一种水槽物理模型超声波自动检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超声振动检测领域，具体涉及一种水槽物理模型超声波自动检测系统及方法，用于在实验室用超声地震物理模拟实验进行水槽物理模型的超声波自动检测。
【背景技术】
[0002]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，它是实验地震学的一个重要组成部分，又被称为模型地震学。模型地震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勘探开发理论的发展。
[0003]目前地震物理模型实验一般采用压电式超声波探头进行超声波发射和接收。
[0004]这种探头通常由压电晶片组成，其结构比较简单，安装方便，收发可互换。压电接触式探头的内部结构图如图1所示，包括超声辐射面101，声匹配层102，压电陶瓷103，金属盒体104，底座105，屏蔽材料106和引线端子107。
[0005]由压电式探头组成的检测系统如图2所示。发射头将电信号(一般为窄脉冲)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。
[0006]为了使发射和接收时有较好的耦合效果，通常采用水浸法测量，即地质模型放置在水中，探头紧贴水面安装。由压电式发射和接收探头及三维坐标仪组成的地质模型自动检测系统局部如图3所示，包括发射机301，数据采集系统302，三维定位系统303，水槽304，物理模型305，发射探头306，接收探头307和计算机控制系统308，该系统在水浸法测量时可取得比较好的效果。
[0007]压电式超声波探头在对地质模型(尤其对复杂表面模型)进行检测时，由于工艺方面的原因器件，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一定带宽发射和接收，因此测量频带受限，不能反映野外施工宽频接收的实际情况。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种水槽物理模型超声波自动检测系统及方法，利用高灵敏度的光纤光栅传感技术及特性，克服原超声地震物理模拟实验的技术不足，实现超声振动信号与光纤光栅检测技术的有机融合，进行相移光纤光栅传感的水槽物理模型超声波自动检测，提高地震物理模拟实验的能力。
[0009]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0010]一种水槽物理模型超声波自动检测系统，包括:TLS可调激光器，光电探测器、环形器、高精度定位装置、高压脉冲发生器、A/D转换及数据采集卡、计算机、水槽、相移光纤光栅传感器、超声发射探头；
[0011]所述高精度定位装置设置在水槽上方，其包括两个机械臂，每个机械臂能够根据计算机发来的命令在X、Y、Z方向上自由移动；
[0012]所述相移光纤光栅传感器和超声发射探头分别安装在一个机械臂上；
[0013]所述相移光纤光栅传感器的下端和超声发射探头的下端紧贴水槽中的水面；所述高压脉冲发生器与所述超声发射探头的上端连接；
[0014]所述TLS可调激光器与所述环形器的第一端口连接，所述相移光纤光栅传感器的上端与所述环形器的第二端口连接，所述光电探测器与所述环形器的第三端口连接；
[0015]所述光电探测器与所述A/D转换及数据采集卡连接，所述A/D转换及数据采集卡与所述计算机连接。
[0016]所述相移光纤光栅传感器采用的是相移光纤光栅传感探针，其是在单模光纤上刻制相移光纤光栅，然后将带有相移光纤光栅的部分置于光纤夹持棒中或贴在光纤夹持棒的外壁上，另一端从光纤夹持棒的另一端伸出；
[0017]所述带有相移光纤光栅的部分与光纤夹持棒同轴线设置。
[0018]所述光纤夹持棒材料为超声波传导介质。
[0019]所述超声波传导介质包括铝、玻璃管或环氧管。
[0020]由所述TLS可调激光器发出的激光从环形器的第一端口输入，从第二端口输出，然后进入相移光纤光栅传感探针，相移光纤光栅产生的反射光再进入环形器的第二端口，从环形器的第三端口输出，再进入光电探测器，然后A/D转换及数据采集卡对光电探测器的输出信号进行采集，将采集到的信号输入计算机。
[0021 ] 所述高精度定位装置包括三维坐标仪及控制系统；
[0022]所述控制系统包括六轴定位仪控制器、电机控制器和六个伺服电机；
[0023]所述电机控制器控制伺服电机的运行，所述六轴定位仪控制器一方面接收计算机的命令并在译码后送给电机控制器，另一方面根据需要将位置信号送给计算机，还能够根据实验要求在到达检测点后发出同步信号启动所述超声发射探头和A/D转换及数据采集卡进行超声波激发和超声信号的采集。
[0024]所述相移光纤光栅传感探针和超声发射探头分别通过机械夹具安装在三维坐标仪上的机械臂上。
[0025]利用所述水槽物理模型超声波自动检测系统进行水槽物理模型超声波自动测量方法，包括:
[0026]将物理模型放置在水槽中，将高精度定位装置固定在水槽上方；
[0027]在控制系统的控制下机械臂将相移光纤光栅传感探针和超声发射探头移动到紧贴水面的位置；
[0028]超声发射探头通过水面向物理模型传播超声波，模拟地震勘探的地震波激发过程;
[0029]调节TLS可调激光器使激光波长与相移光纤光栅波长一致，在计算机接收到的振动信号稳定时，固定TLS可调激光器的波长；
[0030]使用由高精度定位装置产生的定长同步信号作为超声脉冲发生器发射脉冲的外触发信号进行自动测量。
[0031]所述使用由高精度定位装置产生的定长同步信号作为超声脉冲发生器发射脉冲的外触发信号进行自动测量具体如下:
[0032]①计算机将检测点的起始坐标、终点坐标、步长发送给六轴定位仪控制器；
[0033]②六轴定位仪控制器启动机械臂运行，每当机械臂到达预定检测点时，六轴定位仪控制器发送一次定长同步信号；
[0034]③超声脉冲发生器接收到此定长同步信号后，发出脉冲驱动超声波发射探头在放置物理模型的水面发出超声波信号，同时送出触发信号启动A/D转换及数据采集卡，捕获检测点的超声振动信号，显示和存储数据，即完成该检测点的超声振动数据采集工作。
[0035]④等待下一个检测点的定长同步信号；
[0036]⑤重复③直至所有检测点的数据采集完成。
[0037]与现有技术相比，本发明的有益效果是:该发明具有检测定位精度高、灵敏度高、带宽宽、不受电磁干扰等特点，可替代目前超声波激发超声换能器接收的地震物理模型采集系统，获得了比原地震物理模拟实验系统精度更高、波场更丰富的超声地震物理模拟实验记录。
【附图说明】
[0038]图1是现有压电接触式探头的内部结构图。
[0039]图2是现有水槽地质模型超声波反射式测量示意图。
[0040]图3