[发明专利]基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统及方法

权利要求书

1.一种基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：包括干耦合点接触式声波换能器和数字化型多功能集成电路板(1)，干耦合点接触式声波换能器分为干耦合点接触式声波发射换能器(4)和干耦合点接触式声波接收换能器(5)，干耦合点接触式声波发射换能器(4)和干耦合点接触式声波接收换能器(5)分别设置在岩石试样(3)外表面或岩石试样(3)的钻孔内，数字化型多功能集成电路板(1)连接数字示波器(2)和干耦合点接触式声波发射换能器(4)，数字示波器(2)连接干耦合点接触式声波接收换能器(5)，岩石试样(3)置于岩石力学试验设备(6)中。

2.根据权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：所述干耦合点接触式声波换能器包括球形保护头(7)、PZT压电陶瓷(8)、绝缘卡环(9)、螺纹压板(10)、信号输出端(11)和吸波缓冲材料(12)，干耦合点接触式声波换能器整体为L型结构，PZT压电陶瓷(8)嵌于吸波缓冲材料(12)中，PZT压电陶瓷(8)露出的端部上设置球形保护头(7)，PZT压电陶瓷(8)嵌入吸波缓冲材料(12)的一端通过绝缘卡环(9)固定，且连接信号输出端(11)，信号输出端(11)通过螺纹压板(10)固定。

3.根据权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：所述吸波缓冲材料(12)采用导热硅胶，导热系数＞2w/(m·k)，使用温度范围-50～100℃，声阻抗15×10⁶～18×10⁶kg/m²·s。

4.根据权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统，其特征在于：所述干耦合点接触式声波发射换能器(4)为一个，干耦合点接触式声波接收换能器(5)不少于两个。

5.应用权利要求1所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测系统的方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：将干耦合点接触声波换能器按一发多收形式布置在被测岩石试样表面或钻孔内，采用多向波速监测布置换能器监测网络，形成岩石损伤三维监测网络；

S2：采用多频脉冲调试进行试样滤波试验，调节脉冲发射或声发射监测工作频率；

S3：岩石试样超声监测时，根据时域图起跳点位置，提取干耦合点接触式声波接收换能器(5)的波形初至时间，结合干耦合点接触式声波发射换能器(4)到对应干耦合点接触式声波接收换能器(5)的距离，计算干耦合点接触式声波发射换能器(4)与对应干耦合点接触式声波接收换能器(5)区域岩石试样的超声波波速，进而基于干耦合点接触式声波发射换能器(4)与各个干耦合点接触式声波接收换能器(5)之间的波速值，提供岩石试样不均衡损伤的全方位监测数据。

6.根据权利要求5所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测方法，其特征在于：所述S1中干耦合点接触声波换能器工作时，实时设置超声波发射脉冲频率，超声波频率设置范围为10KHz-260KHz。

7.根据权利要求5所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测方法，其特征在于：所述岩石试样在加载前进行声波衰减标定测试，针对岩石全应力-应变试验中的多形态多尺寸岩石试样，设置超声波频率避开岩石自身的声发射频率频段，试验后通过对接收波形幅频特性的自动辨析，实现超声波与声发射信号同步识别。

8.根据权利要求5所述的基于声波干耦合的岩石全应力-应变损伤监测方法，其特征在于：所述干耦合点接触式声波发射换能器(4)与干耦合点接触式声波接收换能器(5)适应曲率K≤0.06mm^-1的工作面,布置距离范围1-20cm。