[发明专利]压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法

权利要求书

1.一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试方法，其特征在于：

方法采用以下测试装置，所述测试装置包括置于主控室内的数采系统(1)，置于离心机舱室内的PXI控制器(2)、驱动模块(6)和多路模拟开关(9)，安装在离心机(31)的吊篮(30)上的模型箱(10)；模型箱(10)中安装有激发压电元件(11)和接收压电元件(12)，数采系统(1)依次经PXI控制器(2)、数模转换器、驱动模块(6)和多路模拟开关(9)和激发压电元件(11)连接，接收压电元件(12)依次经驱动模块(6)、模数转换器、PXI控制器(2)后与数采系统(1)连接；

所述的数采系统(1)中：

包括激发模块(22)，其输出端与所述PXI控制器的函数发生器模块的输入端连接，激发模块用于可以根据试验要求在激励模块设定信号迭代次数、所有激发压电元件总的信号激励次数、以及两次激励信号之间的时间间隔；并将指令发送到所述PXI控制器(2)的函数发生器模块(4)，控制函数发生器模块(4)按照预定的波形、频率和振幅激励产生土体体波波速数字激励信号；

包括接收模块(23)，其输入端与所述PXI控制器(2)的存储模块(3)的输出端连接，接收由存储模块发送过来的土体体波波速数字接收信号，并将土体体波波速数字接收信号传输到所述信号处理模块；

包括信号处理模块(24)，其输入端与所述接收模块(23)的输出端连接，接收由接收模块(23)发送过来的土体体波波速数字接收信号，经迭代、滤波和相位纠正处理成土体体波波速检测结果信号发送到储存器；

包括储存器(28)，其输入端与所述信号处理模块(24)的输出端连接，接收由信号处理模块(24)发过来的土体体波波速检测结果信号并存储，同时发送到显示模块；

包括显示模块(29)，其输入端与所述储存器(28)的输出端连接，接收由储存器(28)发送过来的土体体波波速检测结果信号并显示；

所述的PXI控制器(2)中：

包括函数发生器模块(4)，其输入端与所述数采系统(1)中激发模块(22)的输出端连接，接收由激发模块(22)发过来的土体体波信号数字激励信号的指令，按照设定的迭代次数和时间间隔自动定时不间断地生成激励控制信号，并将激励控制信号发送给存储模块，并同时经D/A转换器(5)发送给所述驱动模块的功率放大器(8)；

包括存储模块(3)，其输出端与所述数采系统(1)中接收模块(23)的输入端连接，其输入端分别与函数发生器模块(4)和所述驱动模块(6)的电荷放大器(7)连接，接收由函数发生器模块(4)发过来的激励控制信号，同时接收由所述驱动模块(6)的电荷放大器(7)发过来的土体体波波速数字接收信号，再将激励控制信号和土体体波波速电数字接收信号一起发送到所述数采系统(1)的接收模块(23)；

所述的驱动模块(6)：

包括功率放大器(8)，其输入端与所述PXI控制器(2)的函数发生器模块(4)经D/A转换器(5)连接，其输出端经多路模拟开关(9)分别与模型箱(10)中安装的各个激发压电元件(11)连接，对来自函数发生器模块(4)的激励控制信号进行电压放大后发送到多路模拟开关(9)，通过多路模拟开关(9)控制各个激发压电元件(11)的工作；

包括电荷放大器(7)，其输入端分别与模型箱(10)中安装的各个接收压电元件(12)连接，其输出端经A/D转换器与存储模块(3)连接，对来自接收压电元件(12)采集接收获得的模拟电信号进行电荷放大后发送到存储模块(3)；

所述的多路模拟开关(9)切换控制各个激发压电元件(11)对应的输入通道实现激发压电元件(11)的工作开闭；

所述激发压电元件(11)接收多路模拟开关(9)的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件(12)采集沿模型箱(10)中土体传播后的机械振动转化为模拟电信号；

所述的信号处理模块(24)中；

包括快速迭代模块(26)，其输入端与接收模块(23)的输出端连接，将接收压电元件采集接收到的土体体波波速数字接收信号进行信号迭代处理后获得各个激发压电元件(11)各自对应的一个波速信号，并发送到数字滤波器(25)；

包括数字滤波器(25)，其输入端与快速迭代模块(26)的输出端连接，接收由快速迭代模块(26)处理后发过来的波速信号进行滤波后发送到相位纠正模块(27)，滤掉信号中由于外界环境干扰振动产生的随机波信号；

包括相位纠正模块(27)，其输入端与数字滤波器(25)的输出端连接，接收由数字滤波器(25)发过来的波速信号后进行信号相位纠正处理，对电荷放大器(7)中高通滤波电路引起的波形相位失真进行修正，然后发送到储存器(28)；

方法包括：

1)根据模型箱尺寸和压电元件特性确定测量模型箱(10)中所安装的激发压电元件(11)和接收压电元件(12)之间的距离以及压电元件(11、12)尺寸，根据波速测试深度位置要求将压电元件(11、12)固定安装在固定架(13)上，然后将固定架(13)按照距离固定于模型箱(10)的底板上；

2)将模型土料按照试验要求的土体初始物理状态填入模型箱(10)内，然后将模型箱(10)安装在离心机(31)的吊篮(30)；

3)在离心机的主控室内打开数采系统进行测试；

所述步骤3)具体为：

激发模块(22)自动定时不间断地发出土体体波激励信号，激励信号(22)发送到函数发生器模块(4)，控制函数发生器模块(4)按照土体体波激励信号中预定的波形、频率和振幅激励产生土体体波波速数字激励信号，土体体波波速数字激励信号发送接收模块(23)，土体体波波速数字激励信号依次经D/A转换器(5)数模转换、所述功率放大器(8)电压放大后发送到多路模拟开关(9)，由多路模拟开关(9)发出控制信号切换控制各个激发压电元件(11)的工作开闭；激发压电元件(11)接收多路模拟开关(9)的控制信号后工作产生机械振动，在土体内产生压缩波或者剪切波，由接收压电元件(12)采集沿模型箱(10)中土体传播后的机械振动转化为模拟检测信号；模拟检测信号依次经电荷放大器(7)电荷放大、A/D转换器模数转换后形成土体体波波速数字接收信号并发送到存储模块(3)存储，由存储模块(3)将测试的土体体波波速数字激励信号和土体体波波速数字接收信号一起经接收模块(23)发送到快速迭代模块(26)，快速迭代模块(26)中将土体体波波速数字激励信号和同一接收压电元件多次接收的土体体波波速数字接收信号叠加后发送到数字滤波器(25)进行滤波处理，滤波后的信号发送到相位纠正模块(27)，相位纠正模块(27)对接收信号相位纠正处理，获得最终接收信号；

实验中控制各个激发压电元件(11)依次打开工作；每个激发压电元件(11)工作时，激发压电元件(11)由间隔连续脉冲的激励信号控制发出机械振动，所有各个激发压电元件(11)均打开同时采集接收信号，针对每个接收压电元件(12)所采集到的所有信号通过快速迭代模块(26)叠加形成一个接收信号，快速迭代模块(26)中也将土体体波波速数字激励信号中各个脉冲波形叠加形成一个激励信号；

所述的相位纠正模块(27)具体采用以下过程处理：

先根据以下公式计算获得电荷放大器(7)中高通滤波电路的传递函数导致的相位差：

上式中，表示数字滤波器引起的相位扭曲角，作为相位差；表示数字滤波器传递函数；表示传递函数的虚部；表示传递函数的实部；ω₀表示角频率；ω_n表示滤波器对应傅里叶变换的第n阶频率；

再利用傅里叶变换把时域信号变换到频域，然后在频域内根据以下公式利用相位差对频域信号进行修正，修正后再转换回时域：

上式中：相位修正之后的频域信号；表示经过数字滤波器滤波之后的频域信号；表示经过数字滤波器滤波之后信号的相位角；表示经过相位修正之后的信号，i表示复数；

4)测试过程中实时监测土体体波波速测试结果，针对激励信号和其对应的接收信号，根据激励信号的波形起跳点时刻和接收信号的波形起跳点时刻之间的时间差值，波形起跳点是信号波形图中第一个最大波形的左端点，接着用模型箱(10)中激发压电元件(11)和接收压电元件(12)之间的距离除以时刻差值得到土体体波波速，获得土体体波波速测试结果。