一种非接触固体地质模型超声波自动检测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种非接触固体地质模型超声波自动检测系统，属于超声波振动检测领域。所述系统包括发射装置、接收装置、高速模数转换器和三维坐标仪平台；被测地质模型、所述发射装置和接收装置均安装在所述三维坐标仪平台上；所述高速数模转换器对接收装置采集的信号进行处理，然后传输给计算机；所述发射装置包括高压脉冲发生器和非接触聚焦型探头。利用本发明专利技术解决了多种常规地质模型模拟系统存在的问题，能对复杂表面模型进行大规模多点非接触式超声波检测，满足了现代地球物理勘探精细模拟的特殊需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声波振动检测领域，具体涉及ー种非接触固体地质模型超声波自动检测系统。
技术介绍
地震物理模拟研究是指利用物理模型对地震及有关现象(特别是波动现象)进行研究，它是实验地质学的ー个重要组成部分，又被称为模型地质学。模型地质学研究中最普遍使用的方法是超声波方法，因此常被称为超声地震模拟。超声地震物理模型实验通过超声波在地质模型中的传播观测对地震波在各种复杂地质体中的传播进行室内模拟观测，并根据观测结果进行地震学研究。它解释和解决了许多地球物理勘探中出现的实际问题，从 而极大地推动了地震学理论的发展。超声波检测也叫超声探伤，是无损检测的ー种。无损检测是在不损坏エ件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种检测手段。目前常用的超声波检测方法主要有两种，接触式測量和非接触測量。①接触式测量接触式測量通常采用压电式超声波探头或其他材料制成的探头。这种探头通常由压电晶片或其他材料(如复合材料)组成，其结构比较简单，安装方便，收发可互換。图I给出的是压电接触式探头的内部结构图。当对固体材料进行测量时，发射探头和接收探头紧贴被测物体表面。发射头将电信号(一般为窄脉沖)转换为超声波信号；而接收头则将超声波信号转换为电信号。②非接触测量目前使用的非接触測量通常由强脉冲激光源和激光测振仪组成。超声波发射部分采用强脉冲激光源。当对模型进行测试时，强脉冲激光源向模型某点(又称为炮点)发射激光脉冲，该点受热会发生热膨胀或熔化，由此产生超声波并向模型内部传送。超声波接收部分采用激光测振仪，它可检测被测物体表面的振动速度或位移。现有的超声波检测方法在用于地质模型检测时存在一定的缺点和局限性。①压电式超声波探头相对简单，价格较低，但在进行地质模型检测时，使用压电式探头进行发射和接收时会产生ー些问题。压电式超声波探头在对固体地质模型(尤其对复杂表面模型)进行检测时，由于エ艺方面的原因器件，检测部分接触面较大，当对曲表面模型进行检测时，探头和模型表面耦合效果差，有时甚至无法耦合；由于现有超声波探头只能进行窄带发射和接收，因此测量不能反映野外施工宽频接收的实际情況。另外由于是接触式測量，采用手动方式则测量效率低、精度差；当通过机械方式移动时每次都要重复进行拔起和放置这个过程，而每次放置点探头和模型间的接触压カ很难做到一致，因此测量的重复性差，容易损坏探头。目前往往ー套固体地质模型的完整测试需要几个月时间，压电式超声波探头远远不能满足科研生产的需要。②激光超声波測量激光超声波測量是ー种非接触超声波測量方法。它可以有效地克服压电式探头存在的问题，但它也存在着ー些问题。由于超声波发射部分采用强脉冲激光源，当强脉冲激光源照射非金属材料时，瞬时产生的高温会损坏被测点表面，使该点及附近地区被烧焦，并产生变形。该点的损坏，会影响下一次在该点的激发效果。而在进行物理模型检测时，要求能在同一个发射点(我们称之为炮点)上多次发射超声波信号，这就意味着该点被强脉冲激光源多次照射，且要求毎次照射前该点的状态不会发生变化，即重复性好，而采用强脉冲激光源很难做到这一点。如果降低发射能量，则产生的超声波发射能量不够，信号无法到达模型深层
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供ー种非接触固体地质模型超声波自动检测系统。能在实验室内真实模拟野外激发和实际数据采集过程，或得高效、快速、准确的采集效果并得到高质量的采集数据。本专利技术是通过以下技术方案实现的ー种非接触固体地质模型超声波自动检测系统，所述系统包括发射装置、接收装置、高速模数转换器和三维坐标仪平台；被测地质模型、所述发射装置和接收装置均安装在所述三维坐标仪平台上；所述高速数模转换器对接收装置采集的信号进行处理，然后传输给计算机；所述发射装置包括高压脉冲发生器和非接触聚焦型探头，所述高压脉冲发生器向非接触聚焦型探头发出高压驱动窄脉冲，所述非接触聚焦型探头则向被测地质模型的炮点发射聚焦脉冲，在炮点处产生超声波井向被测地质模型内部传送；所述接收装置包括激光多普勒测振仪；所述高速模数转换器将激光多普勒测振仪输出的电压信号转化为数字信号送给计算机处理；所述三维坐标仪平台包括两套三维坐标仪、伺服电机控制器和六轴定位仪控制器；所述非接触聚焦型探头和激光多普勒测振仪的激光探头通过机械夹具分别安装在一套三维坐标仪上；每套三维坐标仪根据计算机的命令使非接触聚焦型探头头或激光探头在X、Y、Z方向上进行移动；所述伺服电机控制器控制伺服电机的运行，伺服电机控制三维坐标仪的机械轴的运动；所述六轴定位仪控制器接收计算机的命令并在译码后送给伺服电机控制器，井根据需要将位置信号送给计算机，同时六轴定位仪控制器根据实验要求在到达检测点后发出同步信号启动非接触聚焦型探头的发射过程、激光多普勒测振仪和高速模数转换器的采集过程。所述非接触聚集型探头包括基体和压电陶瓷，所述基体为正面凹、背面凸的弧形结构，有弾性；所述压电陶瓷粘贴在弧形基体的背面，其极化方向沿基体的厚度方向，即基体的法向；当基体的工作模态为弯曲振动时，基体的波峰处和波谷处的位移方向(即波峰或波谷处的法向)均指向同一个焦点；压电陶瓷粘贴在基体的背面的波峰处或波谷处。当基体的工作模态为弯曲振动时，基体的波峰处和波谷处的位移方向均指向同一个焦点；压电陶瓷同时粘贴在波峰处和波谷处；在波峰处的压电陶瓷的极化方向与在波谷处的压电陶瓷的极化方向是相反的。在所述基体的正面设有匹配层，所述匹配层的材料采用多微孔材料，包括气凝胶或多孔高纤维复合材料或多孔聚合材料。。所述高速模数转换器采用24位20M模数转换器。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是①利用本系统能模拟野外勘探的完整采集过程； ②本系统的发射点和接收点极小，发射聚焦点只有0. 2mm,检测符合模型和接触点按野外检波器比例縮小的原则，使模拟效果更加逼真；③本系统接收的结果为高精度数据，可检测到的最小振动信号为0. 02微米。采集到的数据具有较宽的动态范围，可以超过IOOdB ；④本系统对不同大小和不同类型的地震模型，可以通过调整发射能量和接收动态范围以取得最佳的采集效果；⑤由于采用非接触式測量，在对固体曲面地震模型进行检测时，本系统能实现自动检测和有很好的耦合效果，解决了接触測量时检测和发射器件对模型的影响；⑥与原来压电探头接触式測量相比，本系统的采集速度提高了十倍以上，极大地提高了采集生产的效率。附图说明图I是现有技术中的压电接触式探头的内部结构图。图2-1是本专利技术系统中的非接触聚焦型探头的背面示意图。图2-2是本专利技术系统中的非接触聚焦型探头的正面示意图。图3是本专利技术系统中的的压电陶瓷激发探头弯曲振动和聚焦声波的原理示意图。图4是本专利技术系统的工作原理图。图5是本专利技术系统工作过程中的自动采集时序简图。其中，1_1是超声福射面，1-2是声匹配层，1-3是压电陶瓷，1-4是金属盒体，1-5底座，1-6是屏蔽材料，1-7是引线端子；2-1是闻性能PZT, 2-2是福射端面，2-3是基体，2-4是声波福射，2-5是极化方向。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进ー步详细描述ー种非接触固体地质模型超声波自动检测系统，包括发射装置、接收装置、高速模数转换器和三维坐标仪平台；被测地质模型、所述发射装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触固体地质模型超声波自动检测系统，其特征在于：所述系统包括发射装置、接收装置、高速模数转换器和三维坐标仪平台；被测地质模型、所述发射装置和接收装置均安装在所述三维坐标仪平台上；所述高速数模转换器对接收装置采集的信号进行处理，然后传输给计算机；所述发射装置包括高压脉冲发生器和非接触聚焦型探头，所述高压脉冲发生器向非接触聚焦型探头发出高压驱动窄脉冲，所述非接触聚焦型探头则向被测地质模型的炮点发射聚焦脉冲，在炮点处产生超声波并向被测地质模型内部传送；所述接收装置包括激光多普勒测振仪；所述高速模数转换器将激光多普勒测振仪输出的电压信号转化为数字信号送给计算机处理；所述三维坐标仪平台包括两套三维坐标仪、伺服电机控制器和六轴定位仪控制器；所述非接触聚焦型探头和激光多普勒测振仪的激光探头通过机械夹具分别安装在一套三维坐标仪上；每套三维坐标仪根据计算机的命令使非接触聚焦型探头头或激光探头在X、Y、Z方向上进行移动；所述伺服电机控制器控制伺服电机的运行，伺服电机控制三维坐标仪的机械轴的运动；所述六轴定位仪控制器接收计算机的命令并在译码后送给伺服电机控制器，并根据需要将位置信号送给计算机，同时六轴定位仪控制器根据实验要求在到达检测点后发出同步信号启动非接触聚焦型探头的发射过程、激光多普勒测振仪和高速模数转换器的采集过程。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵群，杨勤勇，宗遐龄，马中高，王辉明，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，
类型：发明
国别省市：