CN112649510A - 一种叠加式三分量超声换能器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种叠加式三分量超声换能器及其测试方法,该叠加式三分量超声换能器包括包括压头换能器,所述压头换能器包括压头壳体以及位于所述压头壳体内的晶片组、第一导线;其中:所述晶片组由依次叠放在一起的第一横波晶片、绝缘体、第二横波晶片以及纵波晶片组成,所述第一横波晶片固定在所述压头壳体上;所述第一导线与所述第二横波晶片、纵波晶片以及所述压头壳体电性相连;本发明能够更加有效、快捷地采集更多的声波信号,通过与传统单分量超声换能器对比,压力加、卸载等方面分析这种超声换能器的精度,该精度满足地岩石物理测试。
Description
技术领域
本发明属于石物理测试领域,具体涉及一种叠加式三分量超声换能器及其测试方法。
背景技术
岩石弹性模量测试有静态法和动态法。静态法是对岩样施加较大载荷的作用力,测量加载过程中岩石的应力应变,根据胡克定律可得到静态弹性模量;动态法是利用超声波透射法,测量声波的纵横波速度,通过弹性理论得到动态弹性模量。前者的测试精度主要由引伸计(位移传感器)决定,常见的引伸计可分为接触式与非接触式两类,它们各自存在不同的优点和缺点,针对不同的试验要求和使用环境来使用;后者的测试精度比较复杂,除了与探头(超声传感器)有关外,还与探头的大小、排列位置,线路的连接方式有很大的关系。
超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置,由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件,是动态法测试的主要工具,它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少的一部分功率。由声发射源发出的信号到达换能器表面时,一般可分解成一垂直方向的纵向振动和一水平方向的切变振动,其中切变振动还可进一步分解成偏振面相互垂直的两个切变振动。
在动态法弹性模量测试中,不仅需要精确测定材料中的纵波声速,而且要精确测定两个偏振面相互垂直的横波的速度。采用多个换能器进行测试,很难保证测试位置和藕合条件相同,从而影响了测试精度。
岩石介质超声波测试技术是近年来发展起来的一种超声波透射法的新技术,它通过测定超声波穿透岩石或岩体后声波信号的声学参数超声波波速、衰减系数、波形、频率、频谱、振幅等的变化,间接地了解岩石或岩体的物理力学特性及结构特征。与静力学方法相比,超声波测试技术具有简便、快捷、可靠、经济及无破损等特点。
目前,不同生产厂家都会有自己探头制作的标准和要求,测试的超声波信号也各不相同。不少岩石超声测试系统是研究人员根据自己研究工作的需要而设计的,没有统一的标准,没有测试精度影响因素分析,不能满足当前高精度的岩石弹性模量测试。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述,或者可从该描述显而易见,或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题,本发明提供一种叠加式三分量超声换能器,包括压头换能器,所述压头换能器包括压头壳体以及位于所述压头壳体内的晶片组、第一导线;其中:
所述晶片组由依次叠放在一起的第一横波晶片、绝缘体、第二横波晶片以及纵波晶片组成,所述第一横波晶片固定在所述压头壳体上;
所述第一导线与所述第二横波晶片、纵波晶片以及所述压头壳体电性相连。
可选地,所述压头换能器包括三根第二导线,所述三根第二导线的一端分别与所述第一横波晶片、第二横波晶片以及纵波晶片相连,另一端从所述压头壳体穿出。
可选地,所述第一横波晶片、第二横波晶片的偏振方向相互垂直。
可选地,所述压头换能器包括重背衬阻尼,设置在所述纵波晶片上。
可选地,所述压头壳体包括用于固定所述晶片组的固定座及与所述固定座连接的盖体。
可选地,所述盖体具有用于容纳所述晶片组的容纳腔。
可选地,所述第一横波晶片固定在所述盖体上。
可选地,所述叠加式三分量超声换能器包括试样盛放腔体以及分别位于所述试样盛放腔体的两端的两个所述压头换能器。
本发明提供采用上述叠加式三分量超声换能器的测试方法,包括:
(1)、确定对零时间;
(2)、将样品放置样品于试样盛放腔体;
(3)、打开信号发生器,并在示波器上分别接收纵横波通过样品的信号;
(4)、根据示波器信号分别读取不同纵横波时间,扣除对零时间,即得到准确的样品纵横波时间。
可选地,所述确定对零时间包括:将位于试样盛放腔体的两端的两个压头换能器直接接触,计算在无样品时,超声波通过这套三分量超声换能器需要的时间,记为对零时间。
本发明提供叠加式三分量超声换能器及其测试方法,能够更加有效、快捷地采集更多的声波信号,通过与传统单分量超声换能器对比,压力加、卸载等方面分析这种超声换能器的精度,该精度满足地岩石物理测试。
附图说明
图1为本发明实施例提供的叠加式三分量超声换能器的示意图;
图2A-2B为本发明实施例提供的上(下)压头换能器的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的叠加式三分量超声换能器的内部结构示意图;
图4为不同压力下P波对零时间;
图5A-5D为不同压力下S1波对零时间;
图6A-6D为不同压力下S2波对零时间;
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
如图1至图3所示,本发明提供一种叠加式三分量超声换能器,包括试样盛放腔体50以及位于试样盛放腔体50的两端的两个压头换能器10。
压头换能器10包括压头壳体11以及位于压头壳体11内的晶片组20、第一导线31;其中:
压头壳体11包括用于固定晶片组的固定座12及与固定座12连接的盖体14。固定座12与盖体通过螺纹相连。盖体具有用于容纳晶片组20的容纳腔。
晶片组13由依次叠放在一起的第一横波晶片21、绝缘体22、第二横波晶片23以及纵波晶片24组成,且第一横波晶片、第二横波晶片的偏振方向相互垂直。绝缘体的设置可以使第一横波晶片21、第二横波晶片单独激发。由于横波辨识本来就比较难,因此本实施例中,将第一横波晶片与第二横波晶片放在上面(即靠近固定座12的位置),降低晶片本身带来的影响,纵波辨识比较容易,因此将纵波晶片放置在最后,即使前面有两个横波晶片,对纵波拾取也不带来问题。
本实施例中,第一横波晶片21、绝缘体22、第二横波晶片23以及纵波晶片24同轴设置。第一横波晶片21固定在压头壳体11上,更具体地,第一横波晶片21可以通过粘贴固定在固定座12上。所述第一横波晶片21、绝缘体22、第二横波晶片23以及纵波晶片24之间也通过粘贴固定在一起。
本发明采用两块偏振方向相互垂直的第一横波晶片21和第二横波晶23片与一块纵波晶片24叠加,使之能同时发射或接受两个方向的横波和一个纵波,这样排列的好处是超声波穿过样品的位置是一致的,减少因为探头放置产生的设备误差。
第一导线31与第二横波晶片23、纵波晶片24以及压头壳体11中的固定座12电性相连;第一导线31是第二横波晶片23的下端和纵波晶片24上端的共同端引出的导线,同时在第一导线31引出压头壳体的时候,又与压头壳体中的固定座连接,而固定座与第一横波晶片的上端接触,所以第一导线线实际上是连接着第一横波晶片21、第二横波晶片23、纵波晶片24一端的导线。
压头换能器包括三根第二导线32、33、34,三根第二导线32、33、34的一端分别与第一横波晶片21、第二横波晶片23以及纵波晶片24相连,另一端从压头壳体穿出。更具体地,压头壳体中的盖体上设有供第二导线32、33、34穿出的通孔16。
众所周知,每一个晶片激发需要两根导线,一端正极,一端负极,本发明第一横波晶片的一端接触压头壳体中的固定座,另一端引出第二导线32,这样激发第一横波晶片只要连接第一导线31和第二导线32;激发第二横波晶片只要连接第一导线31和第二导线33;激发纵波晶片只要连接第一导线31和第二导线34。可见,当给不同的第二导线激发电压时,可以激发不同晶片,产生不同波。本发明4条导线就解决了3个晶片的激发问题,减少了导线的数量。
本实施例中,压头换能器10包括重背衬阻尼25,重背衬阻尼25与晶片组同轴设置,重背衬阻尼25固定在纵波晶片24上。重背衬阻尼25上设有斜面26,不同的斜面角度会产生不一样的波形,通过对斜面角度的调整,可以找到清晰好辨识的波形图。安装时,重背衬阻尼可以直接粘在纵波晶片后面,通过调整重背衬阻尼角度,可以使波形尽量清晰好辨识。吸收向后传播的声能亦是减小反射脉冲的有效途径,能够更加有效、快捷地采集更多的声波信号,满足高精度地岩石物理测试。
由于三分量换能器为多次反射脉冲,给它的使用带来了不便。考虑到换能器的特性存在一定的感性区和容性区,因此可以在换能器的电端(即连接第一导线或第二导线的端面)串联或并联电感电容元件以改变其频率性和阻抗特性,从而达到改善其回波脉冲的目的。当然若晶片具有满足要求的频率和阻抗,此时可以不设置电感电容元件。
在超声波测速的场合,通常使用带延迟块的探头。由于延迟块的介入,使超声波传播的时间增加,进而会影响速度测量的准确性。此外,压头换能器的前部设有突出的耐高压部分13,超声波传播的时候也会经过这部分,即对于需要测试样品的超声时间来说会导致传播时间的延迟,因此该耐高压部分也叫做延迟块。此外,由于是三分量换能器,采用的是叠加的组合方式,所以,对于放置于后面的晶片,前面的晶片也可以看成是延迟块。
零点的时间的确定非常重要的。本实施例中,将位于试样盛放腔体50的两端的两个压头换能器10直接接触,目的是计算在无样品时,超声波通过这套三分量超声换能器需要的时间,即仪器的延迟时间(对零时间),在以后测试样品的总时间里都需要扣除对零时间,这样得到的就是准确的超声波通过样品的时间了。
在确定纵横波的对零时间时,为确保准确性,可以增加轴向压力,观察压力是否对零点时间有影响。
请参照图4,P波(纵向晶片)对零试验中,逐渐递增轴向压力0MPa、1MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、60MPa;如图5A至5D所示,S1波(第一横向晶片)对零试验中,逐渐递增轴向压力0MPa、20MPa、40MPa、60MPa;如图6A至6D示,S2波(第二横向晶片)对零试验中,逐渐递增轴向压力0MPa、20MPa、40MPa、60MPa。根据图4、5A至5D、6A至6D得出:纵横波的首波辨识还是很明显的,压力对零点的位置几乎没有影响。
采用本发明的叠加式三分量超声换能器进行测试时,包括步骤:
1,确定对零时间;
零点的时间的确定非常重要的。本实施例中,将位于试样盛放腔体的两端的两个压头换能器直接接触,目的是计算在无样品时,超声波通过这套三分量超声换能器需要的时间,即仪器的延迟时间(对零时间),在以后测试样品的总时间里都需要扣除对零时间,这样得到的就是准确的超声波通过样品的时间了。
2,打磨样品成圆柱形,直径与压头前部延迟块基本一致,长度一般不少于2倍直径;
3,放置样品之于上下压头换能器之间;
4,打开信号发生器,并在示波器上分别接收纵横波通过样品的信号;
5,根据示波器信号分别读取不同纵横波时间,扣除对零时间,即得到准确的样品纵横波时间。
为进一步验证本发明提供的叠加式三分量超声换能器的效果,现选择单分量超声探头与这种新型高精度的三分量超声换能器共同对标准试样铝、砂岩进行测试,观察超声通过样品的走时(表1),两种方式声波测试结果比较接近,误差基本都在1%内,可以认为,这种新型三分量超声换能器测试结果是可靠的。
表1校外超声波测试结果
Table 1External ultrasonic test results
用砂岩样品测试加载和卸载过程对测试精度的影响,样品尺寸采用直径25mm,高度50mm的圆柱体;围压的变化0MPa、5MPa、20MPa、80MPa、20MPa、5MPa、0MPa。
将测试的结果整理如下(表2)。由表得出:
1)随着围压的变化,纵横波走时都在变化,围压上升时,砂岩样品的纵横波速度增加;围压下降时,砂岩样品的纵横波速度减小。
2)围压上升和下降过程,相同压力状态下,数值不完全一样,有略微的差异,这是由于岩石的应力状态还没有完全恢复造成的,这样的结果反而是可靠的。
本发明提供的叠加式三分量超声换能器适用于高温高压环境,具有合理的精度标定,能够更加有效、快捷地采集更多的声波信号,通过与传统单分量超声换能器对比,压力加、卸载等方面分析这种超声换能器的精度,该精度满足地岩石物理测试。
本发明测试步骤简单,避免了常规单分量超声探头测试麻烦,能有效满足一次测试获取所有纵横波信号,解决了相同功能的三分量探头精度标定、晶片排列方式等问题。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式,对于本领域内的技术人员而言,在本发明公开了应用方法和原理的基础上,很容易做出各种类型的改进或变形,而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法,因此前面描述的方式只是优选的,而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种叠加式三分量超声换能器,其特征在于,包括压头换能器,所述压头换能器包括压头壳体以及位于所述压头壳体内的晶片组、第一导线;其中:
所述晶片组由依次叠放在一起的第一横波晶片、绝缘体、第二横波晶片以及纵波晶片组成,所述第一横波晶片固定在所述压头壳体上;
所述第一导线与所述第二横波晶片、纵波晶片以及所述压头壳体电性相连。
2.根据权利要求1所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述压头换能器包括三根第二导线,所述三根第二导线的一端分别与所述第一横波晶片、第二横波晶片以及纵波晶片相连,另一端从所述压头壳体穿出。
3.根据权利要求1所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述第一横波晶片、第二横波晶片的偏振方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述压头换能器包括重背衬阻尼,设置在所述纵波晶片上。
5.根据权利要求1所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述压头壳体包括用于固定所述晶片组的固定座及与所述固定座连接的盖体。
6.根据权利要求5所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述盖体具有用于容纳所述晶片组的容纳腔。
7.根据权利要求5所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述第一横波晶片固定在所述盖体上。
8.根据权利要求1至7任一所述叠加式三分量超声换能器,其特征在于,所述叠加式三分量超声换能器包括试样盛放腔体以及分别位于所述试样盛放腔体的两端的两个所述压头换能器。
9.采用如权利要求8所述叠加式三分量超声换能器的测试方法,包括:
(1)、确定对零时间;
(2)、将样品放置样品于试样盛放腔体;
(3)、打开信号发生器,并在示波器上分别接收纵横波通过样品的信号;
(4)、根据示波器信号分别读取不同纵横波时间,扣除对零时间,即得到准确的样品纵横波时间。
10.根据权利要求9所述的叠加式三分量超声换能器的测试方法,其特征在于,所述确定对零时间包括:将位于试样盛放腔体的两端的两个压头换能器直接接触,计算在无样品时,超声波通过这套三分量超声换能器需要的时间,记为对零时间。
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