[实用新型]一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置

说明书

本实用新型公开了一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，包括主控模块、编码调制模块、发射模块、纵横波一体发射探头、纵横波一体接收探头、数据采集模块和数据处理模块。本发明所公开的测量装置，将编码激励技术应用在岩石纵横波声速测量中，可在不损失分辨率的情况下提高观测波形的信噪比；可针对不同岩性的岩石选择不同的激励电压，通过高压激励的方式提高发射信号的幅度，进一步增强观测波形的信噪比；采用纵横波一体式超声探头，可在同一环境下测量岩石的纵波、横波速度，无需反复拆装探头，避免传统设备因更换探头带来的环境因素干扰，同时提高了测量效率。

技术领域

本实用新型属于超声波岩石测量领域，特别涉及该领域中的一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，用于岩石试件的纵横波速度超声检测。

背景技术

岩石的声学特性(弹性模量、声速和衰减系数等)是岩石材料的重要参数，它与岩石内部结构和岩石强度有很大相关性。在实验室中，一般是通过超声透射法研究岩石结构和弹性参数关系，即在岩体试件一端发射超声波脉冲，在另一端利用接收换能器接收透射信号，然后分析记录到的波形数据研究其声学参数的变化。但在实际测试中，由于换能器带宽限制、背景噪声干扰、耦合不佳以及岩石频率衰减等原因，会导致接收信号信噪比低、超声波穿透能力不足，从而造成信息识别上的困难。

解决上述问题的方法通常是提高发射信号幅度和有效信号的信噪比。大多数超声岩石声速测量装置通过提高激励电压来实现发射信号幅度的提升。考虑到超声换能器承受的极限电压值，以及激励电压增加会加大硬件驱动电路的设计难度，因此，当前测量装置的激励电压大多集中在200V—400V之间。

编码激励技术是一种能够提升有效信号信噪比的方法，广泛应用于医学超声成像、雷达系统以及无损检测等领域。该方法利用小功率的信号发生器发射编码信号，就能得到与高功率单脉冲信号相同的信噪比和分辨率。考虑到岩石超声检测问题的复杂性，将编码激励技术引入岩石超声检测领域还存在很多具体问题，如岩石频率相关衰减问题、岩石内部的复杂结构引起的波的非线性传播问题等对编码激励技术压缩性能的影响。虽然有部分研究人员开展了相关的工作，对编码信号在岩石中的传播及其脉冲压机制进行了研究和探讨，但是目前还没有超声岩石声速测量装置将编码激励技术应用于实际的岩石声学特性测量过程。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是为了能够在不同条件的岩石超声测量中获取较高的信噪比，提高岩石测量精度，从提高发射信号幅度和有效信号信噪比两方面入手，为实验室岩体试件超声测量提供一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置及方法。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于编码激励的超声岩石纵横波速度测量装置，其改进之处在于：包括主控模块、编码调制模块、发射模块、纵横波一体发射探头、纵横波一体接收探头、数据采集模块和数据处理模块；其中主控模块与编码调制模块、发射模块、数据采集模块和数据处理模块电连接，主控模块根据数据处理模块发来的用户指令，向编码调制模块发送设定编码，设定发射模块的激励电压及纵、横波通道；编码调制模块对主控模块发来的设定编码进行相位调制，产生相位编码信号并发送给发射模块；发射模块根据上述的相位编码信号产生正、负高压激励信号，并用该正、负高压激励信号从设定的纵波通道或横波通道激励纵横波一体发射探头，使纵横波一体发射探头向岩石发出超声机械波，纵横波一体接收探头接收到透射过岩石的超声机械波后，将其转换为透射波电信号并传送给数据采集模块，数据采集模块将接收到的透射波电信号进行前置放大、增益调节、滤波和A/D转换，得到透射波原始波形，并将其经主控模块上传给数据处理模块。

进一步的，主控模块采用ZYNQ-7020作为主控芯片。

进一步的，编码调制模块采用spartan6作为主芯片。

进一步的，发射模块的激励电压最大达到800V。