CN114061810B - 一种三维应力波传播监测装置及方法 - Google Patents

一种三维应力波传播监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维应力波传播监测装置及方法，该装置包括若干阵元、若干绝缘阵列外壳和若干控制器。阵列绝缘外壳设有N×N个圆形通孔和相对应的N×N个阵元。阵元包括未极化压电陶瓷元件、金属磁场屏蔽管Ⅰ、极化压电陶瓷元件和金属磁场屏蔽管Ⅱ。金属磁场屏蔽管Ⅰ内安装未极化压电陶瓷元件形成振动激发装置。金属磁场屏蔽管Ⅱ内安装极化压电陶瓷元件形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ通过缓冲弹簧与金属质量块连接。压电陶瓷元件与集成电路板连接，集成电路板与控制器连接。本发明装置可探测不同材料工程设施中应力波的传播规律与特性，探究应力波传播叠加可能对岩体扰动损伤的位置，对于工程设计避免应力波叠加造成损伤有着积极作用。

Description

一种三维应力波传播监测装置及方法
技术领域
本发明涉及岩土技术领域，具体涉及一种三维应力波传播监测装置及方法。
背景技术
工程扰动在工程生产中非常常见，在多场扰动的情况下应力传播在危险区易出现应力集中，从而引发灾害。因此研究应力波在不同介质以及复杂情况下的传播特性有着重大意义。而目前对于应力波的研究主要集中在二维应力波的传递，缺少对三维应力波的研究；同时应力波的研究局限于以点的变化来概括整体的变化情况。因此需要开发一种三维应力波传播监测装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维应力波传播监测装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种三维应力波传播监测装置，包括若干阵元、若干阵列绝缘外壳和若干控制器。
所述阵列绝缘外壳为具有两个正方形侧板的长方体结构，其中一个正方形侧板记为侧板Ⅰ，侧板Ⅰ上开设有呈矩阵分布的N×N个圆形通孔，侧板Ⅰ的内壁安装有N×N个阵元，N×N个阵元分别与N×N个圆形通孔相对应。
所述阵元包括绝缘外壳以及位于绝缘外壳内的未极化压电陶瓷元件、金属磁场屏蔽管Ⅰ、绝缘垫片、极化压电陶瓷元件、缓冲弹簧和金属磁场屏蔽管Ⅱ。
所述绝缘外壳为固定在侧板Ⅰ内壁上的长方体结构，绝缘外壳相对的两块侧板分别记为侧板Ⅱ和侧板Ⅲ，侧板Ⅱ与侧板Ⅰ连接。
所述金属磁场屏蔽管Ⅰ内安装未极化压电陶瓷元件并填充有硅胶形成振动激发装置，金属磁场屏蔽管Ⅰ与绝缘外壳的侧板Ⅲ连接，绝缘垫片与金属磁场屏蔽管Ⅰ连接。
所述金属磁场屏蔽管Ⅱ内安装极化压电陶瓷元件并填充有硅胶形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ与绝缘垫片连接，若干缓冲弹簧连接在金属磁场屏蔽管Ⅱ上。
若干所述缓冲弹簧与金属质量块连接，金属质量块穿过绝缘外壳的侧板Ⅱ和对应的圆形通孔。
同一所述阵列绝缘外壳内的若干未极化压电陶瓷元件和若干极化压电陶瓷元件均通过屏蔽导线与同一集成电路板连接，集成电路板与控制器连接，若干控制器分别安装到对应的阵列绝缘外壳内并均与上位机连接。
试验时，选取尺寸与所述侧板Ⅰ一致的正方体试样，将六个阵列绝缘外壳的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样的六个面上，正方体试样相对两面所连接的阵列绝缘外壳内的阵元两两对应，每个金属质量块与正方体试样接触。根据试验要求，各个所述控制器开启并调节对应阵列绝缘外壳内指定绝缘外壳内的振动激发装置，正方体试样一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样传播至相对面，相对面上对应的金属质量块振动，金属质量块通过缓冲弹簧将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号。
进一步，所述阵列绝缘外壳与正方体试样的连接方式为粘接或螺栓连接。
进一步，所述金属磁场屏蔽管Ⅰ与绝缘外壳的连接方式为粘接。
进一步，所述集成电路板固定在对应阵列绝缘外壳的内壁上，该内壁与侧板Ⅰ相对。
一种三维应力波传播监测方法，基于上述的监测装置，包括以下步骤：
1)制作所述正方体试样。
2)将六个所述阵列绝缘外壳的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样的六个面上。其中，所述正方体试样的六个面分别记为A、B、C、D、E和F，A与B相对，C与D相对，E和F相对。
3)根据试验要求，各个所述控制器开启并调节对应阵列绝缘外壳内指定绝缘外壳内的振动激发装置，正方体试样一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样传播至相对面，相对面上对应的金属质量块振动，金属质量块通过缓冲弹簧将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号，通过控制不同位置的振动激发装置，以及对不同位置振动激发装置的组合能出模拟三维的复杂应力状态，同时得到在XYZ三个方向上的应力变化曲线。
进一步，步骤1)中所述正方体试样根据待研究地质条件制成。
本发明的有益效果在于：
1.本发明装置对于探究应力波在不同材料中的传播有非常好的效果，能够得到各种均质材料中应力波的传播规律，使得到的应力波传播规律适用于多种材料。
2.本发明能够探究试样内部存在缺陷的试样，应力波在其中的传播发射与叠加规律，对实际工程中存在缺陷岩体的应力波传播发射叠加起到参考价值；
3.本发明可以探究不同材料分界面位置应力的传播发射规律，对复杂岩层或复杂材料岩土设施中应力波传播分析有非常好的价值。
附图说明
图1为本发明装置试验过程的示意图；
图2为绝缘阵列外壳上若干圆形通孔的分布图；
图3为阵元的示意图。
图中：阵元1、未极化压电陶瓷元件2、硅胶3、绝缘外壳4、金属磁场屏蔽管Ⅰ5、绝缘垫片6、极化压电陶瓷元件7、缓冲弹簧8、金属质量块9、屏蔽导线10、阵列绝缘外壳11、圆形通孔1101、控制器12、金属磁场屏蔽管Ⅱ13和正方体试样14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种三维应力波传播监测装置，包括若干阵元1、若干阵列绝缘外壳11和若干控制器12。
所述阵列绝缘外壳11为具有两个正方形侧板的长方体结构，其中一个正方形侧板记为侧板Ⅰ，侧板Ⅰ上开设有呈矩阵分布的N×N个圆形通孔1101，参见图2，在本实施例中，N取10，侧板Ⅰ的内壁安装有N×N个阵元1，N×N个阵元1分别与N×N个圆形通孔1101相对应图2中虚线方框即为一个阵元1的安装位置。从图2中看出，本实施例将侧板Ⅰ的一个边长方向记为行，相邻边长方向记为列，则10×10个阵元1排列成A1-A10列以及B1-B10行。
参见图3，所述阵元1包括绝缘外壳4以及位于绝缘外壳4内的未极化压电陶瓷元件2、金属磁场屏蔽管Ⅰ5、绝缘垫片6、极化压电陶瓷元件7、缓冲弹簧8和金属磁场屏蔽管Ⅱ13。
所述绝缘外壳4为固定在侧板Ⅰ内壁上的长方体结构，绝缘外壳4相对的两块侧板分别记为侧板Ⅱ和侧板Ⅲ，侧板Ⅱ与侧板Ⅰ连接。
所述金属磁场屏蔽管Ⅰ5内安装未极化压电陶瓷元件2并填充有硅胶3形成振动激发装置，金属磁场屏蔽管Ⅰ5与绝缘外壳4的侧板Ⅲ粘接，绝缘垫片6与金属磁场屏蔽管Ⅰ5连接。
所述金属磁场屏蔽管Ⅱ13内安装极化压电陶瓷元件7并填充有硅胶3形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ13与绝缘垫片6连接，若干缓冲弹簧8连接在金属磁场屏蔽管Ⅱ13上。
若干所述缓冲弹簧8与金属质量块9连接，金属质量块9穿过绝缘外壳4和对应的圆形通孔1101。
同一所述阵列绝缘外壳11内的若干未极化压电陶瓷元件2和若干极化压电陶瓷元件7均通过屏蔽导线10与同一集成电路板连接，集成电路板固定在对应阵列绝缘外壳11的内壁上并与控制器12连接，若干控制器12分别安装到对应的阵列绝缘外壳11内并均与上位机连接。所述集成电路板可避免密集的点施压装置和圆面测压器线路产生线路缠绕、混杂。
参见图1，试验时，选取尺寸与所述侧板Ⅰ一致的正方体试样14，将六个阵列绝缘外壳11的侧板Ⅰ采用粘接或螺栓连接分别固定在正方体试样14的六个面上，正方体试样14相对两面所连接的阵列绝缘外壳11内的阵元1两两对应，每个金属质量块9与正方体试样14接触，在将所有阵列绝缘外壳11固定在正方体试样14后，内部有应力的产生，需进行调零处理。之后根据试验要求，各个所述控制器12开启并调节对应阵列绝缘外壳11内指定绝缘外壳4内的振动激发装置，正方体试样14一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样14传播至相对面，相对面上对应的金属质量块9振动，金属质量块9通过缓冲弹簧8将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号。
为准确说明本实施例所述装置的实验原理，本实施例将所述正方体试样14的六个面分别记为A、B、C、D、E和F，A与B相对，C与D相对，E和F相对，控制器12控制局部区域的电场变化，例如控制A-A1-B1处所对应阵元1的电路电场，则能开启A-A1-B1所对应位置处的振动激发装置，产生振动，发出应力波，应力波在正方体试样14中传播，到达B-A1-B1，则能引起相应位置上位移的改变，位移的改变通过振动传感装置转化为电信号输出，则能得到相应位置上位移的改变。通过对位移进行二次求导能得到相应位置上加速度的改变，再乘上阵元振动单元的质量，能得到相应位置力的变化。通过控制不同位置的振动激发装置，以及对不同位置振动激发装置的组合能出模拟三维的复杂应力状态，同时得到在XYZ三个方向上边界面上应力的变化曲线。
值得说明的是，本实施例中所述振动传感装置的原理为：经过极化的压电陶瓷元件两端会出现被束缚的电荷，在电极表面会吸附一层来自外界的自由电荷，当给压电陶瓷施加外力时，压电陶瓷元件两端会出现放电或充电现象，此为压电陶瓷的正压电效应。
所述振动激发装置的原理为：当电压作用于压电陶瓷时，未经极化的压电陶瓷可以在外电场作用下发生转变，因此给压电陶瓷加上外电场时，压电陶瓷会有变形，此为压电陶瓷的逆压电效应。
基于上述装置，可探测不同材料工程设施中应力波的传播规律与特性，探究应力波传播叠加可能对岩体扰动损伤的位置，对于工程设计避免应力波叠加造成损伤有着积极作用。
实施例2：
本实施例公开了一种三维应力波传播监测方法，基于实施例1所述的监测装置，包括以下步骤：
1)制作所述正方体试样14。所述正方体试样14根据待研究地质条件制成，不仅局限于标准正方形试样，还可以制备带孔正方形试样，预制裂隙正方形试样，分层多组分正方形试样等不同工程实际中的模拟试样，以研究复杂地质条件下的三维应力波传播规律。
2)将六个所述阵列绝缘外壳11的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样14的六个面上，固定方式为螺栓连接或直接粘接，试样更换便利。其中，所述正方体试样14的六个面分别记为A、B、C、D、E和F，A与B相对，C与D相对，E和F相对。
3)根据试验要求，各个所述控制器12开启并调节对应阵列绝缘外壳11内指定绝缘外壳4内的振动激发装置，正方体试样14一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样14传播至相对面，相对面上对应的金属质量块9振动，金属质量块9通过缓冲弹簧8将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号，通过控制不同位置的振动激发装置，以及对不同位置振动激发装置的组合能出模拟三维的复杂应力状态，同时得到在XYZ三个方向上的应力变化曲线。
实施例3：
本实施例公开了一种三维应力波传播监测装置，其特征在于：包括若干阵元1、若干阵列绝缘外壳11和若干控制器12。
所述阵列绝缘外壳11为具有两个正方形侧板的长方体结构，其中一个正方形侧板记为侧板Ⅰ，侧板Ⅰ上开设有呈矩阵分布的N×N个圆形通孔1101，侧板Ⅰ的内壁安装有N×N个阵元1，N×N个阵元1分别与N×N个圆形通孔1101相对应。
所述阵元1包括绝缘外壳4以及位于绝缘外壳4内的未极化压电陶瓷元件2、金属磁场屏蔽管Ⅰ5、绝缘垫片6、极化压电陶瓷元件7、缓冲弹簧8和金属磁场屏蔽管Ⅱ13。
所述绝缘外壳4为固定在侧板Ⅰ内壁上的长方体结构，绝缘外壳4相对的两块侧板分别记为侧板Ⅱ和侧板Ⅲ，侧板Ⅱ与侧板Ⅰ连接。
所述金属磁场屏蔽管Ⅰ5内安装未极化压电陶瓷元件2并填充有硅胶3形成振动激发装置，金属磁场屏蔽管Ⅰ5与绝缘外壳4的侧板Ⅲ连接，绝缘垫片6与金属磁场屏蔽管Ⅰ5连接。
所述金属磁场屏蔽管Ⅱ13内安装极化压电陶瓷元件7并填充有硅胶3形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ13与绝缘垫片6连接，若干缓冲弹簧8连接在金属磁场屏蔽管Ⅱ13上。
若干所述缓冲弹簧8与金属质量块9连接，金属质量块9穿过绝缘外壳4的侧板Ⅱ和对应的圆形通孔1101。
同一所述阵列绝缘外壳11内的若干未极化压电陶瓷元件2和若干极化压电陶瓷元件7均通过屏蔽导线10与同一集成电路板连接，集成电路板与控制器12连接，若干控制器12分别安装到对应的阵列绝缘外壳11内并均与上位机连接。
试验时，选取尺寸与所述侧板Ⅰ一致的正方体试样14，将六个阵列绝缘外壳11的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样14的六个面上，正方体试样14相对两面所连接的阵列绝缘外壳11内的阵元1两两对应，每个金属质量块9与正方体试样14接触。根据试验要求，各个所述控制器12开启并调节对应阵列绝缘外壳11内指定绝缘外壳4内的振动激发装置，正方体试样14一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样14传播至相对面，相对面上对应的金属质量块9振动，金属质量块9通过缓冲弹簧8将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述阵列绝缘外壳11与正方体试样14的连接方式为粘接或螺栓连接。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述金属磁场屏蔽管Ⅰ5与绝缘外壳4的连接方式为粘接。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述集成电路板固定在对应阵列绝缘外壳11的内壁上。

Claims (6)

1.一种三维应力波传播监测装置，其特征在于：包括若干阵元(1)、若干阵列绝缘外壳(11)和若干控制器(12)；
所述阵列绝缘外壳(11)为具有两个正方形侧板的长方体结构，其中一个正方形侧板记为侧板Ⅰ，侧板Ⅰ上开设有呈矩阵分布的N×N个圆形通孔(1101)，侧板Ⅰ的内壁安装有N×N个阵元(1)，N×N个阵元(1)分别与N×N个圆形通孔(1101)相对应；
所述阵元(1)包括绝缘外壳(4)以及位于绝缘外壳(4)内的未极化压电陶瓷元件(2)、金属磁场屏蔽管Ⅰ(5)、绝缘垫片(6)、极化压电陶瓷元件(7)、缓冲弹簧(8)和金属磁场屏蔽管Ⅱ(13)；
所述绝缘外壳(4)为固定在侧板Ⅰ内壁上的长方体结构，绝缘外壳(4)相对的两块侧板分别记为侧板Ⅱ和侧板Ⅲ，侧板Ⅱ与侧板Ⅰ连接；
所述金属磁场屏蔽管Ⅰ(5)内安装未极化压电陶瓷元件(2)并填充硅胶(3)形成振动激发装置，金属磁场屏蔽管Ⅰ(5)与绝缘外壳(4)的侧板Ⅲ连接，绝缘垫片(6)与金属磁场屏蔽管Ⅰ(5)连接；
所述金属磁场屏蔽管Ⅱ(13)内安装极化压电陶瓷元件(7)并填充硅胶(3)形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ(13)与绝缘垫片(6)连接，若干缓冲弹簧(8)连接在金属磁场屏蔽管Ⅱ(13)上；
若干所述缓冲弹簧(8)与金属质量块(9)连接，金属质量块(9)穿过绝缘外壳(4)的侧板Ⅱ和对应的圆形通孔(1101)；
同一所述阵列绝缘外壳(11)内的若干未极化压电陶瓷元件(2)和若干极化压电陶瓷元件(7)均通过屏蔽导线(10)与同一集成电路板连接，集成电路板与控制器(12)连接，若干控制器(12)分别安装到对应的阵列绝缘外壳(11)内并均与上位机连接；
试验时，选取尺寸与所述侧板Ⅰ一致的正方体试样(14)，将六个阵列绝缘外壳(11)的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样(14)的六个面上，正方体试样(14)相对两面所连接的阵列绝缘外壳(11)内的阵元(1)两两对应，每个金属质量块(9)与正方体试样(14)接触；根据试验要求，各个所述控制器(12)开启并调节对应阵列绝缘外壳(11)内指定绝缘外壳(4)内的振动激发装置，正方体试样(14)一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样(14)传播至相对面，相对面上对应的金属质量块(9)振动，金属质量块(9)通过缓冲弹簧(8)将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种三维应力波传播监测装置，其特征在于：所述阵列绝缘外壳(11)与正方体试样(14)的连接方式为粘接或螺栓连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种三维应力波传播监测装置，其特征在于：所述金属磁场屏蔽管Ⅰ(5)与绝缘外壳(4)的连接方式为粘接。
4.根据权利要求1或3所述的一种三维应力波传播监测装置，其特征在于：所述集成电路板固定在对应阵列绝缘外壳(11)的内壁上，该内壁与侧板Ⅰ相对。
5.一种三维应力波传播监测方法，基于权利要求1～4任意一项所述的监测装置，其特征在于：包括以下步骤：
1)制作所述正方体试样(14)；
2)将六个所述阵列绝缘外壳(11)的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样(14)的六个面上；其中，所述正方体试样(14)的六个面分别记为A、B、C、D、E和F，A与B相对，C与D相对，E和F相对；
3)根据试验要求，各个所述控制器(12)开启并调节对应阵列绝缘外壳(11)内指定绝缘外壳(4)内的振动激发装置，正方体试样(14)一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样(14)传播至相对面，相对面上对应的金属质量块(9)振动，金属质量块(9)通过缓冲弹簧(8)将荷载传至对应振动传感装置，振动传感装置通过向外部放电或充电将动能转化为电信号，通过控制不同位置的振动激发装置，以及对不同位置振动激发装置的组合能出模拟三维的复杂应力状态，同时得到在XYZ三个方向上的应力变化曲线。
6.根据权利要求5所述的一种三维应力波传播监测方法，其特征在于：步骤1)中所述正方体试样(14)根据待研究地质条件制成。
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