[发明专利]用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于超声波传感技术领域，具体涉及一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置及方法。

背景技术

超声波探测技术在岩石力学中应用日益广泛，超声波探测具有操作方便，无损伤，成本低，获取岩石信息量大等优点。在岩石力学超声波试验中，波速与岩体密度、含水量、弹性模量、单轴抗压强度有着密切的关系，而且超声波衰减与岩体损伤和内部裂隙也有着一定的关系。当前试验条件下，纵波试验由于探头易于制造，信号产生简单和信号容易识别而得到广泛应用。纵波与横波的波速比可以探讨岩石的泊松比，从而评价材料的各向异性，但是由于横波源处必须产生剪切力，并且横波波速比纵波慢，造成首波难以识别，以上原因限制了横波探头在岩石力学中的应用。目前普遍使用的岩石超声波探头多为短圆柱形式压电陶瓷晶体。多数超声波探头不能承受轴向压力和围压，因此只能在零应力条件下使用，不符合岩石三轴应力条件；当然也有采用多个晶体阵列的形式镶嵌入岩石试样的底座和压头内制成的超声波探头，但其尺寸过大，声波信号在多个阵列晶体间的同步不好，衰减严重，以至于所测的波速离散严重、重复性差，增加了信号解释的难度。浙江大学曾经公开发表过利用压电陶瓷元测试土样波速的装置并申请专利（专利号：02261611.X和200520013094.2），详细介绍了压电陶瓷传感器的制作处理技术，其发明成果主要是由单个弯曲元晶片构成发射元和接收元，使用范围仅限于土中，不能够在同一土样测试中自动切换产生纵波或横波。

总之，目前岩石超声波传感器产生纵波类型的较多，具备可以切换产生纵波和横波能力的传感器不多，而且体积大，信号失真严重。鉴于此，非常有必要研发一种能够在三轴应力状态下（岩石在地下的真实受力条件）可以按需产生纵波和横波的小型超声波探头，同时探头的声波信号清晰，失真小，系统的鲁棒性高。选择合适尺寸的弯曲元/伸缩元晶片类型，通过优化布置压电陶瓷极化方向，结合岩石材料特性选择激发能量，设计一种用于评估岩石损伤的弯曲元型超声波传感器是一个可行的方法。

发明内容

本发明提供一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置及方法，该装置差动产生纵波或者横波，通过对比超声波发射探头处的电压和超声波接收探头处的电压变化从而确定超声波在岩石中的传播特性，进而对岩石的岩性和内部结构进行分析。

本发明运用的是弯曲元型压电陶瓷的工作原理，弯曲元晶片（bender element）在传感器中应用广泛，在固定的电压下，弯曲元会产生偏转位移。单个弯曲元晶片由两片压电陶瓷片和中间一层弹性梁（多采用黄铜）组成，并且在陶瓷片上、下面均匀镀一层银或镍做电极，使得在陶瓷片内形成电场，从而使晶片弯曲变形。

相关理论和试验表明弯曲元晶片在电压下的变形位移为:

δ=6d₁₃EV(h+h₀)l²/[8Eh³+12Eh₀h²+6Eh₀²h+E₀h₀³]

δ——偏转位移

d₁₃——压电常数

h₀——弹性梁厚度

h——压电陶瓷片厚度

V——驱动电压

l——悬臂梁长度

E、E₀——压电片、弹性梁的弹性模量

在超声波发射探头处，施加变化的电压信号，由于逆压电效应，使陶瓷晶片震动产生超声波；在接收端探头处，由于传到的超声波引起晶片震动而产生正压电效应，从而产生变化的电压信号。通过对比发射探头处的电压和接受探头处的电压变化从而确定超声波在岩石中的传播特性，进而对岩石的岩性和内部结构进行分析。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置，包括压力室、岩石试样和超声波探头；

所述的压力室，包括外壳、压头和底座，底座置于外壳内，且位于外壳底部，压头的一部分通过外壳上部开口进入外壳内，底座的中轴线和压头的中轴线重合；

所述岩石试样位于底座和压头之间，岩石试样采用热缩管进行密封，防止液压油与岩石试样接触，且热缩管下端与底座固定连接，热缩管上端与压头固定连接；压头与岩石试样接触侧和底座与岩石试样接触侧均开有凹槽，所述凹槽位于压头和底座的中轴线上，且两个凹槽内均放置有座芯；