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专利名称：岩体工程模型体内超声测试换能器的制作方法
技术领域：
岩石力学与地质工程测试技术领域背景技术 岩体工程的力学模拟(型)试验中，常见的应力、应变与位移等测试多为表面测试为主。即使是在模型体内的模拟层位间采用应变片可进行应变测试，但它存在如下缺点一是受到量程限制，它适合变形不大的刚性体测试，而模型体变形较大、有的是塑性变形；二是不能表征模拟体及被模拟体内在载荷作用下整体或局部的应力变化与分布规律，它的测试仅是代表一个点，或由点连成的线；另外应变片量测方向主要是其长度方向，而且只能测拉伸应变，所以受到方向的限制；三是模型加载试验的载荷多是从零开始直至模型破坏，由于一与二的原因它不能监测其全过程，反映不出模型体整体与局部或块体之间的从始至终的体积变形破坏及块体间的错动、拉开、压紧及扭转的变形规律。模型体内应力测试可以用小型高灵敏度压力盒，但它只能测其垂直方向受力大小，当模型体剪切错动变形时或压力盒后面模型块体产生线性位移时它就无能为力了。利用埋设小型超声换能器进行超声波速量测或波幅能量(衰减)测试，可以达到在模型加载从始至破坏过程中，定性地反映模型体内结构随之变化的规律；与其它有效测试方法共同互为补充、验证，构成模型试验完整测试系统。
另一重要意义是，模型体在载荷作用下，因作用力方向及模型体结构或组成介质等原因，常常在模型体内首先反应、比表面更灵敏、更直接；如有塑性变形，表面比体内反应更滞后。

发明内容
本发明提供一种小型的适合应用于岩土工程模型体内的超声测试换能器。其物理基础一是体积小于小于组成模型体的单元块体，即它本身相对于由块体组成的模型体在结构上、在受力变形破坏机理上可忽略不计；二是它的波长小于小于测距，即在测距范围内被测体是弹性无限体；三是在体积尽量小而频率不能太高，即模型体块体间的粘接软材料厚度小于小于波长，在测距范围内的模型体同样对超声波保证是无限弹性体。
相对一般十几厘米测距、块体粘接间距小于两毫米的试验模型，本发明的超声换能器如附图所示，高是50毫米、直径22毫米的圆柱体，频率50KH、按模型体平均波速为800米/秒，其平均波长是16毫米。
其外形采用圆柱型结构，这样接收与发射主方向呈现360度放射状，便于多方向测试，同时也适应模型体加载试验；为使其具有一定的强度与良好的超声传导，将直径22毫米的外壳(5)设计为壁厚3毫米，外壳与压电陶瓷管之间注满了硅油(4)。在压电陶瓷管两端各安装一个凸形橡胶盖(21，22)，既可固定压电陶瓷管，又可吸收其轴向的振动，减小对径向振动的干扰；当旋紧上盖(7)时，上下橡胶盖(21、22)被压扁，达到密封作用。
外壳(5)两端安装带螺扣的上下盖(1)与(7)，(7)中心有电缆引出孔；电缆引出端的上盖(7)与橡胶盖(22)之间装有带中心孔的铜垫片(6)，它既是压电陶瓷管(3)的一个电极引线和电缆外屏蔽线的连接点，同时通过它又与外壳(5)连接起来，以减小外界干扰；当下螺盖连接好不动时，可从外壳(5)上口安装内部配件，最后拧紧上螺盖(7)时，有了铜垫片还可减小摩擦力，保护了橡胶塞盖(22)，也保证了压电陶瓷管的稳定。


附图为本发明结构图，其中1是换能器下螺盖，2其中21是下橡胶盖，22是上橡胶盖，3是Φ12.5直径、壁厚2毫米、高33毫米的压电陶瓷管，4是硅油，5是外壳圆管，6是铜垫片，7是上盖。
具体实施例方式
金属部件一般机加工就可实现，其中的橡胶盖可以用注射药瓶盖，上盖中心用打孔器打一稍微小于电缆直径的孔，如Φ3毫米电缆，打2.8毫米孔即可。
权利要求
1.一种在岩体工程力学模型试验中进行模型体内超声测试的换能器，其技术特征在被测材料中超声传播的物理理论基础上，设计了小型圆柱型超声换能器；为适应模型的加载试验、换能器的结构设计上在保持较小体积前提下、外壳(5)采取了适当的壁厚、在压电陶瓷管(3)与外壳(5)之间注满了硅油(4)，为固定压电陶瓷管、并减少换能器轴向振动干扰、在其两端各采用了橡胶塞垫(21.22)，换能器两端各有一个螺盖(1、7)、拧紧后压紧了橡胶塞垫固定了压电陶瓷管、既达到一定承载能力、又达到密封效果；换能器有关参数如下频率为50千赫，相对于常见的块体堆砌模型其波长16毫米，高50毫米，直径22毫米；
2.根据权利要求1所述，本发明外形设计成小型圆柱状，上下盖(1、7)采用螺纹扣与外壳(5)连接，这样可以压紧橡胶塞盖(21、22)，起到固定与密封作用；
3.根据权利要求1所述，内部结构上，圆管形外壳(5)与压电陶瓷管(3)之间注满硅油，电缆引出端在上螺盖(7)与橡胶塞盖(22)之间垫有铜垫片(6)；
4.橡胶塞盖(21、22)是凸字形，既居中固定了压电陶瓷管(3)，又在拧紧上螺盖时压紧了上橡胶塞盖(22)，达到了电缆引出线的密封；
全文摘要
所属技术领域岩石力学与地质工程测试技术领域在岩石力学与地质工程研究中，经常要作模型试验；本发明提供一种在载荷作用下，适合模型体内测试用的超声换能器。换能器相对于模型体超声测试，是在符合无限弹性体物理基础上，同时具有模型加载直至破坏的稳定的承载能力。此超声换能器为小型圆柱状，选用的压电陶瓷为圆管形，在压电陶瓷管与外壳之间灌满了硅油，上下安装有橡胶塞盖，由上下螺盖拧紧压严。换能器高50毫米，直径22毫米，频率50千赫，波长16毫米。
文档编号G01B17/00GK1595059SQ20041004965
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月23日 优先权日2004年6月23日
发明者董万里, 李晓, 廖秋林 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所