超声脉冲传输测试方法.docx
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超声脉冲传输测试方法
超声脉冲传输测试方法
超声脉冲传输测试方法
课件内容?
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超声脉冲传输测试原理测试系统实验样品测试方法
目标?
本方法的主要目标是在实验内利用超声脉冲测试方法测量岩石样品及其它介质速度和衰减。
掌握基本和测试技术。
怎样正确的使用实验已有实验设备获取最佳的实验效果。
提高实验测试和分析技能，特别是得到定量的实验结果，并编写实验研究报告的能力。
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一、超声脉冲传输测试原理?
超声脉冲传输法（Pulse-TransmissionMethod）就是测试超声脉冲波在被测介质中传播后所得到的信号。
通过记录脉冲岩石样品的时间，用样品长度除以时间的方法来计算速度。
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通过分析记录的脉冲波形振幅频率变化确定介质的衰减。
脉冲传输法有脉冲透射和反射两种。
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超声波脉冲透射法?
在均匀介质中，波传播的速度与传播路径和旅行时有关：
V=L/TT＝T1－T0T1为实际测试到的时间，T0为除去波在样品中传播的时间，波在测试系统中的时间，也称零时间。
在一块被测样品的两端分别放置一个超声源和一个接收器，测试声波从声源出发到接收的传播时间和所经过的路程。
声波脉冲反射法?
用同一个器件（既可发射超声也可以接收超声）放在测试样品的一端，测试声波从声源到样品的另一端反射到接收器的时间，此时间是经过样品两倍路程的时间，所以速度为V=2L/（T）T＝T1－T0
其它测试方法?
测试超声波速度除直接脉冲透射法还使用其它方法：
如表面速度测量法、半直接脉冲透射法。
两种方法波传播路径不能精确确定。
采用多点测试能部分提高精度。
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直接脉冲透射法表面速度测量法半直接脉冲透射法
二、测试系统?
系统包括：
电脉冲信号发生器、超声换能器、放大器、数学示波器、（A/D模数转换器）和微机。
超声波测试系统框图
1、实验室自组测试系统?
组合仪器的几种方式
带夹持器的声波测试系统?
带夹持器的目的是保证样品与换能器之间有很好的耦合条件，也可使两个换能器在同一轴线上。
2、工作原理和功能?
由脉冲发生器产生一个高电压脉冲信号输给换能器，换能器就产生一个超声频率的振动（纵振动或剪切振动），此振动传递到被测样品内产生能量传播到样品的另一端面被另一个换能器接收，接收换能器把振动为电信号输出给接收器（示波器）接收。
同时，脉冲发生器还产生一个同步触发信号（或电平）给接收器，使两者同步工作。
接收器与微机相连，通过模数转换把模拟的振动电信号转换为数字信号由微机存储。
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1）脉冲信号发生器功能?
由电子振荡器产生一个高压电脉冲信号，同时分出一个低幅度的同步触发信号（或电平）给接收器。
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电脉冲信号发生器大体可分两类：
形、三角形和正弦；脉宽可调，电压幅度一般1）普及型的低幅信号发生器，脉冲形状可变，矩在24伏。
2）专用性仪器，信号电压高超过100伏，单个电脉冲，俯冲形态分方脉冲和尖状脉冲。
方脉冲的脉冲宽度可调，尖状脉冲的最高可达近千伏，脉冲宽度不可调。
特点岩石样品测试和地震物理模型试验所用的脉冲信号发生器最佳指标为：
1）电脉冲信号幅度：
大于200伏，幅度从10伏到最大连续或分档可调；大功率2）脉宽可调范围:
0.1-5微秒，分段分档可调；适用性强3）脉冲上升时间：
10-20纳秒。
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国产FM－1A美国泛美公司产PR5055和5077PR
2）放大器功能?
弱小信号放大。
放大器的主要指标有：
带宽、放大倍数（增益）、噪声。
原则上希望有较宽的带宽和大的放大倍数，这是一对矛盾参数，它取决于电子元器件的性能，放大器本身的噪声对弱小信号的测试影响很大。
3）数学示波器?
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波形显示、传播时间和振幅测试、模数转换（A/D）功能。
时间采样较高，一般大于40MHZ/s；垂直分辨率较低，多数为8位。
有叠加，单次采集等功能。
使用方便。
A/D模数转换器?
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把模拟信号转化为数字信号。
模数转换器的主要性能：
采样的水平和垂直分辨率，分别对应波的时间和振幅的采样率。
垂直分辨率8位时，时间采样率高达1GHz；垂直分辨率提高时，时间采样率降低。
国内有12位分辨率，有20--60MHz的产品，国外产品，23位，20--100MHz。
三、超声换能器?
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超声换能器在工业界的无损探伤中俗称“探头”。
是一种把机械能（振动）转换为电能（电信号）的器件。
超声换能器核心部件是一种压电晶体。
此种晶体会产生一种压电现象（一种存在于特定晶体中的独特效应，当压电材料被施加电场时会产生伸缩变形，相反在施加压力时产生电压）。
常见的压电晶体材料：
石英、铁电体、高分子和复合材料压电晶体有多种振动模式，纵振动产生纵波，剪切振动产生横波，等等。
还有其它材料和形式激发超声：
磁致伸缩、激光致声。
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1、压电材料（晶体）
2、振动模式?
压电元件振动方式也叫模式：
a）厚度振动（伸缩）b）剪切振动c）长度伸缩d）宽度伸缩e）径向伸缩f）环向伸缩g）球径向振动?
振动模式依赖于元件的形状、形状与晶轴的相对关系和电场的取向
3、换能器类型?
把各种形态有压电晶体封装在壳内构成一个器件即为超声换能。
针对各种测试目的有多种形式的换能器。
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岩石物理测试选用“直探头”
1）斜探头2）剪切型3）扭转型
信号大小的度量?
集中振幅的变化常用分贝（decibels－dB）表示，即为两个信号振幅比的对数值（以10为底）：
dB=20log10（A1/A2）A1信号1的振幅，最大值；A2信号2的振幅，测试值。
A1/A2比值dB100/70.71100/50100/25100/10100/11.4142241010036122040
四、脉冲传输测试基本技巧?
实验测试基本技巧包括对测试系统性能的掌握和测试精度的影响因素分析。
测试精度的影响因素：
1）换能器的选择?
2）测试系统的t0时间3）耦合问题4）传播时间的读取?
关键技术：
基本概念和实际经验
1、换能器的选择?
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根据实验目的选择合适的超声换能器。
注意：
1）振动模式：
纵波或是横波。
2）工作频率和宽带特性。
3）波形的极性，纵波的上下起跳和横波的偏振特性。
2、t0—对零时间?
t0时间是测试系统中一种固有时间，包含在测试时间中，在计算介质的速度时要消除这个时间。
V=L/⊿t⊿t--波传播旅行时间，⊿t=t-t0，t为观测时间；L—传播距离。
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t0时间是由测试系统中各种测试仪器电路延迟时间，换能器前保护层延等因素引起。
t0时间测试方法1）对零法把震源和接收换能器直接接触得到的时间即为系统的t0时间。
2）标准试块法使用物理性能较稳定衰减很小的介质作标准试块，得到确定的传播时间。
3）不同长度样品拟合法。
使用同一材料，测得长度不同的时间，用拟合方法计算t0时间。
对零时间的测试
影响t0拾取的现象1）电发脉冲，纵横波测试时都发生；2）换能器前保护层的纵波延迟波形。
不同长度样品拟合法
标准试块?
铝Φ25.4×40cm?
有机玻璃Φ78×40cm
3、耦合问题?
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换能器与测试介质耦合是测试精度中最的问题。
耦合方式1）耦合剂：
纵波用油脂、液态耦合物；横波用粘稠物体，蜂蜜；软质金属薄膜，铝锡泊。
2）夹持器：
使用耦合剂一定要磨合接触，与样品表面平整有关。
横波测试中的耦合物的影响
4、传播时间的读取基本原则：
读取第一个波的起跳时间（负跳或正跳），信号幅度满屏，频率显示按适度。
1）横波波形识别
2）波的识别有限尺寸物体中的波的识别
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