CN112986390A - 基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法 - Google Patents

基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于声波干耦合的岩石全应力‑应变损伤监测系统及方法，属于岩体工程监测技术领域。该监测系统包括小尺寸干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板，该方法首先在岩石全应力‑应变试验前，在测试岩石外表面或钻孔内布置干耦合点接触式声波换能器，然后通过超声波脉冲发射控制和自适应调频规避岩石声发射频率段，再标定试样超声波波速，设置采样间隔时间，同步获取多位置多频波形数据，最后对超声波接收波形小波去噪后，进行波形初至时间辨别。本发明实现了岩石全应力‑应变试验过程损伤不均衡发展的全方位检测，实现了各阶段优势频率超声波的传输以及全方位、多方式的岩石损伤程度判别。

Description

基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法
技术领域
本发明涉及岩体工程监测技术领域，特别是指一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法。
背景技术
地下工程失稳问题是岩石、岩体损伤量累加发展至临界点而导致整体结构丧失承载稳定性的过程。针对岩石损伤的探测和监测技术和方法的研究是解决岩石破坏强度与岩石稳定性的基础。岩石全应力-应变试验对于了解岩石变形、局部破坏到整体破坏全过程特征，深入认识工程岩体变形破坏机制，指导岩体工程设计和施工具有重要作用。因此，基于岩石损伤机理，开展岩石全应力-应变过程损伤探测、监测研究，判别岩石损伤程度对减轻岩石工程具有重要现实意义。
目前，岩石、岩体损伤探测采用超声波测试技术，而损伤监测采用声发射相关技术。虽然均需接收弹性波信号，但波速测量和声发射测量在传感器接触方式、尺寸大小和响应频率上存在区别，试验测试上仍为各自独立系统。中科院杨春和团队发明了一种岩石声波、声发射同步测量的方法及装置，实现岩石试样力学加载过程的声波、声发射同步测量(公开号：CN103954690A)。但其无法应用在岩石试样曲率表面测量，不能对岩石试样全场损伤进行监测，具有单一轴向波速损伤监测的局限性。同时该技术属于超声波和声发射测量系统分离、信号处理系统整合的设计模式，对于声波及声发射信号的区别，通过剔除超声发射的时间段内的声发射信号以获得岩石裂隙自身产生的声发射信号，无特定频率设定功能造成信号区分无法实时化。岩石各个部位损伤扩展速度不一致，单一换能器无法实现对岩石损伤发展的整体监测和分析，需要在试验中建立损伤监测的网络实现对试样整体损伤信息的获取。声发射监测属于被动接收式监测手段，采用涂抹耦合剂的声发射大尺寸接触面换能器对岩石破坏过程中裂隙萌生产生的弹性波信号进行监测。目前声发射试验中需要至少4个换能器进行测试。岩石试验中空间有限，因此传统大尺寸接触面的声发射、声波测试和常规应变测试同时安装在岩石侧壁基本无法实现。声发射算法采用岩石均质性假设，试验中无法对声发射路径上岩石局部损伤进行判别，会造成信号分析误差，目前岩石测损技术多基于固定频率工作，但不同岩性岩石对不同频率的超声波敏感度不同，信号强度受岩性影响较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法。
该系统包括干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板，干耦合点接触式声波换能器分为干耦合点接触式声波发射换能器和干耦合点接触式声波接收换能器，干耦合点接触式声波发射换能器和干耦合点接触式声波接收换能器分别设置在岩石试样外表面或岩石试样的钻孔内，数字化型多功能集成电路板连接数字示波器和干耦合点接触式声波发射换能器，数字示波器连接干耦合点接触式声波接收换能器，岩石试样置于岩石力学试验设备中。
其中，干耦合点接触式声波换能器包括球形保护头、PZT压电陶瓷、绝缘卡环、螺纹压板、信号输出端和吸波缓冲材料，干耦合点接触式声波换能器整体为L型结构，PZT压电陶瓷嵌于吸波缓冲材料中，PZT压电陶瓷露出的端部上设置球形保护头，PZT压电陶瓷嵌入吸波缓冲材料的一端通过绝缘卡环固定，且连接信号输出端，信号输出端通过螺纹压板固定。
吸波缓冲材料采用导热硅胶，导热系数＞2w/(m·k)，使用温度范围-50～100℃，声阻抗15×106～18×106kg/m2·s。
干耦合点接触式声波发射换能器为一个，干耦合点接触式声波接收换能器不少于两个。
该方法首先在岩石全应力-应变试验前，在测试岩石外表面或钻孔内布置小尺寸干耦合点接触式声波换能器，采用多向波速监测布置换能器检测网络，形成岩石损伤三维检测网络；然后采用多频脉冲调试进行试样滤波试验，调节脉冲发射或声发射监测工作频率，再标定试样超声波波速，设置采样间隔时间，同步获取多位置多频波形数据，作为岩石超声监测时，根据时域图起跳点位置，提取声波接收换能器的波形初至时间，结合声波发射换能器到对应声波接收换能器的距离，计算发射换能器与对应接收换能器区域岩石的超声波波速，进而基于超声发射换能器与各个接收换能器之间的波速值，提供岩石试样不均衡损伤的全方位监测数据。
具体包括步骤如下：
(1)将声波收发一体化小尺寸干耦合点接触声波换能器按一发多收形式布置在被测岩石表面或钻孔内，采用多向波速监测布置换能器监测网络，形成岩石损伤三维监测网络；
(2)采用多频脉冲调试进行试样滤波试验，调节脉冲发射或声发射监测工作频率；
(3)岩石超声监测时，根据时域图起跳点位置，提取干耦合点接触式声波接收换能器的波形初至时间，结合干耦合点接触式声波发射换能器到对应干耦合点接触式声波接收换能器的距离，计算干耦合点接触式声波发射换能器与对应干耦合点接触式声波接收换能器区域岩石的超声波波速，进而基于干耦合点接触式声波发射换能器与各个干耦合点接触式声波接收换能器之间的波速值，提供岩石试样不均衡损伤的全方位监测数据。
其中，步骤(1)中小尺寸干耦合点接触声波换能器工作时，实时设置超声波发射脉冲频率，超声波频率设置范围10KHz-260KHz。
岩石全应力-应变试验加载前进行岩石试样声波衰减标定测试，针对岩石全应力-应变试验中的多形态多尺寸岩石试样，设置超声波频率避开岩石自身的声发射频率频段，试验后通过对接收波形幅频特性的自动辨析，实现超声波与声发射信号同步识别。
干耦合点接触式声波发射换能器与干耦合点接触式声波接收换能器(5)适应曲率K≤0.06mm-1的工作面；干耦合点接触式声波发射换能器与干耦合点接触式声波接收换能器布置距离范围1-20cm，按照单个换能器发射超声波、多个换能器同时接收超声波的形式布置。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、干耦合点接触式声波换能器，集成了超声波发射、接收及声发射波形接收的功能，且工作时无需耦合剂，直接与被测材料相接触，干耦合声波换能器本质是振荡换能器表面和测试表面的声接触区大小与声波的长度相距甚小，前端和测试件近似点接触，此时没有耦合剂也并可保证信号传递强度，不会因耦合剂污染测试表面，消除了传统声波换能器因耦合剂溢漏造成信号丢失的影响。吸波缓冲材料采用导热硅胶，有助于PZT在振动过程中的快速散热，提高设备的长效工作时间。在换能器尺寸上，远小于传统声波换能器，相对于传统的大尺寸平面声波换能器，干点接触式换能器可适合多种曲率岩石表面，另外小尺寸点接触式换能器对于室内的小尺寸试件，可准确界定波的传播距离，进而提高波速值及损伤量化的准确度。
2、数字化型声波多功能集成电路板集成驱动电路、放大电路、滤波电路及声波工作频率设置功能，针对岩石全应力-应变试验中的多形态多尺度岩石试样的不均衡损伤发展，超声波及声发射耦合监测时，通过对数字化型声波多功能集成电路板的ADC.uvprojx程序更改，设置适合不同岩性的优势工作频率，减小信号传输衰减影响，同时规避岩石自身声发射频段，提高超声波及声发射信号判别准确度。进而，实现对接收波形通过频幅分离实现超声波与声发射信号同步识别，实现对岩石全应力-应变过程多方式的损伤监测。
3、本方法采用单一发射换能器和多个接收换能器相结合的设计方式，发射、接收换能器布置距离范围1-20cm，既可布置于岩石多种曲率外表面，也可布置于最小直径3cm钻孔中，实现收发一体化小尺寸干耦合点接触声波换能器按一发多收形式布置在被测岩石表面或钻孔内，采用多向波速监测布置换能器监测网络，实现对岩石全应力-应变过程全方位损伤监测。
4、本方法对超声波接收波形采用小波去噪算法，去除噪声信号，重构接收波形信号。进而提高了基于波速监测的岩石损伤计量精度。对于滤波降噪，通过对原始含噪信号经过小波分解，得到小波系数，再经过阈值处理，得到新的小波系数估计值，再经过小波重构，得到去噪后的信号。小波去噪的过程关键在于分解层数的选取。理论上，分解层数越大，噪声与信号展现的特性区别越大，更利于区分信号与噪声，但是分解层数太大时，也会影响重构信号的保真度。根据信号类型以及信噪比的不同，一般小波去噪中，分解层数取3至5层，且硬阈值去噪的效果要优于软阈值去噪的效果。本发明采取选择db8小波、分解层数4、Heursure规则、阈值调整策略“mln”及硬阈值处理方法，去噪后噪声得到有效压制，信号曲线变得更为平直光滑，接收波形起跳点位置更易辨别。
附图说明
图1为本发明监测系统示意图；
图2为本发明系统中小尺寸干耦合点接触式声波换能器剖面图；
图3为本发明示波器接收波形滤波前后对比图，其中，(a)为原始接收信号波形，(b)为滤波后接收信号波形；
图4为本发明岩石全应力-应变过程单发双收超声波速监测图。
其中，1-数字化型声波多功能集成电路板，2-数字示波器，3-岩石试样，4-干耦合点接触式声波发射换能器，5-干耦合点接触式声波接收换能器，6-岩石力学试验设备，7-球形保护头，8-PZT压电陶瓷，9-绝缘卡环，10-螺纹压板，11-信号输出端，12-吸波缓冲材料。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法。
如图1所示，为本发明的监测系统示意图，包括干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板1，干耦合点接触式声波换能器分为干耦合点接触式声波发射换能器4和干耦合点接触式声波接收换能器5，干耦合点接触式声波发射换能器4和干耦合点接触式声波接收换能器5分别设置在岩石试样3外表面或岩石试样3的钻孔内，数字化型多功能集成电路板1连接数字示波器2和干耦合点接触式声波发射换能器4，数字示波器2连接干耦合点接触式声波接收换能器5，岩石试样3置于岩石力学试验设备6中。
如图2所示，干耦合点接触式声波换能器包括球形保护头7、PZT压电陶瓷8、绝缘卡环9、螺纹压板10、信号输出端11和吸波缓冲材料12，干耦合点接触式声波换能器整体为L型结构，PZT压电陶瓷8嵌于吸波缓冲材料12中，PZT压电陶瓷8露出的端部上设置球形保护头7，PZT压电陶瓷8嵌入吸波缓冲材料12的一端通过绝缘卡环9固定，且连接信号输出端11，信号输出端11通过螺纹压板10固定。
该方法首先在岩石全应力-应变试验前，在测试岩石外表面或钻孔内布置小尺寸干耦合点接触式声波换能器，采用多向波速监测布置换能器检测网络，形成岩石损伤三维检测网络；然后采用多频脉冲调试进行试样滤波试验，调节脉冲发射或声发射监测工作频率，再标定试样超声波波速，设置采样间隔时间，同步获取多位置多频波形数据，作为岩石超声监测时，根据时域图起跳点位置，提取声波接收换能器的波形初至时间，结合声波发射换能器到对应声波接收换能器的距离，计算发射换能器与对应接收换能器区域岩石的超声波波速，进而基于超声发射换能器与各个接收换能器之间的波速值，提供岩石试样不均衡损伤的全方位监测数据。
具体设计中，干耦合点接触式声波换能器如图2所示，内置PZT压电陶瓷8，压电陶瓷8前端为球形保护头7，保护压电陶瓷的同时也参与了与曲率工作面的贴合程度，换能器内部还包括固定PZT压电陶瓷8横向位置的绝缘卡环9，减少内部声波信号的吸波缓冲材料12、信号输出端11及螺纹压板10。作为声波接收换能器时，压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，机械能转化为电能，可有效感应弹性波的变化，即正压电效应。反之作为超声波发射时，换能器连接至数字化型声波多功能集成电路板，通过电信号驱动振元，电能转化为机械能，产生逆压电效应。故通过功能设置，既可作为声波主动发射、接收声波传感器，也可作为声发射被动只接收波形传感器。当设置为超声波监测功能时，将所述小尺寸干耦合点接触式声波换能器连接至数字化型声波多功能集成电路板作为超声波发射换能器，将其他所述小尺寸干耦合点接触式声波换能器连接示波器作为超声波接收换能器。当设置为声发射监测功能时，只将所述小尺寸干耦合点接触式声波换能器连接示波器。所述小尺寸干耦合点接触式声波换能器工作时不需耦合剂，其本质是振荡换能器表面与测试表面的声接触区大小比超声波长小很多倍,前端和测试件近似点接触，保证了信号传输强度，同时点接触岩石表面，可适应多种曲率岩石测试表面。
数字化型声波多功能集成电路板主要由电源电路、驱动电路、信号放大电路和滤波电路组成，该电路板可实现波速数据的长期监测存储，拓展了其在不同工作环境的应用性。激励电压模块产生100V脉冲波，通过控制系统为压电陶瓷提供激励信号，矩形脉冲宽度0.5-10μs。由于不同材质对超声波信号的衰减系数不同，有别于金属测损的高频超声波，岩石类试样适用低频超声波，设备工作频率可实时设置为10KHz-260KHz。设置DC/DC隔离电源模块将发射电路与接收电路在电源上隔离，减少接收信号中的干扰信号。通过所述数字化型声波多功能集成电路板，实现超声波脉冲发射控制。岩石超声波监测时，设置超声波工作频率，声发射监测功能时，关闭发射脉冲，超声波及声发射同时监测时，根据岩性设置超声波工作频率，避开岩石自身的声发射频率。
小尺寸干耦合点接触式声波发射、接收换能器可灵活布置，发射、接收换能器布置距离范围1-20cm，既可以布置于岩石多种曲率外表面，也可布置于最小直径3cm钻孔中，适应多种曲率(曲率K≤0.06mm-1)工作面的监测网点布置，针对岩石全应力-应变试验中的的多形态多尺度岩石试样，实现复杂形态岩石不均衡损伤发展监测网络布置。
接收波形最大采样率10GSa/s，波形监测采样间隔最短1s。结合小波去噪算法去除噪声信号，采取选择db8小波、分解层数4、Heursure规则、阈值调整策略“mln”及硬阈值处理方法。对去噪后的波形，针对每个声波接收换能器，提取接收波形初始起跳点时间，也即获得初至波形到达时间，结合发射换能器到对应接收换能器的距离，计算发射换能器与对应接收换能器之间区域岩石的声波波速，波速采集范围1000-9999m/s，满足岩石材料超声波速范围监测需求。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
作为超声波单一监测功能时，试验开始前，将数字化型声波多功能集成电路板1与PC连接，根据测损需求，通过对数字化型声波多功能集成电路板的ADC.uvprojx程序更改，可实时设置不同岩性的优势超声波发射脉冲工作频率，调频范围10—260KHz。再将干耦合点接触式声波发射换能器4与数字化型声波多功能集成电路板1连接，数量N个的干耦合点接触式声波接收换能器5分别与数字化型示波器2连接，数字化型声波多功能集成电路板1与数字示波器2连接,数字示波器2与PC机连接，设置岩石损伤监测过程数字示波器2的波形采样间隔时间。数字示波器2接收发射脉冲波形，并传输至PC机。
作为声发射单一监测功能时，试验开始前，需将干耦合点接触式声波接收换能器5与数字示波器2连接，无需连接数字化型声波多功能集成电路板1，试验前需进行断铅试验，以检测设备是否可以正常接收波形信号。
作为超声波及声发射耦合监测时，试验开始前，设备连接方式与超声监测及声发射单一监测时相同，还需根据不同岩性设置超声波发射脉冲工作频率，频率设置范围10-260KHz，以区别岩石自身的声发射频率。数字示波器2与PC机连接。再将干耦合点接触式声波发射换能器4与干耦合点接触式声波接收换能器5多位置立体布置，箍紧于测试岩石3表面，干耦合点接触式声波接收换能器5可同时接收超声波及声发射波形，进而实现岩石波速及声发射三维监测网设置。而后根据试验需要，将岩石试样安装轴向、环向引伸计，作为岩石全应力-应变加载试验过程的应变测量设备。而后，将岩石试样3安置于不同的岩石力学试验设备6中，并将轴向、环向引伸计与岩石力学试验设备6连接，以实时记录应变数据，应力数据由岩石力学试验设备6加载系统实时记录。
超声监测在试验前，需开启超声发射换能器，通过对各小尺寸干耦合点接触式声波5采取小波去噪算法，选择db8小波、分解层数4、Heursure规则、阈值调整策略“mln”及硬阈值处理方法，去噪前后接收波形如图3所示，对同一接收探头接收的多次发射脉冲对应的接收波形，分别提取接收波形起跳点时间取平均值，标定完整各向异性岩石试样第i个接收换能器对应位置的初始波速为V0i(i≤N)。
启动声波监测系统及力学加载系统，岩石试样受力加载开始，通过岩石力学试验设备6记录岩石试样轴向、环向应变及应力数据，通过数字示波器2将干耦合点接触式声波发射换能器4发射波形及干耦合点接触式声波接收换能器5接收的多通道波形数据传输至PC机中。
待岩石全应力-应变试验结束，也即声波监测过程结束。单一声发射监测功能时，对于声发射监测功能，被动接收岩石裂隙萌生发展自身产生的弹性波，裂隙发育程度正相关于波形幅值及波形个数，结合岩石试样全应力-应变时间轴，分析岩石试样全应力-应变过程岩石损伤演化情况。单一超声波监测功能时，通过PC机对存储的多通道超声波波形数据进行小波去噪处理，有效去除对监测结果干扰的噪声信号。小波去噪算法，选择db8小波、分解层数4、Heursure规则、阈值调整策略“mln”及硬阈值处理方法，去噪前后接收波形如图3所示，提取岩石全应力-应变过程多通道超声波初至波形到达不同位置干耦合点接触式声波接收换能器5的对应初至点时间，结合干耦合点接触式声波发射换能器4与位置不同的干耦合点接触式声波接收换能器5对应距离，获取岩石全应力-应变过程岩石试样的波速三维监测网数据Vi，岩石试样全应力-应变过程超声波双接收探头(CH1、CH2)接收的波速值与应力应变曲线如图4所示。根据波速数值变化表征岩石全应力-应变损伤演化过程，Di1(Vi/V0i)2式中，Di-声波发射换能器至第i个接收换能器区域岩石损伤量，Vi-损伤岩石声波发射换能器至第i个接收换能器区域的波速值，V0i-完整岩石声波发射换能器至第i个接收换能器区域的波速值。声发射及超声波耦合监测功能，需通过对接收波形进行傅里叶变换，基于幅频特性，以声发射及超声波各自所属频段范围加以区分，而后对声发射及超声波的数据处理与各自单一功能工作时相同，进而实现对全应力-应变过程岩石试样的不均衡损伤发展的全方位、多方式的损伤程度判别。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：包括干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板(1)，干耦合点接触式声波换能器分为干耦合点接触式声波发射换能器(4)和干耦合点接触式声波接收换能器(5)，干耦合点接触式声波发射换能器(4)和干耦合点接触式声波接收换能器(5)分别设置在岩石试样(3)外表面或岩石试样(3)的钻孔内，数字化型多功能集成电路板(1)连接数字示波器(2)和干耦合点接触式声波发射换能器(4)，数字示波器(2)连接干耦合点接触式声波接收换能器(5)，岩石试样(3)置于岩石力学试验设备(6)中。
2.根据权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：所述干耦合点接触式声波换能器包括球形保护头(7)、PZT压电陶瓷(8)、绝缘卡环(9)、螺纹压板(10)、信号输出端(11)和吸波缓冲材料(12)，干耦合点接触式声波换能器整体为L型结构，PZT压电陶瓷(8)嵌于吸波缓冲材料(12)中，PZT压电陶瓷(8)露出的端部上设置球形保护头(7)，PZT压电陶瓷(8)嵌入吸波缓冲材料(12)的一端通过绝缘卡环(9)固定，且连接信号输出端(11)，信号输出端(11)通过螺纹压板(10)固定。
3.根据权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：所述吸波缓冲材料(12)采用导热硅胶，导热系数＞2w/(m·k)，使用温度范围-50～100℃，声阻抗15×106～18×106kg/m2·s。
4.根据权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：所述干耦合点接触式声波发射换能器(4)为一个，干耦合点接触式声波接收换能器(5)不少于两个。
5.应用权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：将干耦合点接触声波换能器按一发多收形式布置在被测岩石试样表面或钻孔内，采用多向波速监测布置换能器监测网络，形成岩石损伤三维监测网络；
S2：采用多频脉冲调试进行试样滤波试验，调节脉冲发射或声发射监测工作频率；
S3：岩石试样超声监测时，根据时域图起跳点位置，提取干耦合点接触式声波接收换能器(5)的波形初至时间，结合干耦合点接触式声波发射换能器(4)到对应干耦合点接触式声波接收换能器(5)的距离，计算干耦合点接触式声波发射换能器(4)与对应干耦合点接触式声波接收换能器(5)区域岩石试样的超声波波速，进而基于干耦合点接触式声波发射换能器(4)与各个干耦合点接触式声波接收换能器(5)之间的波速值，提供岩石试样不均衡损伤的全方位监测数据。
6.根据权利要求5所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测方法，其特征在于：所述S1中干耦合点接触声波换能器工作时，实时设置超声波发射脉冲频率，超声波频率设置范围为10KHz-260KHz。
7.根据权利要求5所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测方法，其特征在于：所述岩石试样在加载前进行声波衰减标定测试，针对岩石全应力-应变试验中的多形态多尺寸岩石试样，设置超声波频率避开岩石自身的声发射频率频段，试验后通过对接收波形幅频特性的自动辨析，实现超声波与声发射信号同步识别。
8.根据权利要求5所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测方法，其特征在于：所述干耦合点接触式声波发射换能器(4)与干耦合点接触式声波接收换能器(5)适应曲率K≤0.06mm-1的工作面,布置距离范围1-20cm。
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