CN108802195B - 测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法，该装置的交流信号发生器与功率放大器电连接，功率放大器与半波整流模块电连接，波速测试仪分别与第一传感器和第二传感器电连接；第一传感器和第二传感器固定设置在待测岩芯试样上；稳态激振器包括硅钢片框架、电磁线圈、振动头和平衡质量块；硅钢片框架固定在待测岩芯试样端面上，电磁线圈固定在硅钢片框架内，振动头与硅钢片框架的一端通过弹性部件连接；平衡质量块位于硅钢片框架的另一端，且与振动头通过连接杆固定连接；电磁线圈与半波整流模块电连接。该装置能够在待测岩芯试样激振出水平向振动，以横波方式沿岩芯轴线传播，通过第一传感器和第二传感器接收并发送至波速测试仪，计算出横波波速，结构简单、成本低、测量准确。

Description

测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，更具体地说，是涉及一种测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法。
背景技术
弹性波(主要为纵波和横波)在岩体中的传播速度由岩石的岩性、裂隙发育程度、岩石风化程度和岩石弹性模量等因素决定，是岩体一项重要的物理参数，能反映岩体的工程力学性质。工程中，从工程现场采集岩芯试样，然后在室内测量岩芯试样的弹性波速度已经成为本领域工程技术人员的常常使用的一项技术手段。
目前，实验室一般通过声波透射法测量岩芯试样的弹性波速，该方法利用布置在岩芯试样两端的压电陶瓷声波换能器和声波仪测量岩样纵波速度。利用同样的声波透射法测量横波速度时，所使用的声波换能器对压电陶瓷元器件有特殊的要求，加工起来有较高难度，同时由于在测量时横波并非最先到达的首波，测量时难以消除纵波的影响，根据测试波形判断横波初至时间有一定的误差，根据初至时间计算的横波速度亦存在一定误差。因此，采用声波透射法对岩石芯样进行横波速度测量时，需要对压电陶瓷声波换能器的元器件进行改进，且存在加工难度大，横波测量误差较大，测量效果难以保证的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法，以解决现有技术中采用声波透射法对横波速度进行测量时，存在需要对压电陶瓷声波换能器的元器件进行改进，且该加工难度大，测量误差较大，测量效果难以保证的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种测量岩芯试样横波速度的试验装置，包括：交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、稳态激振器、第一传感器和第二传感器；
所述交流信号发生器与所述功率放大器电连接，所述功率放大器与所述半波整流模块电连接，所述波速测试仪分别与所述第一传感器和所述第二传感器电连接；所述第一传感器和所述第二传感器固定设置在所述待测岩芯试样上；
所述稳态激振器包括硅钢片框架、电磁线圈、振动头和平衡质量块；所述硅钢片框架通过底座固定在所述待测岩芯试样端面上，所述电磁线圈固定在所述硅钢片框架内，所述振动头与所述硅钢片框架的一端通过弹性部件连接；所述平衡质量块位于所述硅钢片框架的另一端，且与所述振动头通过连接杆固定连接；所述电磁线圈与所述半波整流模块电连接。
进一步地，所述交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪设置在一台仪器中。
进一步地，所述待测岩芯试样为圆柱型，所述稳态激振器固定在所述待测岩芯试样的顶部端面上。
进一步地，所述稳态激振器的重心位于圆柱型待测岩芯试样的中心轴线上。
进一步地，所述第一传感器和所述第二传感器之间的间距大于100毫米。
进一步地，所述弹性部件为橡胶弹簧或金属弹簧。
进一步地，所述电磁线圈为漆包线电磁线圈。
第二方面，本发明实施例提供一种采用上述的测量岩芯试样横波速度的试验装置测量岩芯试样横波速度的方法，包括：
信号发生器生成交流信号，并发送所述交流信号到所述功率放大器；
所述功率放大器对所述交流信号进行放大处理，并发送放大后的交流信号到所述半波整流模块；
所述半波整流模块对放大后的交流信号进行半波整流处理，并发送半波整流处理后的交流信号到所述电磁线圈；
所述电磁线圈和所述硅钢片框架组成的电磁铁在所述半波整流处理后的交流信号作用下产生周期性变化的磁场；
所述振动头和所述平衡质量块在所述周期性变化的磁场和所述弹性部件的作用下周期性的往复运动形成水平向振动，激振所述待测岩芯试样产生横波；
所述第一传感器实时接收横波生成第一横波信号，所述第二传感器实时接收横波生成第二横波信号；
当稳态激振器工作稳定后，所述波速测试仪器记录第一横波信号和第二横波信号，并根据所述第一横波信号和所述第二横波信号，计算得到横波速度。
进一步地，所述波速测试仪器根据所述第一横波信号和第二横波信号，计算得到横波速度的计算过程为：
所述交流信号发生器为所述电磁线圈提供第一交流信号，所述第一交流信号激振频率为f1，第一横波信号和第二横波信号的相位差为
Figure BDA0001688829950000031
n为横波在第一传感器和第二传感器之间传播经历的周期数，则横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为：
Figure BDA0001688829950000032
交流信号发生器为所述激振器提供第二交流信号，所述第二交流信号激振频率为f2，第一横波信号和第二横波信号的相位差为
Figure BDA0001688829950000033
则横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为
Figure BDA0001688829950000034
根据公式(1)和(2)，得到
Figure BDA0001688829950000035
将公式(3)代入公式
Figure BDA0001688829950000036
得到
Figure BDA0001688829950000041
式中，L为第一传感器和第二传感器的距离。
本发明提供的测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明实施例的测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法，其中装置包括交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、稳态激振器、第一传感器和第二传感器，交流信号发生器与功率放大器电连接，功率放大器与半波整流模块电连接，波速测试仪分别与稳态激振器、第一传感器和第二传感器电连接；第一传感器和第二传感器固定设置在待测岩芯试样上；稳态激振器包括硅钢片框架、电磁线圈、振动头和平衡质量块；硅钢片框架通过底座固定在待测岩芯试样端面上，电磁线圈固定在硅钢片框架内，振动头与硅钢片框架的一端通过弹性部件连接；平衡质量块位于述硅钢片框架的另一端，且与振动头通过连接杆固定连接；电磁线圈与半波整流模块电连接，稳态激振器在半波整流模块输出的半波交流信号的作用下，能够在待测岩芯试样激振出横波，通过第一传感器和第二传感器发送至波速测试仪计算出横波波速，结构简单、成本低、测量准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的测量岩芯试样横波速度的试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的稳态激振器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的半波交流信号的示意图；
图4为本发明实施例提供的测量岩芯试样横波速度的方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的第一横波信号和第二横波信号的曲线图示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1和图2，现对本发明实施例提供的测量岩芯试样横波速度的试验装置进行说明。所述测量岩芯试样横波速度的试验装置，包括：交流信号发生器10、功率放大器20、半波整流模块30、波速测试仪40、稳态激振器50、第一传感器60和第二传感器70。
其中，交流信号发生器10与功率放大器20电连接，功率放大器20与半波整流模块30电连接，波速测试仪40分别与第一传感器60和第二传感器70电连接；第一传感器60和第二传感器70固定设置在待测岩芯试样80上。
其中，稳态激振器50包括硅钢片框架51、电磁线圈52、振动头53和平衡质量块54。硅钢片框架51通过底座56固定在待测岩芯试样80端面上，电磁线圈52固定在硅钢片框架51内，振动头53与硅钢片框架51的一端通过弹性部件57连接，弹性部件57对振动头53起到支撑、导向和限位的作用。平衡质量块54位于硅钢片框架51的另一端，且与振动头53通过连接杆55固定连接，平衡质量块54的作用有两个，一是与振动头53联结为一体，增加振动头53的重量，以匹配由硅钢片框架51和电磁线圈52构成的电磁铁的质量，使振动头在与由硅钢片框架51和电磁线圈52构成的电磁铁相互作用时，电磁铁的振幅尽量大；二是抵消振动头的重力在振动头53与由硅钢片框架51和电磁线圈52构成的电磁铁贴合面产生的力矩，使振动头53与由硅钢片框架51和电磁线圈52构成的电磁铁相互作用时，两部分的振动方向均保持水平，对待测岩芯试样80产生水平向剪切力。电磁线圈52与半波整流模块30电连接。
在本实施例中，交流信号发生器10可以提供不同频率的交流信号。功率放大器20用于对交流信号发生器10提供的交流信号进行放大处理。半波整流模块30用于对交流信号半波整流处理，整流后的半波交流信号参见图3。波速测试仪40为弹性波波速测试仪。振动头53可以是软磁材料制作的。
由于待测岩芯试样80测试时要求振动频率较高、需要传感器具有较宽的频带，因此所述第一传感器60和第二传感器70均为体积小、质量轻、灵敏度高、测量频带宽的压电式加速度传感器。测试之前，第一传感器60和第二传感器70用粘合剂(例如环氧树脂类)粘贴固定在待测岩芯试样80侧面上。
硅钢片框架51通过底座56固定在待测岩芯试样80端面上，底座56与待测岩芯试样80通过粘合剂(例如环氧树脂类)粘贴固定在待测岩芯试样80上。
从上述描述可知，本发明实施例提供的试验装置，电磁线圈与半波整流模块电连接，稳态激振器在半波整流模块输出的半波交流信号的作用下，能够在待测岩芯试样激振出横波，通过第一传感器和第二传感器测量振动信号，发送至波速测试仪计算出横波波速，结构简单、成本低、测量准确。
进一步地，参考图1和图2，所述交流信号发生器10、功率放大器20、半波整流模块30和波速测试仪40设置在一台仪器90中，可以方便测量所述岩芯试样横波速度的试验装置的运输和安装，提高测试效率。
进一步地，参考图1和图2，所述待测岩芯试样80为圆柱型，稳态激振器50固定在待测岩芯试样80的顶部端面上。优选地，所述稳态激振器50的重心位于圆柱型待测岩芯试样80的中心轴线上。通过将稳态激振器固定在待测岩芯试样的顶部端面，且其重心位于圆柱型待测岩芯试样的中心轴线上，能够使得待测岩芯试样振动稳定、振幅较大，提高测试的精度。
进一步地，参考图1和图2，所述第一传感器60和第二传感器70之间的间距大于100毫米，防止距离过小，测试误差较大。
进一步地，参考图1和图2，所述弹性部件57为橡胶弹簧或金属弹簧。
进一步地，参考图1和图2，所述电磁线圈52为漆包线电磁线圈。
请参阅图4，现对本发明实施例提供的采用上述的测量岩芯试样横波速度的试验装置测量岩芯试样横波速度的方法进行说明。本实施例的方法详述如下：
S301：信号发生器生成交流信号，并发送交流信号到功率放大器。
在本实施例中，通过调整交流信号发生器向激振器提供的交流电的频率，使得激振器以不同的频率激振待测岩芯试样，根据得到的多个频率的振动信号，选择波形较好信号对应的交流信号的频率，以保证测试的效果。
S302：功率放大器对交流信号进行放大处理，并发送放大后的交流信号到半波整流模块。
S303：半波整流模块对放大后的交流信号进行半波整流处理，并发送半波整流处理后的交流信号到电磁线圈。
在本实施例中，半波整流模块30用于对交流信号半波整流处理，整流后的半波交流信号参见图3。
S304：电磁线圈和硅钢片框架组成的电磁铁在半波整流处理后的交流信号作用下产生周期性变化的磁场。
在本实施例中，电磁线圈和硅钢片框架组成电磁铁，在半波整流处理后的交流信号作用下电磁铁产生在一个周期中，半个周期磁性大小周期性变化、半个周期为零的磁场。
S305：振动头和平衡质量块在上述周期性变化的磁场和弹性部件的作用下周期性的往复运动形成水平向振动，激振待测岩芯试样产生横波。
在本实施例中，振动头为软磁材料制作，振动头和平衡质量块整体联结，在周期性变化的磁场作用下，产生周期性变化的振动。
S306：第一传感器实时接收横波生成第一横波信号，第二传感器实时接收横波生成第二横波信号。
S307：当稳态激振器工作稳定后，波速测试仪器记录第一横波信号和第二横波信号，并根据第一横波信号和第二横波信号，计算得到横波速度。
从上述描述可知，电磁线圈与半波整流模块电连接，稳态激振器在半波整流模块输出的半波交流信号和弹性部件共同作用下，能够在待测岩芯试样中激振出横波，通过第一传感器和第二传感器发送至波速测试仪计算出横波波速，结构简单、成本低、测量准确。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S307具体如下：
所述交流信号发生器为所述电磁线圈提供第一交流信号，所述第一交流信号激振频率为f1，第一横波信号和第二横波信号的相位差为
Figure BDA0001688829950000081
n为横波在第一传感器和第二传感器之间传播经历的周期数，则横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为：
Figure BDA0001688829950000082
交流信号发生器为所述激振器提供第二交流信号，其中第二交流信号与第一交流信号的相位差控制在以
Figure BDA0001688829950000083
内，所述第二交流信号激振频率为f2，第一横波信号和第二横波信号的相位差为
Figure BDA0001688829950000084
则横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为
Figure BDA0001688829950000091
根据公式(1)和(2)，得到
Figure BDA0001688829950000092
将公式(3)代入公式
Figure BDA0001688829950000093
得到
Figure BDA0001688829950000094
式中，L为第一传感器和第二传感器的距离。
在本实施例中，通过交流信号发生器改变交流信号的频率，进行扫频测试，搜寻待测岩芯试样的共振频率，能够保证在待测岩芯试样的共振区进行测试，振动幅度较大，提高第一传感器和第二传感器接收到的第一横波信号和第二横波信号的信噪比。
需要说明的是：为了保证计算的在第一传感器和第二传感器之间传播经历的周期数n的准确，第一交流信号与第二交流信号的相位差的变化不能超过一个周期，否则，n就是不定值。因此，第一交流信号的激振频率f1和第二交流信号的激振频率f2的选择应该合适，使第一横波信号和第二横波信号的相位差
Figure BDA0001688829950000095
和
Figure BDA0001688829950000096
的变化范围为
Figure BDA0001688829950000097
这样既能保证测试的准确，还能保证相位差易于识别。
在本发明的一个实施例中，参考图5，图5为本发明实施例提供的第一横波信号和第二横波信号的曲线示意图。第一传感器和第二传感器根据接收到待测岩芯试样的横波生成的横波信号如图5所示，由于横波由稳态激振器激发后向下传播，首先到达第一传感器，在经过Δt时间到达第二传感器，因此波速测试仪每一次采样时，第二传感器采到的横波波形是第一传感器Δt之前的横波波形，横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间可以用下式表示为：
Figure BDA0001688829950000098
式中，T1为交流信号激发的激振周期，t1为第一传感器接收到某一横波信号的时间，t2为第二传感器接收到同一横波信号的时间。
其中，第一横波信号和第二横波信号的相位差为：
Figure BDA0001688829950000101
式中，t2、t3为第一横波信号和第二横波信号相邻波峰或波谷的时间差。
公式(2)和
Figure BDA0001688829950000102
的计算过程，与公式(5)和(6)的原理相同，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，包括交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、稳态激振器、第一传感器和第二传感器；
所述交流信号发生器与所述功率放大器电连接，所述功率放大器与所述半波整流模块电连接，所述波速测试仪分别与所述第一传感器和所述第二传感器电连接；所述第一传感器和所述第二传感器固定设置在待测岩芯试样上；
所述稳态激振器包括硅钢片框架、电磁线圈、振动头和平衡质量块；所述硅钢片框架通过底座固定在所述待测岩芯试样端面上，所述电磁线圈固定在所述硅钢片框架内，所述振动头与所述硅钢片框架的一端通过弹性部件连接；所述平衡质量块位于所述硅钢片框架的另一端，且与所述振动头通过连接杆固定连接；所述电磁线圈与所述半波整流模块电连接；
其中，所述稳态激振器激振所述待测岩芯试样产生横波，所述第一传感器实时接收横波生成第一横波信号，所述第二传感器实时接收横波生成第二横波信号；当所述稳态激振器工作稳定后，所述波速测试仪器记录第一横波信号和第二横波信号，并根据所述第一横波信号和所述第二横波信号，计算得到横波速度。
2.如权利要求1所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所述交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪设置在一台仪器中。
3.如权利要求1所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所述待测岩芯试样为圆柱型，所述稳态激振器固定在所述待测岩芯试样的顶部端面上。
4.如权利要求3所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所述稳态激振器的重心位于圆柱型待测岩芯试样的中心轴线上。
5.如权利要求1所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器之间的间距大于100毫米。
6.如权利要求1所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所述弹性部件为橡胶弹簧或金属弹簧。
7.如权利要求5所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所述电磁线圈为漆包线电磁线圈。
8.如权利要求1至7任一项所述的测量岩芯试样横波速度的试验装置，其特征在于，所有的电连接均为通过多芯屏蔽电缆连接。
9.一种采用权利要求1的测量岩芯试样横波速度的试验装置测量岩芯试样横波速度的方法，其特征在于，包括：
信号发生器生成交流信号，并发送所述交流信号到所述功率放大器；
所述功率放大器对所述交流信号进行放大处理，并发送放大后的交流信号到所述半波整流模块；
所述半波整流模块对放大后的交流信号进行半波整流处理，并发送半波整流处理后的交流信号到所述电磁线圈；
所述电磁线圈和所述硅钢片框架组成的电磁铁在所述半波整流处理后的交流信号作用下产生周期性变化的磁场；
所述振动头和所述平衡质量块在所述周期性变化的磁场和所述弹性部件的作用下周期性的往复运动形成振动，激振所述待测岩芯试样产生横波；
所述第一传感器实时接收横波生成第一横波信号，所述第二传感器实时接收横波生成第二横波信号；
当所述稳态激振器工作稳定后，所述波速测试仪器记录第一横波信号和第二横波信号，并根据所述第一横波信号和所述第二横波信号，计算得到横波速度。
10.如权利要求9所述的测量岩芯试样横波速度的方法，其特征在于，所述波速测试仪器根据所述第一横波信号和第二横波信号，计算得到横波速度的计算过程为：
所述交流信号发生器为所述电磁线圈提供第一交流信号，所述第一交流信号激振频率为f1，第一横波信号和第二横波信号的相位差为
Figure FDA0002605980670000031
n为横波在第一传感器和第二传感器之间传播经历的周期数，则横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为：
Figure FDA0002605980670000032
交流信号发生器为所述激振器提供第二交流信号，其中第二交流信号与第一交流信号的相位差控制在以
Figure FDA0002605980670000033
内，所述第二交流信号激振频率为f2，第一横波信号和第二横波信号的相位差为
Figure FDA0002605980670000034
则横波在第一传感器和第二传感器之间的传播时间为
Figure FDA0002605980670000035
根据公式(1)和(2)，得到
Figure FDA0002605980670000036
将公式(3)代入公式
Figure FDA0002605980670000037
得到
Figure FDA0002605980670000038
式中，L为第一传感器和第二传感器的距离。
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