CN210401325U - 一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，包括两个一纵复合换能器，分别与两个所述一纵复合换能器的径向振动元件(3)、横向剪切振动元件一(4)和横向剪切振动元件二(5)的引出导线(7)连接的发射机和放大器，所述发射机接口连接于计算机处理显示系统；还包括与所述放大器输出端连接的USB采集系统和衰减控制器，所述衰减控制器的控制端连接控制器；所述USB采集系统的输出端分别连接处理器和所述控制器，所述处理器连接于压缩显示的所述计算机处理显示系统，所述衰减控制器的输出端连接于所述计算机处理显示系统。本实用新型的有益效果为：本实用新型可在同一高温、高压等环境实验条件下，提供岩体或各类非金属脆性材料的杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比、拉梅系数，纵、横波声时、速度比、及其不同方向的横波速度比和它们的衰减系数等力学物理参数。
Description
技术领域
本实用新型涉及岩石、煤炭超声波检测技术领域，尤其涉及一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统。
背景技术
传统的设备一般是一次实验仅能测出一个纵波或一个单向量横波，这类设备不仅给岩体实验带来多次复杂试验操作，而且多次试验也破坏了试验条件的严格一致性，并增加实验成本和实验时间。
另有专利给出的“一种岩心纵横波波速测量探头”虽然一次性产生岩心的纵波和一个绕曲波，但仅靠一个横向绕曲波与纵波很难完全满足岩心力学参数的分析需要。
另有专利给出的“一种智能超声横波纵波综合测试仪”虽然能产生一个纵波和两个剪切横波，但它们分别在一个面上由三个不同点获得的，不能在同一位置上获取声学参数，难以满足岩石测试中一致性的要求，特别是对小型岩样的测试，更具有局限性。
固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，是岩石、煤炭等非金属材料超声波测试中的重要检测设备；特别是受试样品必须在高温、高压条件下使用时，显得尤其重要。以前都是利用压电元件组成环形横波换能器；或者是利用压电元件在一个平面上分别贴置两个不同剪切方向的横波换能器。但因为岩石、煤炭它们是一个多晶体，挠曲横波和两个不同中心点产生的横波是难以准确说明问题的，而且它们的纵波获得也是和横波不在同一个位置，这样对测验样品的泊松比和弹性模量的测定带来了许多不确定性。
如何解决上述技术问题为本实用新型面临的课题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于为了克服现有岩石、煤炭等多晶体材料在高温、高压条件下，在样品同一中心点上不能获取x方向、y方向和z方向的超声波信息，而提供一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统。
本实用新型是通过如下措施实现的：一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，包括两个一纵复合换能器，分别与两个所述一纵复合换能器的径向振动元件、横向剪切振动元件一和横向剪切振动元件二的引出导线连接的发射机和放大器，所述发射机接口连接于计算机处理显示系统；
还包括与所述放大器输出端连接的USB采集系统和衰减控制器，所述衰减控制器的控制端连接控制器；
所述USB采集系统的输出端分别连接处理器和所述控制器，所述处理器连接于压缩显示的所述计算机处理显示系统，所述衰减控制器的输出端连接于所述计算机处理显示系统。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述一纵复合换能器、放大器、USB采集系统、控制器、以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息采集、放大传输通道。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述一纵复合换能器、放大器、衰减控制器、控制器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息衰减放大输送通路。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述一纵复合换能器、放大器、衰减控制器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息衰减放大传输通路。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述包括一纵复合换能器、USB采集系统、处理器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息采集、处理传输通道。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，每一个所述一纵复合换能器包括振子堆面罩、屏蔽罩，所述振子堆面罩内表面与所述屏蔽罩的内壁构成封闭空间，所述振子堆面罩的外表面为换能器的超声波辐射/接收面，还包括依次同心复叠于所述屏蔽罩内部上表面的径向振动元件、横向剪切振动元件一和横向剪切振动元件二，所述横向剪切振动元件一和横向剪切振动元件二按灵敏度方向旋转90 度进行复叠，两横向剪切振动元件在一个点上产生两个不同方向的剪切横波、径向振动元件产生径向纵波，从而在同一点产生三份量波形，也即是X方向、Y方向和Z方向；各振动子背面有吸收背景，以获得良好的波形，每个振动子粘附在所述屏蔽罩内部上表面上；所述粘合胶是耐高温耐高压的粘合胶。
所述横向剪切振动元件二上设有吸收堆，所述径向振动元件、横向剪切振动元件一(4) 和横向剪切振动元件二分别接有引出导线。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，在所述振子堆面罩上还设有覆盖所述屏蔽罩的承压腔体，所述承压腔体的顶部周向分别等间距布置纵波输入/输出插座、横波一输入/输出插座和横波二输入/输出插座；
所述纵波输入/输出插座、横波一输入/输出插座和横波二输入/输出插座均为与所述承压腔体的内壁导通的导向套，连接所述导向套的固定座，将所述固定座与所述承压腔体固定的密封螺栓组件，所述密封螺栓组件将所述承压腔体上的引出所述引出导线引出处密封；
所述承压腔体与所述振子堆面罩底部通过固定螺丝固定连接；
沿所述振子堆面罩底面的径向设有一组通液孔和一组固定螺丝安装孔，每组通液孔和每组固定螺丝安装孔各两个；
沿所述振子堆面罩底面的径向等间距设置若干个同心的环形渗流槽；
位于所述径向振动元件外部的所述振子堆面罩内表面上设有圆形分割槽；填其中性耐火材料，使其获得独特的振动边界条件。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述承压腔体外侧与所述振子堆面罩底部的内侧壁接合处设有O型密封圈，用于所述承压腔体与所述振子堆面罩的接合处密封。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统信号输出端通过所述发射机连接待测设备输入端，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统分别通过放大器、电子衰减控制器和所述USB采集系统与可视化分析系统连接。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述承压腔体与所述振子堆面罩底部通过固定螺丝固定连接。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统信号输出端通过发射机连接待测设备输入端，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统分别通过放大器、衰减控制器和USB采集系统与可视化分析系统连接。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，沿所述振子堆面罩底面的径向设有一组通液孔和一组固定螺丝安装孔，每组通液孔和每组固定螺丝安装孔各两个。
作为本实用新型提供的一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统进一步优化方案，所述径向振动元件、横向剪切振动元件一和横向剪切振动元件二的形状为圆形或者矩形状。
本实用新型的换能器可以用于发射换能器与接收换能器，可以直接使用在机械压力机的压力室中；如果配套使在其它压力容器内也可以植入其它结构的耐压的承压腔体。
本实用新型的有益效果为：本实用新型提出的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统可在同一高温、高压等环境实验条件下，同一点实现受试固体的纵波和不同向量横波的波速及衰减特性的测量，并通过其分析系统提供岩体或各类非金属脆性材料的杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比、拉梅系数，纵、横波声时、速度比、及其不同方向的横波速度比和它们的衰减系数等力学物理参数；它是石油、地质、矿山、煤炭、地震与海洋工程等领域的关键检测设备；采用两个一纵复合换能器，都在一个中心点上激发出纵波和横波，是一种可以在高温高压条件下一次性获得被测试样品的泊松比和分辨材料是否存在各项异性的特殊检测装置；克服现有岩石、煤炭等多晶体材料在高温、高压条件下，在样品同一中心点上不能获取x方向、y方向和z方向的超声波信息；可以在高温、高压环境下，在受试样品同一个中心点上获取一个纵波和两个不同向量的横波，还可以根据需要选择不同几何尺寸来获取不同的振动频率。
附图说明
图1为本实用新型实施例中测试系统整机原理框图。
图2为本实用新型实施例中放大器电原理图。
图3为本实用新型实施例中发射机电原理图。
图4为本实用新型实施例中控制器电原理图。
图5为本实用新型实施例中电源电原理图。
图6为本实用新型实施例中一纵两横复合换能器的结构示意图一。
图7为本实用新型实施例中一纵两横复合换能器的构示意图二。
其中，附图标记为：1、振子堆面罩；2、屏蔽罩；3、径向振动元件；4、横向剪切振动元件一；5、横向剪切振动元件二；6、吸收堆；7、引出导线；8、承压腔体；9、纵波输入/输出插座；10、横波一输入/输出插座；11、横波二输入/输出插座；12、密封螺栓组件； 13、环形渗流槽；14、圆形分割槽。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1至图7，本实用新型是：一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，包括两个一纵复合换能器，分别与两个所述一纵复合换能器的径向振动元件3、横向剪切振动元件一4和横向剪切振动元件二5的引出导线7连接的发射机和放大器，所述发射机接口连接于计算机处理显示系统；
还包括与所述放大器输出端连接的USB采集系统和衰减控制器，所述衰减控制器的控制端连接控制器；
所述USB采集系统的输出端分别连接处理器和所述控制器，所述处理器连接于压缩显示的所述计算机处理显示系统，所述衰减控制器的输出端连接于所述计算机处理显示系统。
其中，所述一纵复合换能器、放大器、USB采集系统、控制器、以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息采集、放大传输通道。
其中，所述一纵复合换能器、放大器、衰减控制器、控制器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息衰减放大输送通路。
其中，所述一纵复合换能器、放大器、衰减控制器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息衰减放大传输通路。
其中，所述包括一纵复合换能器、USB采集系统、处理器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息采集、处理传输通道。
其中，每一个所述一纵复合换能器包括振子堆面罩1、屏蔽罩2，所述振子堆面罩1内表面与所述屏蔽罩2的内壁构成封闭空间，所述振子堆面罩1的外表面为换能器的超声波辐射/接收面，还包括依次同心复叠于所述屏蔽罩2内部上表面的径向振动元件3、横向剪切振动元件一4和横向剪切振动元件二5，所述横向剪切振动元件一4和横向剪切振动元件二5按灵敏度方向旋转90度进行复叠，两横向剪切振动元件在一个点上产生两个不同方向的剪切横波、径向振动元件产生径向纵波，从而在同一点产生三份量波形，也即是X方向、 Y方向和Z方向；各振动子背面有吸收背景，以获得良好的波形，每个振动子粘附在所述屏蔽罩内部上表面上；所述粘合胶是耐高温耐高压的粘合胶。
所述横向剪切振动元件二5上设有吸收堆6，所述径向振动元件3、横向剪切振动元件一4和横向剪切振动元件二5分别接有引出导线7。
其中，所述承压腔体8的顶部周向分别等间距布置纵波输入/输出插座9、横波一输入/ 输出插座10和横波二输入/输出插座11；
所述纵波输入/输出插座9、横波一输入/输出插座10和横波二输入/输出插座11均为与所述承压腔体8的内壁导通的导向套，连接所述导向套的固定座，将所述固定座与所述承压腔体8固定的密封螺栓组件12，所述密封螺栓组件12将所述承压腔体8上的引出所述引出导线7引出处密封；
所述承压腔体8与所述振子堆面罩1底部通过固定螺丝固定连接；
沿所述振子堆面罩1底面的径向设有一组通液孔和一组固定螺丝安装孔，每组通液孔和每组固定螺丝安装孔各两个；
沿所述振子堆面罩1底面的径向等间距设置若干个同心的环形渗流槽13；
位于所述径向振动元件3外部的所述振子堆面罩1内表面上设有圆形分割槽14；填充中性耐火材料，使其获得独特的振动边界条件。
其中，所述承压腔体8外侧与所述振子堆面罩1底部的内侧壁接合处设有O型密封圈 15，用于所述承压腔体8与所述振子堆面罩1的接合处密封。
其中，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统信号输出端通过所述发射机连接待测设备输入端，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统分别通过放大器、电子衰减控制器和所述USB采集系统与可视化分析系统连接。
其中，所述承压腔体与所述振子堆面罩底部通过固定螺丝固定连接。
其中，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统信号输出端通过发射机连接待测设备输入端，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统分别通过放大器、衰减控制器和USB采集系统与可视化分析系统连接。
其中，沿所述振子堆面罩1底面的径向设有一组通液孔和一组固定螺丝安装孔，每组通液孔和每组固定螺丝安装孔各两个。
其中，所述径向振动元件3、横向剪切振动元件一4和横向剪切振动元件二5的形状为圆形或者矩形状。
本实用新型的换能器可以用于发射换能器与接收换能器，可以直接使用在机械压力机的压力室中；如果配套使在其它压力容器内也可以植入其它结构的耐压的承压腔体8。
本实用新型的换能器在直径18毫米范围内集成地实现了一个纵波速度和两个不同方向的剪切横波波速测量的小型换能器及其相关的激励、接收采集系统和配套的可视化分析系统。该系统能在实验过程中实时地提供：纵波波速、两个不同方向的横波波速及其衰减系数和主要频率，以及被测岩体的杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比、拉梅系数等力学参数和相应的可视化图表与波形；它不仅能满足岩体及各类非金属脆性材料的波动实验要求，而且能以其实时可视化数据与波形的存储；实现对实验对象长时间无人值守的连续测试。
本实用新型的换能器是用于岩体声学性质实验和各种多晶体弹性材料测试领域的一种单纵波双横波速度测试的耐高温、高压复合换能器，它可以在高温、高压条件下，同时在一个位置获取岩体的纵波和两个相位差九十度的两相位横波，并读出其速度和计算出岩体的泊松比及弹性模量，并可实时的判断其介质是否同性或是否存在裂隙。
该换能器配合HKF-III型岩石各向异性超声测定仪与分析系统可以非常简便的一次性在高温、高压条件下获取被测物体的纵波速度和两个不同方向的横波速度及它们的衰减量。并克服了多次实验带来的不一致性；从而准确的计算出被测物体的泊松比和弹性模量及实时的判断其介质是否同性或是否存在裂隙等工程力学参数。
通过采用多通道宽带放大器和精密电子衰减器，克服了传统超声仪采用按键和波段开关的模拟衰减法。
采用20M精密AD转换器，而且是从USB 2.0端口输入，取代了传统超声仪由示波管显示或由计算机网口、串口、并口输入的方法；大大提高了它的数据传输速度和数据量；达到采集数据和波形的实时性。
发射机可以调整发射的电压和脉冲宽度，并且可异步、重复发射，分别专门激励纵波换能器和横波换能器，从而有效的提高换能器的效率和与换能器的相互匹配，取得优良的接收波形。
整机高度集成化、智能化，与计算机相连充分发挥了计算机的功能。
本实用新型在实际使用时：由两只换能器声辐射面对压在被测岩样两端，对其施加压力和温度，由图示导体引出与超声设备仪表面板插头座相连，实时获取声学信号。
本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，包括两个一纵复合换能器，分别与两个所述一纵复合换能器的径向振动元件(3)、横向剪切振动元件一(4)和横向剪切振动元件二(5)的引出导线(7)连接的发射机和放大器，所述发射机接口连接于计算机处理显示系统；
还包括与所述放大器输出端连接的USB采集系统和衰减控制器，所述衰减控制器的控制端连接控制器；
所述USB采集系统的输出端分别连接处理器和所述控制器，所述处理器连接于压缩显示的所述计算机处理显示系统，所述衰减控制器的输出端连接于所述计算机处理显示系统。
2.根据权利要求1所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，所述一纵复合换能器、放大器、USB采集系统、控制器、以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息采集、放大传输通道。
3.根据权利要求1所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，所述一纵复合换能器、放大器、衰减控制器、控制器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息衰减放大输送通路。
4.根据权利要求1所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，所述一纵复合换能器、放大器、衰减控制器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息衰减放大传输通路。
5.根据权利要求1所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，所述一纵复合换能器、USB采集系统、处理器以及计算机处理显示系统依次连接构成纵波与不同方向剪切横波信息采集、处理传输通道。
6.根据权利要求1所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，每一个所述一纵复合换能器包括振子堆面罩(1)、屏蔽罩(2)，所述振子堆面罩(1)内表面与所述屏蔽罩(2)的内壁构成封闭空间，所述振子堆面罩(1)的外表面为换能器的超声波辐射/接收面，还包括依次同心复叠于所述屏蔽罩(2)内部上表面的径向振动元件(3)、横向剪切振动元件一(4)和横向剪切振动元件二(5)，所述横向剪切振动元件一(4)和横向剪切振动元件二(5)按灵敏度方向旋转90度进行复叠，所述横向剪切振动元件二(5)上设有吸收堆(6)，所述径向振动元件(3)、横向剪切振动元件一(4)和横向剪切振动元件二(5)分别接有引出导线(7)。
7.根据权利要求6所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，在所述振子堆面罩(1)上还设有覆盖所述屏蔽罩(2)的承压腔体(8)，所述承压腔体(8) 的
所述承压腔体(8)的顶部周向分别等间距布置纵波输入/输出插座(9)、横波一输入/输出插座(10)和横波二输入/输出插座(11)；
所述纵波输入/输出插座(9)、横波一输入/输出插座(10)和横波二输入/输出插座(11)均为与所述承压腔体(8)的内壁导通的导向套，连接所述导向套的固定座，将所述固定座与所述承压腔体(8)固定的密封螺栓组件(12)，所述密封螺栓组件(12)将所述承压腔体(8)上的引出所述引出导线(7)引出处密封；
所述承压腔体(8)与所述振子堆面罩(1)底部通过固定螺丝固定连接；
沿所述振子堆面罩(1)底面的径向设有一组通液孔和一组固定螺丝安装孔，每组通液孔和每组固定螺丝安装孔各两个；
沿所述振子堆面罩(1)底面的径向等间距设置若干个同心的环形渗流槽(13)；
位于所述径向振动元件(3)外部的所述振子堆面罩(1)内表面上设有圆形分割槽(14)。
8.根据权利要求7所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，所述承压腔体(8)外侧与所述振子堆面罩(1)底部的内侧壁接合处设有0型密封圈(15)，用于所述承压腔体(8)与所述振子堆面罩(1)的接合处密封。
9.根据权利要求1-8任一项所述的固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统，其特征在于，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统信号输出端通过所述发射机连接待测设备输入端，所述固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统分别通过放大器、电子衰减控制器和所述USB采集系统与可视化分析系统连接。
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| CN201921265192.3U CN210401325U (zh) | 2019-08-06 | 2019-08-06 | 一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统 |
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| CN201921265192.3U CN210401325U (zh) | 2019-08-06 | 2019-08-06 | 一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统 |
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| CN201921265192.3U Active CN210401325U (zh) | 2019-08-06 | 2019-08-06 | 一种固体纵波与不同方向剪切横波测量与分析系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113654583A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-16 | 西安交通大学 | 剪切式振动-超声复合传感器及测量装置 |
| CN116678948A (zh) * | 2023-06-30 | 2023-09-01 | 东华大学 | 一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法 |
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2019
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| CN113654583A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-16 | 西安交通大学 | 剪切式振动-超声复合传感器及测量装置 |
| CN113654583B (zh) * | 2021-08-31 | 2022-05-06 | 西安交通大学 | 剪切式振动-超声复合传感器及测量装置 |
| CN116678948A (zh) * | 2023-06-30 | 2023-09-01 | 东华大学 | 一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法 |
| CN116678948B (zh) * | 2023-06-30 | 2024-04-26 | 东华大学 | 一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法 |
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