[发明专利]一种基于压电陶瓷微位移致动器的岩体结构剪切波换能器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于压电陶瓷微位移致动器的岩体结构剪切波换能器及制备方法，该剪切波换能器包括压电陶瓷微位移致动器、氧化铝陶瓷片和外部金属模型框架。压电陶瓷微位移致动器由多层压电陶瓷片和内电极构成，外部有保护壳和导线。外部金属模型框架根据压电陶瓷微位移致动器的尺寸进行设计成正方形框架，压电陶瓷微位移致动器通过预紧力安装在正方形框架的对角线处，由铝合金材料或其他机械品质因子较高的金属加工构成。氧化铝陶瓷片由氧化铝陶瓷切割构成。本发明剪切波换能器耐用性好、激振功率大、信号频率低并且适用于岩石材料，可用于岩土结构剪切波速测试。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料及相关材料的换能器制备技术领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷微位移致动器的岩体结构剪切波换能器及制备方法，适用于岩体结构剪切波速测试。

背景技术

基于压电陶瓷片的剪切波换能器是近几年发展起来的一种新型剪切波激励装置，具有体积小、易于安装和操作、灵敏度高等特点，在结构缺陷检测、结构损伤识别和结构健康监测领域具有潜在的应用前景。

关于岩体结构的波速测试在岩石工程勘察工作中具有重要意义。目前的波速测试中有单孔法、跨孔法和面波法等，但在实际应用中均有一定弊处。单孔法利用铁锤敲击压了重物的木板作为振源，由于外界干扰、地层岩性破碎以及敲击时在激振板内产生的压缩波的地下折射，实际得到的往往是剪切波和压缩波复合在一起的畸变波形记录，不仅给剪切波的鉴别带来很大困难，而且能够测试的深度较小；跨孔法利用井下剪切波锤克服了穿心锤不适用于坚硬密实地层及不能一次成孔的问题，但是需要较多钻孔，测试成本和施工要求都较高；面波法利用电磁式激振器和机械式激振器不用钻探成孔而可直接在地表测得土层波速，但只能求得地下某一深度内土的平均波速，且可测深度小，由于激振能量小和波形叠加造成数据处理复杂。

综上所述，目前的岩体结构波速测试方法中振源激励的波形不可控制且不适用于纯岩石材料。岩石中信号频率越高衰减越快，适用于金属的压电陶瓷片换能器存在功率小，频率高的问题，且目前尚未有基于压电原理的剪切波换能器在岩体结构波速测试中的有效应用。因此，利用压电陶瓷材料及压电原理的相关仪器开发激振能量大、频率低、波形可控制、能直接测试纯岩石材料的剪切波换能器具有重要的意义。

发明内容

本发明针对目前岩体结构波速测试方法中振源激励的波形不可控制且不适用于纯岩石材料的问题，提供了一种适用于岩体结构剪切波速测试的基于压电陶瓷微位移致动器的剪切波换能器，该换能器具有激振能量大、频率低、波形可控制、能直接测试纯岩石材料的特点，可在岩石工程勘察工作中作为剪切波激励装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于压电陶瓷微位移致动器的岩体结构剪切波换能器，包括压电陶瓷微位移致动器和外部金属模型框架，其特征在于：所述外部金属模型框架为矩形框架，所述矩形框架的四个角分别设有便于产生框架面内剪切形变的缝隙，在矩形框架其中一个对角线的两个角内侧设有与压电陶瓷微位移致动器接触的伸长凸起部，所述压电陶瓷微位移致动器置于两个伸长凸起部之间，通过矩形框架的形变施加夹紧的预紧力。

作为改进，所述矩形框架为正方形框架。

作为改进，两个伸长凸起部的中轴线与相应的两个角的对角线重合。

作为改进，所述缝隙设于相应角的对角线上，保证正方形框架内剪切形变时形变均匀。

作为改进，所述正方形框架上设于伸长凸起部处的缝隙深度大于没有设置伸长凸起部处的缝隙，使得相邻角在压电陶瓷微位移致动器伸缩形变时受力大小一致。

作为改进，所述压电陶瓷微位移致动器两端与伸长凸起部之间设有对压电陶瓷微位移致动器施加预紧压力的陶瓷垫片。

作为改进，所述陶瓷垫片为氧化铝陶瓷片，氧化铝陶瓷片通过粘结的方式安装于压电陶瓷微位移致动器两端。