[发明专利]离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法。包括管状基座和加工处理过的压电陶瓷片，信号屏蔽线的正负导线分别连接在压电陶瓷片的两侧表面，压电陶瓷片的两侧表面再覆有内层环氧树脂层、导电铜胶带和外层环氧树脂层，信号屏蔽线的接地线连接到导电铜胶带，压电陶瓷片固定在管状基座一端面上；测量装置包括一对微型压电伸缩元件以及信号发生器、功率放大器、离心机主轴滑环、电荷放大器、示波器和微型压电伸缩元件。本发明具有较好的电磁屏蔽效果，能消除离心机中的电磁干扰；激励的压缩波具有较强的集束方向性，能在干扰较强环境中获得可靠信号；伸缩元件具有更高压缩波激励效率，能在高衰减的近饱和土体中使用。

技术领域

本发明属于土体压缩波测试装置，尤其涉及一种离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法。

背景技术

压缩波属于材料体波的一种，由弹性理论可知，材料的弹性模量与其压缩波速存在如下关系E＝ρV_p²。所以通过弹性波速测试可以在不扰动土体结构性的前提下，获得土体的刚度参数。对于现场原位压缩波速测试，已有的方法包括下孔法、跨孔法等，其在岩土工程中应用相对成熟，结果可靠性较高。而室内试验土样尺寸小、波传播时间短、信号衰减快，信号判别难度显著增加，其测试装置需要具有更高的灵敏度和测试精度。基于室内压缩波速测试的特点，浙江大学相继发明了在三轴仪和固结仪上使用的弯曲元，可以实现单元体土样中压缩波速的测试。但是受元件结构限制，压缩波的激发能量相比剪切波要小一个数量级，容易受到场地中各类振动和电信号的干扰，难以应用于离心机试验。

离心机试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，令模型受到高于重力加速度的离心加速度作用，以补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重损失，使模型土体能够恢复原型土体的应力状态。由于缩尺效应，离心机试验中任何误差都会按相似律放大，因而要求测试元件尺寸尽可能小。另一方面，离心机在运行过程中受风阻作用会产生明显的振动干扰，为了在高噪音环境中辨识信号，传感器在微型化的同时还应具有较高的激发能量和接收灵敏度。总之，在离心机试验中，模型土样压缩波速的测量一直未能得到有效实现，其应用仍存在不少技术难题。

发明内容

传统的弯曲元元件主要为激发剪切波设计，采用长条形的压电陶瓷，受其结构形式限制无法激励出较大能量的压缩波，难以用于模型土体测试。为解决这一不足，本发明的目的在于提出了一种离心机试验的微型压电伸缩元件、压缩波测量装置及方法，可以有效激发和准确接收土体压缩波，实现离心机试验中模型土体压缩波速的测量。

本发明采用圆形的压电陶瓷片，其最大自由挠度可达119μm，相同电压激励下陶瓷片纵向振幅更大；使用时对心埋设，压电陶瓷的面积利用率更高。与管状基座采用周边铰接的连接方式，使得压电陶瓷工作机理类似鼓面振动，进一步提高压缩波激发效率。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种用于离心机试验的微型压电伸缩元件：

包括管状基座和加工处理过的压电陶瓷片，管状基座的管状结构的侧面开有一道沿轴向的条形槽，管状基座内部设有X型支撑，加工处理过的压电陶瓷片固定在管状基座一端面上。

所述的加工处理过的压电陶瓷片包括连接或者包裹在压电陶瓷片上的信号屏蔽线、环氧树脂层和导电铜胶带，信号屏蔽线的正负导线分别连接在压电陶瓷片的两侧表面，压电陶瓷片的两侧表面再覆有用以绝缘的内层环氧树脂层、用于电磁屏蔽的导电铜胶带和用于防水的外层环氧树脂层，信号屏蔽线的接地线连接到导电铜胶带。

所述的加工处理过的压电陶瓷片用硅胶胶结在管状基座端面上，信号屏蔽线从管状基座的条形槽中引出。

所述的信号屏蔽线包含有分别作为正极、负极的屏蔽线正导线、屏蔽线负导线和作为接地线的屏蔽线铁丝，屏蔽线正导线和屏蔽线负导线直接焊接到压电陶瓷片两侧表面，屏蔽线铁丝通过锡焊固定连接到导电铜胶带并接地。