[发明专利]一种三维应力波传播监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种三维应力波传播监测装置及方法，该装置包括若干阵元、若干绝缘阵列外壳和若干控制器。阵列绝缘外壳设有N×N个圆形通孔和相对应的N×N个阵元。阵元包括未极化压电陶瓷元件、金属磁场屏蔽管Ⅰ、极化压电陶瓷元件和金属磁场屏蔽管Ⅱ。金属磁场屏蔽管Ⅰ内安装未极化压电陶瓷元件形成振动激发装置。金属磁场屏蔽管Ⅱ内安装极化压电陶瓷元件形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ通过缓冲弹簧与金属质量块连接。压电陶瓷元件与集成电路板连接，集成电路板与控制器连接。本发明装置可探测不同材料工程设施中应力波的传播规律与特性，探究应力波传播叠加可能对岩体扰动损伤的位置，对于工程设计避免应力波叠加造成损伤有着积极作用。

技术领域

本发明涉及岩土技术领域，具体涉及一种三维应力波传播监测装置及方法。

背景技术

工程扰动在工程生产中非常常见，在多场扰动的情况下应力传播在危险区易出现应力集中，从而引发灾害。因此研究应力波在不同介质以及复杂情况下的传播特性有着重大意义。而目前对于应力波的研究主要集中在二维应力波的传递，缺少对三维应力波的研究；同时应力波的研究局限于以点的变化来概括整体的变化情况。因此需要开发一种三维应力波传播监测装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维应力波传播监测装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种三维应力波传播监测装置，包括若干阵元、若干阵列绝缘外壳和若干控制器。

所述阵列绝缘外壳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，侧板Ⅰ的内壁安装有N×N个阵元，N×N个阵元分别与N×N个圆形通孔相对应。

所述阵元包括绝缘外壳以及位于绝缘外壳内的未极化压电陶瓷元件、金属磁场屏蔽管Ⅰ、绝缘垫片、极化压电陶瓷元件、缓冲弹簧和金属磁场屏蔽管Ⅱ。

所述绝缘外壳为固定在侧板Ⅰ内壁上的长方体结构，绝缘外壳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内安装未极化压电陶瓷元件并填充有硅胶形成振动激发装置，金属磁场屏蔽管Ⅰ与绝缘外壳的侧板Ⅲ连接，绝缘垫片与金属磁场屏蔽管Ⅰ连接。

所述金属磁场屏蔽管Ⅱ内安装极化压电陶瓷元件并填充有硅胶形成振动传感装置，金属磁场屏蔽管Ⅱ与绝缘垫片连接，若干缓冲弹簧连接在金属磁场屏蔽管Ⅱ上。

若干所述缓冲弹簧与金属质量块连接，金属质量块穿过绝缘外壳的侧板Ⅱ和对应的圆形通孔。

同一所述阵列绝缘外壳内的若干未极化压电陶瓷元件和若干极化压电陶瓷元件均通过屏蔽导线与同一集成电路板连接，集成电路板与控制器连接，若干控制器分别安装到对应的阵列绝缘外壳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，将六个阵列绝缘外壳的侧板Ⅰ分别固定在正方体试样的六个面上，正方体试样相对两面所连接的阵列绝缘外壳内的阵元两两对应，每个金属质量块与正方体试样接触。根据试验要求，各个所述控制器开启并调节对应阵列绝缘外壳内指定绝缘外壳内的振动激发装置，正方体试样一个面上的振动激发装置产生的应力波通过正方体试样传播至相对面，相对面上对应的金属质量块振动，金属质量块通过缓冲弹簧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。

进一步，所述阵列绝缘外壳与正方体试样的连接方式为粘接或螺栓连接。

进一步，所述金属磁场屏蔽管Ⅰ与绝缘外壳的连接方式为粘接。

进一步，所述集成电路板固定在对应阵列绝缘外壳的内壁上，该内壁与侧板Ⅰ相对。

一种三维应力波传播监测方法，基于上述的监测装置，包括以下步骤：

1)制作所述正方体试样。