[發明專利]基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測系統及方法

在審

• 申請號: 202010544416.5
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN112986390A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 李遠;劉洋;馬國棟;喬蘭;李慶文;李政;謝海根;張博;蘇考
• 申請（專利權）人: 北京科技大學;中交第二公路工程局有限公司
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N29/14;G01N29/24;G01N29/28;G01N29/42;G01N29/44;G01N29/46
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測系統，其特征在于：包括干耦合點接觸式聲波換能器和數字化型多功能集成電路板(1)，干耦合點接觸式聲波換能器分為干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)和干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)，干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)和干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)分別設置在巖石試樣(3)外表面或巖石試樣(3)的鉆孔內，數字化型多功能集成電路板(1)連接數字示波器(2)和干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)，數字示波器(2)連接干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)，巖石試樣(3)置于巖石力學試驗設備(6)中。

2.根據權利要求1所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測系統，其特征在于：所述干耦合點接觸式聲波換能器包括球形保護頭(7)、PZT壓電陶瓷(8)、絕緣卡環(9)、螺紋壓板(10)、信號輸出端(11)和吸波緩沖材料(12)，干耦合點接觸式聲波換能器整體為L型結構，PZT壓電陶瓷(8)嵌于吸波緩沖材料(12)中，PZT壓電陶瓷(8)露出的端部上設置球形保護頭(7)，PZT壓電陶瓷(8)嵌入吸波緩沖材料(12)的一端通過絕緣卡環(9)固定，且連接信號輸出端(11)，信號輸出端(11)通過螺紋壓板(10)固定。

3.根據權利要求1所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測系統，其特征在于：所述吸波緩沖材料(12)采用導熱硅膠，導熱系數＞2w/(m·k)，使用溫度范圍-50～100℃，聲阻抗15×10⁶～18×10⁶kg/m²·s。

4.根據權利要求1所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測系統，其特征在于：所述干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)為一個，干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)不少于兩個。

5.應用權利要求1所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測系統的方法，其特征在于：包括步驟如下：

S1：將干耦合點接觸聲波換能器按一發多收形式布置在被測巖石試樣表面或鉆孔內，采用多向波速監測布置換能器監測網絡，形成巖石損傷三維監測網絡；

S2：采用多頻脈沖調試進行試樣濾波試驗，調節脈沖發射或聲發射監測工作頻率；

S3：巖石試樣超聲監測時，根據時域圖起跳點位置，提取干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)的波形初至時間，結合干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)到對應干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)的距離，計算干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)與對應干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)區域巖石試樣的超聲波波速，進而基于干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)與各個干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)之間的波速值，提供巖石試樣不均衡損傷的全方位監測數據。

6.根據權利要求5所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測方法，其特征在于：所述S1中干耦合點接觸聲波換能器工作時，實時設置超聲波發射脈沖頻率，超聲波頻率設置范圍為10KHz-260KHz。

7.根據權利要求5所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測方法，其特征在于：所述巖石試樣在加載前進行聲波衰減標定測試，針對巖石全應力-應變試驗中的多形態多尺寸巖石試樣，設置超聲波頻率避開巖石自身的聲發射頻率頻段，試驗后通過對接收波形幅頻特性的自動辨析，實現超聲波與聲發射信號同步識別。

8.根據權利要求5所述的基于聲波干耦合的巖石全應力-應變損傷監測方法，其特征在于：所述干耦合點接觸式聲波發射換能器(4)與干耦合點接觸式聲波接收換能器(5)適應曲率K≤0.06mm^-1的工作面,布置距離范圍1-20cm。