定在模型箱的底板上，两个固定架相对的侧面设有竖直的条形凹槽，条形凹槽两侧的槽壁均开有竖直的滑动通槽；
压电元件通过夹板组件安装在模型箱的固定架上，夹板组件包括两块夹板和两块带外伸螺栓的铝板，两块夹板相对布置安装，并且在两块夹板的相对接触端面均开有夹紧槽，压电元件夹装在两块夹板的夹紧槽之间；两块夹板的外端面被两块带外伸螺栓的铝板用紧固螺钉夹紧固定；
夹板组件的中间主体部分置于固定架的条形凹槽中，铝板带有的螺栓穿设于固定架的滑动通槽中并伸出后连接螺母，通过螺母松紧来调整夹板组件沿滑槽内上下移动位置和固定，使得夹板组件在固定架上的安装高度确定后通过螺母紧固将夹板组件固定在固定架上，从而使得夹板组件被夹装的压电元件固定。
所述的压电元件为激发压电元件或者接收压电元件，激发压电元件和接收压电元件结构相同。
本发明在固定架上精确定位压电元件的深度位置和平面位置，实现模型土体体波波速的精确获取。
所述的固定架为金属材料，优选的采用铝合金材料，质轻高强。
所述的固定架和模型箱底板之间设有复合阻尼材料，可以将机械振动转化为内能消耗掉，防止激发压电元件产生的机械振动直接通过所述的固定架、模型箱底板直接传输到接受压电元件从而产生干扰。
本发明上述压电元件的安装结构可实现“双可调”，一方面根据试验要求调整通过松紧紧固螺孔中的紧固螺钉调整压电元件伸出夹板外的长度，另一方面通过压电元件在固定架上的高度位置可自由调整。
二、一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试方法：
1)根据模型箱尺寸和压电元件特性确定测量模型箱中所安装的激发压电元件和接收压电元件之间的距离以及压电元件(11、12)尺寸，根据波速测试深度位置要求将压电元件(11、12)固定安装在固定架上，然后将固定架按照距离固定于模型箱的底板上；
本发明在土体填入模型箱之前安装好固定架及压电元件，避免了对模型土体初始密实度的干扰。
2)将模型土料按照试验要求的土体初始物理状态填入模型箱内，然后将模型箱安装在离心机的吊篮；
3)在离心机的主控室内打开数采系统进行测试；
4)测试过程中实时监测土体体波波速测试结果，针对激励信号和其对应的接收信号，根据激励信号的波形起跳点时刻和接收信号的波形起跳点时刻之间的时间差值，波形起跳点是信号波形图中第一个最大波形的左端点，接着用模型箱中激发压电元件和接收压电元件之间的距离除以时刻差值得到土体体波波速，获得土体体波波速测试结果。
所述的激励信号即为快速迭代模块、数字滤波器处理后的土体体波波速数字激励信号，所述的接收信号即为快速迭代模块、数字滤波器和相位纠正模块处理后输出的接收信号。
所述步骤3)具体为：
激发模块自动定时不间断连续地发出土体体波激励信号，激励信号发送到函数发生器模块，控制函数发生器模块按照土体体波激励信号中预定的波形、频率和振幅激励产生土体体波波速数字激励信号，土体体波波速数字激励信号发送接收模块，土体体波波速数字激励信号依次经D/A转换器数模转换、所述功率放大器电压放大后发送到多路模拟开关，由多路模拟开关发出控制信号切换控制各个激发压电元件的工作开闭；激发压电元件接收多路模拟开关的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件采集沿模型箱中土体传播后的机械振动转化为模拟检测信号；模拟检测信号依次经电荷放大器电荷放大、A/D转换器模数转换后形成土体体波波速数字接收信号并发送到存储模块存储，由存储模块将测试的土体体波波速数字激励信号和土体体波波速数字接收信号一起经接收模块发送到快速迭代模块，快速迭代模块中将土体体波波速数字激励信号和同一接收压电元件多次接收的土体体波波速数字接收信号叠加后发送到数字滤波器进行滤波处理，滤波后的信号发送到相位纠正模块，相位纠正模块对接收信号相位纠正处理，获得最终接收信号；
实验中控制各个激发压电元件依次打开工作；每个激发压电元件工作时，激发压电元件由间隔连续脉冲的激励信号控制发出机械振动，所有各个激发压电元件均打开同时采集接收信号，针对每个接收压电元件所采集到的所有信号通过快速迭代模块叠加形成一个接收信号，快速迭代模块中也将土体体波波速数字激励信号中各个脉冲波形叠加形成一个激励信号。
相位纠正模块一并将土体体波波速数字激励信号和处理后的土体体波波速数字接收信号一起发送到存储模块。
所述的相位纠正模块具体采用以下过程处理：
先根据以下公式计算获得电荷放大器中高通滤波电路的传递函数导致的相位差：
上式中，表示数字滤波器引起的相位扭曲角，作为相位差；表示数字滤波器传递函数；表示传递函数的虚部；表示传递函数的实部；ω0表示角频率；ωn表示滤波器对应傅里叶变换的第n阶频率；
再利用傅里叶变换把时域信号变换到频域，然后在频域内根据以下公式利用相位差对频域信号进行修正，修正后再转换回时域：
上式中：相位修正之后的频域信号，表示数字滤波器引起的相位扭曲角，作为相位差；表示经过数字滤波器滤波之后的频域信号；表示经过数字滤波器滤波之后信号的相位角；表示经过相位修正之后的信号，i表示复数。
本发明的测试装置和方法既可在离心机停机时进行测试，也可以在离心机运行过程中进行土体体波波速的测量。
本发明的装置既可用于超重力离心机试验条件，也可用于常重力的试验条件。本发明的测试装置和方法既可以运用于常重力条件下模型土体体波波速的获得，也可以运用于超重力条件下模型土体体波波速的获得。
在离心机试验过程中的超重力条件下存在相似率的问题，模型土体的瞬态灾变要求土体体波波速的快速连续监测。例如：真实情况下通常只有十几秒到几十秒的时间，在利用超重力离心机模拟地震过程时，由于缩时效应，真实地震过程的时间被缩短N倍(例如真实的地震持续30s，如果缩尺比例N＝30，那么在超重力离心机模型模拟真实地震时就只有30s/30＝1s的过程)。获得模拟地震过程中这1秒内土体的物理力学性质变化，以及地震场地液化引起的十几秒到数分钟的灾变过程，都具有重要的意义。基于此，本发明所提供的数采系统配合PXI控制器可以自动、定时、快速连续发出土体体波信号激励信号，实现激励信号在微秒级快速激励；同时将多个接收压电元件接收信号对应的土体体波数字信号同时绘制成波形图，实现一次判别多个接收压电元件接收信号对应波形图中的起跳点，从而得到多对压电元件对应深度的土体体波波速信息。对于模型中埋放多对(例如10对)压电元件的情况，完成不同深度埋放的压电元件体波波速测试时间在1秒内即可完成，这样就可以监测模型在离心机实验过程中超重力条件下模型土体的高瞬态灾变过程。
在超重力离心机试验进行中不可避免地存在外界环境的干扰振动，例如，超重力离心机在运行过程中旋转主轴与离心机悬臂摩擦产生的机械振动、放置模型箱的吊篮在旋转过程中与空气摩擦产生的高频风噪信号以及电信号之间存在电磁干扰产生的高频噪音等，这些无效的噪音信号会掺杂在接收压电元件产生的第一路电信号中，导致第一路电信号对应在示波器上显示的波形信号幅值和形状严重失真，难以判别第一路电信号对应波形信号的起跳点。基于此，本发明所提供的数采系统具有快速迭代、滤波及相位修正的功能，快速迭代将接收压电元件多次接收产生的土体体波数字信号进行快速叠加，从而将土体体波数字信号中包含的由外界环境振动干扰产生的随机波信号相互抵消；采用数字滤波器，滤掉土体体波数字信号中由于外界环境振动干扰产生的大量随机波信号；相位纠正将土体体波数字信号经过放大电路高通滤波电路导致的波形相位失真进行修正，提高波形起跳点判断的准确性。
本发明的有益效果是：
1)对于超重力条件下地震持续时间通常在1s内，地震场地液化引起的灾变过程也只有十几秒到数分钟，本平台完成一对压电元件对应深度土体的体波波速测试仅需要几十毫秒；对于模型中埋放多对(例如10对)压电元件的情况，完成不同深度埋放的压电元件体波波速测试时间在1秒内即可完成。
2)利用数采系统可以实现一只激发压电元件激励、多个接收压电元件波形图的同时绘制，一次性判别多对压电元件波形信号的起跳点，提高效率；
3)本发明所述的数采系统采用数字滤波器可以将混杂在土体体波波数字信号中的外界环境的干扰振动产生的大量随机波信号滤掉，同时采用相位修正模块将电荷放大器高通滤波导致的波形相位失真进行修正，结合快速叠加模块，增加了接收波形起跳点判断的准确性；
4)本发明将数采系统和多路模拟开关结合起来，可以实现多个激发压电元件的依次激发，避免了采用单通道函数发生器时每测试一对压电元件需要人工转换通道；避免了采用价格昂贵的多通道函数发生器或者多个单通道函数发生器，节省成本；
5)本发明所述的数采系统配合PXI控制器可以自动地定时连续发出激发信号，控制PXI控制器的函数发生模块按照一定时间间隔产生激发信号，克服了现有体波波速测试系统必须依靠人工手动逐次产生激发信号的缺点；
6)本发明将PXI控制器放置在离心机舱室，函数发生模块产生的激励信号和接收压电元件产生的电信号经模数转换器转化生产的数字信号存储在PXI控制器的存储模块，然后再将数字信号通过光纤滑环传输到数采系统，这样避免了第一路电信号两次经过滑环，避免了滑环对波速信号产生的工频干扰和电磁干扰；
7)接收压电元件接收振动产生的电信号直接传输到PXI控制器中的存储模块，存储模块具有多个信号接口，且可以方便增加接口，这样在离心机模型中布置的压电元件对数就不会受到限制；
8)本发明的电气整体设计结构使得整套设备体积小、质量轻，而且成本大大降低；
9)采用压电元件安装结构，可以方便地调整压电元件的埋放深度，可以在压电元件埋入土体之前在固定架上准确确定压电元件的埋放深度和平面位置，通过精确确定固定架的相对位置，保证压电元件体波波传播距离的准确性；避免了人工分层埋放压电元件引起的土体密度扰动和位置的不准确；
10)所设计的压电元件安装结构，可以方便的调整压电元件的悬臂长度，从而可以适应压电元件测试距离加增大，通过调整悬臂长度增大激发能量的目的。
附图说明
图1是本发明装置安装于离心机上的结构示意图。
图2是本发明所述利用压电元件阵列技术测试离心机模型土体体波波速的测试平台。
图3是本发明所述数采系统结构原理图。
图4是本发明所述弯曲元阵列结构示意图。
图5是本发明所述激发弯曲元或接收弯曲元的拆解图。
图6是本发明所述一个激发弯曲元激发、三个接收弯曲元接收的波速信号测试结果图。
图中：1，数采系统；2，PXI控制器；3，存储模块；4，函数发生器模块；5，D/A转换器；5’，A/D转换器；6，驱动模块；7，电荷放大器；8，功率放大器；9，多路模拟开关；10，模型箱；11，激发压电元件；12，接收压电元件；13，固定架；14，紧固螺母；15，复合阻尼材料；17，固定架凹形槽；18，压电元件；19，夹板；20，铝板；21，紧固螺孔；22，数采系统激发模块；23，数采系统接收模块；24，数采系统信号处理模块；25，数采系统数字滤波器；26，数采系统快速迭代模块；27，数采系统相位纠正模块；28，数采系统存储模块；29，数采系统显示模块；30，吊篮；31，离心机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例做进一步的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应该理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图2所示，测试装置包括置于主控室内的数采系统1，置于离心机舱室内的PXI控制器2、驱动模块6和多路模拟开关9，安装在离心机31的吊篮30上的模型箱10；模型箱10中安装有激发压电元件11和接收压电元件12，数采系统1依次经PXI控制器2、数模转换器、驱动模块6和多路模拟开关9和激发压电元件11连接，接收压电元件12依次经驱动模块6、模数转换器、PXI控制器2后与数采系统1连接。
如图3所示，数采系统包括激发模块22、接收模块23、存储模块、28信号处理模块24和显示模块29。数采系统的激发模块22输出端和PXI控制器的函数发生器模块4输入端相连接；所述的数采系统的接收模块23，输入端与PXI控制器存储模块3的输出端相连，输出端与所述的数采系统信号处理模块24的快速迭代模26块相连；所述的数采系统的信号处理模块24，输入端与所述的数采系统接收模块23相连，输出端和所述的存储模块28的输入端相连；所述的数采系统的存储模块28，输入端与所述的数采系统信号处理模块24的相位纠正模块27相连，输出端和所述的数采系统显示模块29相连；所述的数采系统的显示模块29与所述的数采系统存储模块28的输出端相连。
具体实施中，显示模块将土体体波波速检测结果信号同时绘制成多个波形，一次性判别多个接收压电元件对应波形的起跳点，起跳点是信号波形图中第一个最大波形左段部分与基线的交点，得到十几个接收压电元件对应深度的土体体波波速。
具体实施中，PXI控制器2中的函数发生器模块4和存储模块3是集成化的微电子电路，体积小质量轻，成本低，且具有和函数发生器设备同样的功能。
具体实施中，存储模块3具有多个接收通道，且通道数方便增加，可同时接收并存储由十几个接收压电元件生成、并由模数转换器转换成的土体体波数字接收信号。
具体实施中，驱动模块6所包含的功率放大器和电荷放大器，采用集成的微电子电路，体积小质量轻，成本低，同时具有功率放大器设备和电荷放大器设备同样的功能。
具体实施中，驱动模块6的功率放大器8集成为微电子电路，可自由调节放大倍数。优选的，功率放大器由PA83A功率放大电路及其周围电路组成，采用DC-DC电压转换模块将直流12V电压转换为高压正负100V输出，该模块最大能输出正负90V的电压，满足压电元件驱动电压要求。
驱动模块6的电荷放大器7集成为微电子电路，可自由调节放大倍数。优选的，电荷放大器采用运算放大电路TL081及其外围电路组成。
多路模拟开关9通过有线连接接收来自PXI控制器的数字控制信号，自动快速切换多个激发压电元件对应的输入通道。优选的，多路模拟开关9采用的芯片型号为74HCT4066D。
如图3所示，信号处理模块24包括数字滤波器、相位纠正模块和快速迭代模块，PXI控制器2、驱动模块6和多路模拟开关9均置于离心机舱室内离心机转轴处的平台上，与安装模型箱的吊篮绕离心机中心轴同步旋转。
具体实施中，数采系统集成为一台具有数据处理能力的台式电脑、笔记本电脑或移动智能终端。
一个激发压电元件11和一个接收压电元件12组成一对，激发压电元件11和接收压电元件12具有多对，分别埋放在模型箱10中土体内的不同深度，用于测试模型土体不同深度的压缩波或者剪切波波速。
模型箱10内对称的两侧各设有一个固定架13，固定架13底部通过螺栓固定在模型箱10的底板上，两个固定架13相对的侧面设有竖直的条形凹槽，条形凹槽两侧的槽壁均开有竖直的滑动通槽，滑动通槽的槽宽和铝板20的外伸螺栓的宽度相匹配。
如图4所示，压电元件18通过夹板组件安装在模型箱10的固定架13上，在土体填入模型箱之前安装好固定架及压电元件。如图5所示，夹板组件包括两块夹板19和两块带外伸螺栓的铝板20，两块夹板19相对布置安装，并且在两块夹板19的相对接触端面均开有夹紧槽，压电元件18夹装在两块夹板19的夹紧槽之间，形成悬臂伸出结构；两块夹板19的外端面被两块带外伸螺栓的铝板20用紧固螺钉夹紧固定，铝板20的一端经紧固螺钉固定连接到夹板19的外端面，铝板20的另一端中间固定连接螺栓；铝板20和夹板19上均开有紧固螺孔21，紧固螺钉穿过铝板20和夹板19各自的紧固螺孔21将铝板20和夹板19固定在一起；
如图4所示，夹板组件的中间主体部分(包括两块夹板19、两块铝板20和压电元件18)置于固定架13的条形凹槽中，铝板20带有的螺栓穿设于固定架13的滑动通槽中并伸出后连接螺母14，通过螺母14松紧来调整夹板组件沿滑槽内上下移动位置和固定，使得夹板组件在固定架13上的安装高度确定后通过螺母紧固将夹板组件固定在固定架13上，从而使得夹板组件被夹装的压电元件固定，方便拆卸和更换。
压电元件18为激发压电元件11或者接收压电元件12，激发压电元件11和接收压电元件12结构相同。
具体实施中，激发压电元件11和接收压电元件12均采用压电陶瓷弯曲元，发射的激发弯曲元受激励信号激发产生振动并在模型土体中产生剪切波，剪切波通过模型土体传播后由对应的接收的弯曲元接收，接收弯曲元将剪切波对应的振动转化为电信号并传输到存储模块，该信号为第一路电信号。与激励发射的弯曲元相同的激励信号直接传输到存储模块，该信号为第二路电信号。
上述压电元件的安装结构可实现“双可调”，一方面根据试验要求调整通过松紧紧固螺孔21中的紧固螺钉调整压电元件伸出夹板19外的长度，另一方面通过压电元件在固定架13上的高度位置可自由调整。
本发明的测试过程如下，采用上述如前所述的PXI控制器2、驱动模块6、多路模拟开关9、任意一种形式且具有相同功能的数采系统1、任意一种形式且具有相同功能的测试模型土体体波波速的压电元件阵列结构，采用如下步骤：
1)根据模型箱尺寸和压电元件特性确定测量模型箱10中所安装的激发压电元件11和接收压电元件12之间的距离以及压电元件11、12尺寸，根据波速测试深度位置要求将压电元件11、12固定安装在固定架13上，然后将固定架13按照距离固定于模型箱10的底板上；
本发明在土体填入模型箱之前安装好固定架及压电元件，避免了对模型土体初始密实度的干扰。
2)将模型土料按照试验要求的土体初始物理状态填入模型箱10内，然后将模型箱10安装在离心机31的吊篮30；
3)在离心机的主控室内打开数采系统进行测试，输入模型土体体波波速测试距离等基本参数，选择波形、频率、振幅等波形参数，设置迭代次数和定时激发时间；设置采样数和采样率等。具体测试过程为：
激发模块22发出土体体波激励信号的指令，发送到函数发生器模块4，控制函数发生器模块4按照土体体波激励信号中预定的波形、频率和振幅、以及激励次数激励产生土体体波波速数字激励信号，土体体波波速数字激励信号依次经D/A转换器5数模转换、所述功率放大器8电压放大后发送到多路模拟开关9，由多路模拟开关9发出控制信号切换控制各个激发压电元件11的工作开闭；激发压电元件11接收多路模拟开关9的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件12采集沿模型箱10中土体传播后的机械振动转化为模拟电信号；模拟电信号依次经电荷放大器7电荷放大、A/D转换器5’模数转换后形成土体体波波速数字接收信号并发送到存储模块3存储，由存储模块3将测试的土体体波波速数字激励信号和土体体波波速数字接收信号一起经接收模块23发送到快速迭代模块26，快速迭代模块26中将土体体波波速数字激励信号和同一接收压电元件多次接收的土体体波波速数字接收信号叠加后发送到数字滤波器25进行滤波处理，滤波后的信号发送到相位纠正模块27，相位纠正模块27对接收信号相位纠正处理，获得最终接收信号。
相位纠正模块27是先根据以下公式计算获得电荷放大器7中高通滤波电路的传递函数导致的相位差，再利用傅里叶变换把时域信号变换到频域，然后在频域内根据以下公式利用相位差对频域信号进行修正，修正后再转换回时域。
实验中控制各个激发压电元件11依次打开工作；每个激发压电元件11工作时，激发压电元件11由间隔连续脉冲的激励信号控制发出机械振动，所有各个接收压电元件12均打开同时采集接收信号，针对每个接收压电元件12所采集到的所有信号通过快速迭代模块26叠加形成一个接收信号，快速迭代模块26中也将土体体波波速数字激励信号中各个脉冲波形叠加形成一个激励信号。相位纠正模块27一并将土体体波波速数字激励信号和处理后的土体体波波速数字接收信号一起发送到储存器28。
4)具体实施中，假设激发压电元件11和接收压电元件12有N对，遍历各个激发压电元件11采集后共获得N×N个激励信号和接收信号对。
针对每对励信号和接收信号对，根据激励信号的波形起跳点时刻和接收信号的波形起跳点时刻之间的时间差值，波形起跳点是信号波形图中单周期最大波形的左端点，接着用模型箱10中激发压电元件11和接收压电元件12之间的距离除以时刻差值得到土体体波波速，获得土体体波波速测试结果。
因此，N×N个激励信号和接收信号对获得了N×N个测试结果。
具体实施中，数采软件将信号处理包括滤波、相位纠正和快速叠加之后的数据存储到事先设置好的存储路径，后期导出后可进行波速数据校核。
以下为一个具体的弯曲元阵列测试模型土体剪切波速的实施例：
用于超重力离心机试验的模型箱尺寸为：长*宽*高＝770mm*400mm*550mm，总共在模型箱总沿深度方向布置三对弯曲元，深度分别为0.25H，0.5H和0.75H(H为模型高度)，接收弯曲元对应编号分别为1、2、3，激发弯曲元和接收弯曲元的间距为10cm。
按照位置要求将弯曲元固定在固定架上后按照试验要求制备模型。试验开始前在主控室内打开数控系统，设置文件的存贮路径。输入波速测试距离，选择波形为正弦波、频率1000Hz、振幅8mV；设置迭代次数为50，定时激发间隔时间为50μs；设置采样数100000和采样率800000等。点击开始按钮开始测试。
图6为试验过程中埋深0.25H对应的激发弯曲元激发、三个接收弯曲元接收的波速信号测试结果，包括一个激发信号和对应三个接收弯曲元的接收信号其中接收信号1、接收信号2和接收信号3分别对应三个深度0.25H，0.5H和0.75H的三个接收弯曲元1、2、3。三个接收弯曲元接收信号的波形起跳点非常明显，图中用圆圈和箭头标明了三个接收信号的起跳点。从图中可以得出：接收弯曲元1、2、3对应的波速传播时间分别为1.313ms、1.467ms和1.564ms，忽略系统延迟时间，结合三个激发弯曲元和接收弯曲元的埋设距离10cm，根据波速计算公式：Vs＝L/△t，从而可以得到对应三个波速分别为：76.14m/s、68.19m/s和63.92m/s。

Claims (10)

1.一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述测试装置包括置于主控室内的数采系统(1)，置于离心机舱室内的PXI控制器(2)、驱动模块(6)和多路模拟开关(9)，安装在离心机(31)的吊篮(30)上的模型箱(10)；模型箱(10)中安装有激发压电元件(11)和接收压电元件(12)，数采系统(1)依次经PXI控制器(2)、数模转换器、驱动模块(6)和多路模拟开关(9)和激发压电元件(11)连接，接收压电元件(12)依次经驱动模块(6)、模数转换器、PXI控制器(2)后与数采系统(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述的数采系统(1)中：
包括激发模块(22)，其输出端与所述PXI控制器的函数发生器模块的输入端连接，激发模块用于可以根据试验要求在激励模块设定信号迭代次数、所有激发压电元件总的信号激励次数、以及两次激励信号之间的时间间隔；并将指令发送到所述PXI控制器(2)的函数发生器模块(4)，控制函数发生器模块(4)按照预定的波形、频率和振幅激励产生土体体波波速数字激励信号；
包括接收模块(23)，其输入端与所述PXI控制器(2)的存储模块(3)的输出端连接，接收由存储模块发送过来的土体体波波速数字接收信号，并将土体体波波速数字接收信号传输到所述信号处理模块；
包括信号处理模块(24)，其输入端与所述接收模块(23)的输出端连接，接收由接收模块(23)发送过来的土体体波波速数字接收信号，经迭代、滤波和相位纠正处理成土体体波波速检测结果信号发送到储存器；
包括储存器(28)，其输入端与所述信号处理模块(24)的输出端连接，接收由信号处理模块(24)发过来的土体体波波速检测结果信号并存储，同时发送到显示模块；
包括显示模块(29)，其输入端与所述储存器(28)的输出端连接，接收由储存器(28)发送过来的土体体波波速检测结果信号并显示；
所述的PXI控制器(2)中：
包括函数发生器模块(4)，其输入端与所述数采系统(1)中激发模块(22)的输出端连接，接收由激发模块(22)发过来的土体体波信号数字激励信号的指令，按照设定的迭代次数和时间间隔自动定时不间断地生成激励控制信号，并将激励控制信号发送给存储模块，并同时经D/A转换器(5)发送给所述驱动模块的功率放大器(8)；
包括存储模块(3)，其输出端与所述数采系统(1)中接收模块(23)的输入端连接，其输入端分别与函数发生器模块(4)和所述驱动模块(6)的电荷放大器(7)连接，接收由函数发生器模块(4)发过来的激励控制信号，同时接收由所述驱动模块(6)的电荷放大器(7)发过来的土体体波波速数字接收信号，再将激励控制信号和土体体波波速电数字接收信号一起发送到所述数采系统(1)的接收模块(23)；
所述的驱动模块(6)：
包括功率放大器(8)，其输入端与所述PXI控制器(2)的函数发生器模块(4)经D/A转换器(5)连接，其输出端经多路模拟开关(9)分别与模型箱(10)中安装的各个激发压电元件(11)连接，对来自函数发生器模块(4)的激励控制信号进行电压放大后发送到多路模拟开关(9)，通过多路模拟开关(9)控制各个激发压电元件(11)的工作(打开或者关闭)；
包括电荷放大器(7)，其输入端分别与模型箱(10)中安装的各个接收压电元件(12)连接，其输出端经A/D转换器与存储模块(3)连接，对来自接收压电元件(12)采集接收获得的模拟电信号进行电荷放大后发送到存储模块(3)；
所述的多路模拟开关(9)切换控制各个激发压电元件(11)对应的输入通道实现激发压电元件(11)的工作开闭；
所述激发压电元件(11)接收多路模拟开关(9)的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件(12)采集沿模型箱(10)中土体传播后的机械振动转化为模拟电信号。
3.根据权利要求2所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述的信号处理模块(24)中；
包括快速迭代模块(26)，其输入端与接收模块(23)的输出端连接，将接收压电元件采集接收到的土体体波波速数字接收信号进行信号迭代处理后获得各个激发压电元件(11)各自对应的一个波速信号，并发送到数字滤波器(25)；
包括数字滤波器(25)，其输入端与快速迭代模块(26)的输出端连接，接收由快速迭代模块(26)处理后发过来的波速信号进行滤波后发送到相位纠正模块(27)，滤掉信号中由于外界环境干扰振动产生的随机波信号；
包括相位纠正模块(27)，其输入端与数字滤波器(25)的输出端连接，接收由数字滤波器(25)发过来的波速信号后进行信号相位纠正处理，对电荷放大器(7)中高通滤波电路引起的波形相位失真进行修正，然后发送到储存器(28)。
4.根据权利要求1所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述的PXI控制器(2)、驱动模块(6)和多路模拟开关(9)均置于离心机舱室内离心机转轴处的平台上，与安装模型箱的吊篮绕离心机中心轴同步旋转。
5.根据权利要求1所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述激发压电元件(11)和接收压电元件(12)具有多对，分别埋放在模型箱(10)中土体内的不同深度。
6.根据权利要求1所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述的模型箱(10)内对称的两侧各设有一个固定架(13)，固定架(13)底部固定在模型箱(10)的底板上，两个固定架(13)相对的侧面设有竖直的条形凹槽，条形凹槽两侧的槽壁均开有竖直的滑动通槽；
压电元件(18)通过夹板组件安装在模型箱(10)的固定架(13)上，夹板组件包括两块夹板(19)和两块带外伸螺栓的铝板(20)，两块夹板(19)相对布置安装，并且在两块夹板(19)的相对接触端面均开有夹紧槽，压电元件(18)夹装在两块夹板(19)的夹紧槽之间；两块夹板(19)的外端面被两块带外伸螺栓的铝板(20)用紧固螺钉夹紧固定；
夹板组件的中间主体部分置于固定架(13)的条形凹槽中，铝板(20)带有的螺栓穿设于固定架(13)的滑动通槽中并伸出后连接螺母(14)，通过螺母(14)松紧来调整夹板组件沿滑槽内上下移动位置和固定，使得夹板组件在固定架(13)上的安装高度确定后通过螺母紧固将夹板组件固定在固定架(13)上，从而使得夹板组件被夹装的压电元件固定。
7.根据权利要求6所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置，其特征在于：所述的压电元件(18)为激发压电元件(11)或者接收压电元件(12)，激发压电元件(11)和接收压电元件(12)结构相同。
8.应用于权利要求3所述装置的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试方法，其特征在于方法包括：
1)根据模型箱尺寸和压电元件特性确定测量模型箱(10)中所安装的激发压电元件(11)和接收压电元件(12)之间的距离以及压电元件(11、12)尺寸，根据波速测试深度位置要求将压电元件(11、12)固定安装在固定架(13)上，然后将固定架(13)按照距离固定于模型箱(10)的底板上；
2)将模型土料按照试验要求的土体初始物理状态填入模型箱(10)内，然后将模型箱(10)安装在离心机(31)的吊篮(30)；
3)在离心机的主控室内打开数采系统进行测试；
4)测试过程中实时监测土体体波波速测试结果，针对激励信号和其对应的接收信号，根据激励信号的波形起跳点时刻和接收信号的波形起跳点时刻之间的时间差值，波形起跳点是信号波形图中第一个最大波形的左端点，接着用模型箱(10)中激发压电元件(11)和接收压电元件(12)之间的距离除以时刻差值得到土体体波波速，获得土体体波波速测试结果。
9.根据权利要求8所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：
激发模块(22)自动定时不间断地发出土体体波激励信号，激励信号(22)发送到函数发生器模块(4)，控制函数发生器模块(4)按照土体体波激励信号中预定的波形、频率和振幅激励产生土体体波波速数字激励信号，土体体波波速数字激励信号发送接收模块(23)，土体体波波速数字激励信号依次经D/A转换器(5)数模转换、所述功率放大器(8)电压放大后发送到多路模拟开关(9)，由多路模拟开关(9)发出控制信号切换控制各个激发压电元件(11)的工作开闭；激发压电元件(11)接收多路模拟开关(9)的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件(12)采集沿模型箱(10)中土体传播后的机械振动转化为模拟检测信号；模拟检测信号依次经电荷放大器(7)电荷放大、A/D转换器模数转换后形成土体体波波速数字接收信号并发送到存储模块(3)存储，由存储模块(3)将测试的土体体波波速数字激励信号和土体体波波速数字接收信号一起经接收模块(23)发送到快速迭代模块(26)，快速迭代模块(26)中将土体体波波速数字激励信号和同一接收压电元件多次接收的土体体波波速数字接收信号叠加后发送到数字滤波器(25)进行滤波处理，滤波后的信号发送到相位纠正模块(27)，相位纠正模块(27)对接收信号相位纠正处理，获得最终接收信号；
实验中控制各个激发压电元件(11)依次打开工作；每个激发压电元件(11)工作时，激发压电元件(11)由间隔连续脉冲的激励信号控制发出机械振动，所有各个激发压电元件(11)均打开同时采集接收信号，针对每个接收压电元件(12)所采集到的所有信号通过快速迭代模块(26)叠加形成一个接收信号，快速迭代模块(26)中也将土体体波波速数字激励信号中各个脉冲波形叠加形成一个激励信号。
10.根据权利要求8所述的一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试方法，其特征在于：所述的相位纠正模块(27)具体采用以下过程处理：
先根据以下公式计算获得电荷放大器(7)中高通滤波电路的传递函数导致的相位差：
上式中，表示数字滤波器引起的相位扭曲角，作为相位差；表示数字滤波器传递函数；表示传递函数的虚部；表示传递函数的实部；ω0表示角频率；ωn表示滤波器对应傅里叶变换的第n阶频率；
再利用傅里叶变换把时域信号变换到频域，然后在频域内根据以下公式利用相位差对频域信号进行修正，修正后再转换回时域：
上式中：相位修正之后的频域信号，表示数字滤波器引起的相位扭曲角，作为相位差；表示经过数字滤波器滤波之后的频域信号；表示经过数字滤波器滤波之后信号的相位角；表示经过相位修正之后的信号，i表示复数。
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