一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置的製作方法

2023-05-16 23:52:26

專利名稱：一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及剪切波速測試裝置，尤其是涉及一種壓電陶瓷彎曲元土體 剪切波速測試裝置。
技術背景壓電陶瓷彎曲元測試土樣波速具有原理簡明，操作便捷的優點，而被廣泛 安置在各種室內土工試驗設備中進行土樣小應變剪切模量的測量研究。浙江大學曾於2002年開發了在三軸室內安裝壓電陶瓷彎曲元的土樣波速測試裝置並申 請了專利(專利號02261611.X),之後又成功開發了在固結儀上安裝壓電陶瓷元 的土樣波速測試裝置(專利號200520013094.2)，但目前國內外尚無直接利用 壓電陶瓷彎曲元在現場進行土體波速測試的測試方法和相應裝置。現場土體波 速測試可以避免取樣擾動對波速測試結果的影響，具有室內測試不可替代的優 越性。以往現場土體波速測試主要採用單孔法、跨孔法或面波分析法等方法， 這些方法普遍存在操作程序複雜，費用較高的缺點，應用受到較大限制。 發明內容本實用新型的目的在於提供一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置， 利用壓電陶瓷彎曲元在現場進行土體剪切波速的測試。 本實用新型採用的技術方案如下包括激發傳感器、接收傳感器、線性放大器、分壓電路、電荷放大器和便 攜式計算機；兩個結構相同的激發傳感器和接收傳感器分別插入土體中，線性 放大器和分壓電路的一端接激發傳感器的接線端，線性放大器和分壓電路的另 一端分別接可攜式計算機中音效卡的第一端和第三端，電荷放大器的一端接接收 傳感器的接線端，電荷放大器的另一端接微機中音效卡的第三端。所述的兩個結構相同的激發傳感器和接收傳感器，包括兩個基座、兩塊夾 板和壓電陶瓷彎曲元；壓電陶瓷彎曲元兩側分別夾在夾板中間夾緊槽中，而兩 塊夾板又分別夾在基座中間凹槽中。所述的線性放大器由集成功率放大電路LM1875及其周圍電路組成， LM1875的信號輸入端經過耦合電容與音效卡的信號輸出端連接，LM1875的信號 輸出端與激發傳感器的接線端連接。所述的分壓電路由第一電阻和第二電阻組成，第一電阻的一端接線性放大器的輸出端，另一端通過第二電阻接地，並與音效卡的輸入接口連接。所述的電荷放大器由J-FET輸入集成運算放大電路TL082及其外圍電路組 成，TL082的正相輸入端接地，反相輸入端與接收傳感器的接線端連接，TL082 的輸出端與音效卡的輸入接口連接。所述的壓電陶瓷彎曲元表面採用環氧樹脂密封，無接線的一端呈懸臂狀插 入土體中。本實用新型具有的有益效果是本實用新型大大降低了現場土體波速測試的費用和測試時間，具有較高的 經濟效益。它解決了壓電陶瓷彎曲元在土體中的安置、系統的電連接以及高阻 抗壓電陶瓷彎曲元的防水防潮問題；採用獨特的傳感器結構設計，能通過調節 懸臂長度改變壓電陶瓷彎曲元晶片的剛度，通過安裝使用較大尺寸的壓電陶瓷 彎曲元晶片獲得較高的激發能量，因而能適應不同剛度或類型土體的測試需要， 具有廣泛的適用性；採用由可攜式計算機以及專門針對壓電陶瓷彎曲元測試設 計的小型線性放大器和電荷放大器組建測試系統，保證了系統具有較高的便攜 性，並大大降低了系統的成本，提高了經濟效益；同時還兼有原理明確、結構 簡單、製作使用方便的特點。

圖1是本實用新型的結構原理示意圖。圖2是激發傳感器和接收傳感器的剖視圖。圖3是激發傳感器和接收傳感器的拆解圖。圖4是線性放大器與電荷放大器電路原理圖。圖5是測試系統運行界面圖。圖中1，激發傳感器；2，接收傳感器；3、 3，，分別為激發、接收屏蔽信 號線；4, 土體；5，線性放大器；6，分壓電路；7，電荷放大器；8，可攜式計 算機；9，基座；10，夾板；11，壓電陶瓷彎曲元；12，基座連接螺釘；13，緊 固螺釘。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括激發傳感器1、接收傳感器2、線性放大器5、 分壓電路6、電荷放大器7和可攜式計算機8;兩個結構相同的激發傳感器1和 接收傳感器2分別插入土體4中，線性放大器5和分壓電路6的一端經激發屏 蔽信號線3接激發傳感器2的接線端，線性放大器5和分壓電路6的另一端分 別接可攜式計算機8中音效卡的第一端和第三端，電荷放大器7的一端經接收屏蔽信號線3'接接收傳感器3的接線端，電荷放大器7的另一端接微機8中音效卡 的第三端。激發屏蔽信號線3和接收屏蔽信號線3'均採用單芯同軸電纜。如圖2、圖3所示，所述的兩個結構相同的激發傳感器1和接收傳感器2， 包括兩個基座9、兩塊夾板10和壓電陶瓷彎曲元11;壓電陶瓷彎曲元11兩側 分別夾在夾板10中間夾緊槽中，用緊固螺釘13夾緊，而兩塊夾板10又分別夾 在基座9中間凹槽中，用基座連接螺釘12夾緊。所述的基座9和夾板10均採 用有機玻璃材料製作，基座9底面中間部位凹槽的大小與由夾板10組成的夾緊 裝置大小相等。所述的壓電陶瓷彎曲元ll為高阻抗壓電元件，表面採用環氧樹脂密封，無 接線的一端呈懸臂狀插入土體4中。為了保證壓電陶瓷彎曲元密封層的防水防 潮性、韌性和抗老化性能，本測試系統在製作安裝時需注意以下問題在高阻 抗壓電陶瓷彎曲元和其接線端的表面用含適量固化劑的環氧樹脂密封，密封層 要均勻，不宜太厚，不得有氣泡存在。如圖4所示，所述的線性放大器由集成功率放大電路LM1875及其周圍電 路組成，LM1875的信號輸入端經過耦合電容與音效卡的信號輸出端連接，LM1875 的信號輸出端與激發傳感器1的接線端連接。如圖4所示，所述的分壓電路由第一、第二電阻組成，第一電阻的一端接 線性放大器的輸出端，另一端通過第二電阻接地，並與音效卡的輸入接口連接。如圖4所示，所述的電荷放大器由J-FET輸入集成運算放大電路TL082及 其外圍電路組成，TL082的正相輸入端接地，反相輸入端與接收傳感器2的接 線端連接，TL082的輸出端與音效卡的輸入接口連接。本實用新型的工作原理是測試軟體控制音效卡輸出的函數信號經過線性放大器5放大後，傳送至激發 傳感器1和音效卡線路輸入接口的第一個輸入通道，激發傳感器1產生一微弱縱 向或橫向振動，在土體4中激發一個以縱波或橫波為主的波動，通過土體4傳 播至接收傳感器2並被接收，接收信號經電荷放大器7轉換為電壓信號後傳送 至音效卡線路輸入接六口的第二個通道，測試軟體在控制音效卡輸出信號的同時即 開始進行雙通道高速數據採集，並將激發脈衝信號與接收信號的圖形和互相關 函數圖形在計算機屏幕上顯示出來(如圖5所示)，通過比較來自線性放大器5 的激發脈衝信號和來自電荷放大器7的接收信號的到達時間差異，得到剪切波 在土體4中的傳播時間，根據激發傳感器1和接收傳感器2之間的距離和剪切 波的傳播時間就可以計算得到剪切波在土體4中的傳播速度。
權利要求1.一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置，其特徵在於包括激發傳感器(1)、接收傳感器(2)、線性放大器(5)、分壓電路(6)、電荷放大器(7)和可攜式計算機(8)；兩個結構相同的激發傳感器(1)和接收傳感器(2)分別插入土體(4)中，線性放大器(5)和分壓電路(6)的一端接激發傳感器(1)的接線端，線性放大器(5)和分壓電路(6)的另一端分別接可攜式計算機(8)中音效卡的第一端和第三端，電荷放大器(7)的一端接接收傳感器(2)的接線端，電荷放大器(7)的另一端接微機(8)中音效卡的第三端。
2. 根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置，其特 徵在於所述的兩個結構相同的激發傳感器(1)和接收傳感器(2)，包括兩個基座 (9)、兩塊夾板(10)和壓電陶瓷彎曲元(11);壓電陶瓷彎曲元(ll)兩側分別夾在夾 板(10)中間夾緊槽中，而兩塊夾板(10)又分別夾在基座(9)中間凹槽中。
3. 根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置，其特 徵在於所述的線性放大器(5)由集成功率放大電路LM1875及其周圍電路組成， LM1875的信號輸入端經過耦合電容與音效卡的信號輸出端連接，LM1875的信號 輸出端與激發傳感器(l)的接線端連接。
4. 根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置，其特 徵在於所述的分壓電路(6)由第一電阻和第二電阻組成，第一電阻的一端接線 性放大器的輸出端，另一端通過第二電阻接地，並與音效卡的輸入接口連接。
5. 根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置，其特 徵在於所述的電荷放大器(7)由J-FET輸入集成運算放大電路TL082及其外圍 電路組成，TL082的正相輸入端接地，反相輸入端與接收傳感器(2)的接線端連 接，TL082的輸出端與音效卡的輸入接口連接。
6. 根據權利要求2所述的一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置，其特 徵在於所述的壓電陶瓷彎曲元(ll)表面採用環氧樹脂密封，無接線的一端呈懸 臂狀插入土體(4)中。
專利摘要本實用新型公開了一種壓電陶瓷彎曲元土體剪切波速測試裝置。兩個結構相同的激發傳感器和接收傳感器分別插入土體中，線性放大器和分壓電路的一端接激發傳感器的接線端，線性放大器和分壓電路的另一端分別接可攜式計算機中音效卡的第一端和第三端，電荷放大器的一端接接收傳感器的接線端，電荷放大器的另一端接微機中音效卡的第三端。本實用新型所設計的測試傳感器能確保壓電陶瓷彎曲元具有良好的工作狀態，可以適應不同剛度或類型土體的測試需要，同時還具有原理明確、結構簡單、製作使用方便的特點；通過採用可攜式計算機以及專門針對彎曲元測試設計的小型線性放大器與電荷放大器組建測試系統，保證了系統具有較高的便攜性。
文檔編號G01H5/00GK201221978SQ20082008639
公開日2009年4月15日 申請日期2008年5月12日 優先權日2008年5月12日
發明者周燕國, 汪孔政, 陳雲敏, 博 黃 申請人:浙江大學