[发明专利]一种三维应力波传播监测装置及方法

权利要求书

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。