990 工程科学学报，第42卷，第8期 12试验装置及过程 的传递及信号的接收.非线荷载加载夹与试样之 图l(a)展示了传感器的三维布置方式，巴西 间放置减摩片，以减少端部摩擦.试验前，分别对 圆盘一个平面上布置4个Nano30声发射传感器，距 无应力状态下的线非线荷载巴西圆盘试样进行 离圆盘中心15mm以90°等角分布.另一面同样布 2次波速测量，用于检测传感器与试样表面的耦合 置4个Nano30声发射传感器，以90°等角分布，距 情况，同时测量传感器安装精度及定位误差的计 离圆盘中心15mm,与对面传感器错开45°，相当 算.试验中线啡线荷载以相同的荷载加载速率加 于对面传感器顺时针旋转45°.试样与传感器接触 载直至试样破坏.GAW-2000型微机控制电液伺 部位均匀涂抹耦合剂（硅脂），特制的夹具用于确 服刚性压力试验机的加载速率均为30Ns,保证 保传感器与试样表面的接触稳定，以提高弹性波 其准静态加载 (a) (b) Ultrasonic sensor (c) Nano30 Linear load 0 PAS Pulse amplification system PAD amplifier units PIU Pulser Interface Unit Computer PIU Richter'continuous Acquisition system Slaver I Master (channel 4) Master Non-linear load Slaverl(channel 4) 0 Computer PAD 图1加载装置及声发射信号采集流程.(a)两种加载方式装置：(b)声发射采集系统原理：(c)声发射采集系统实物图 Fig.I Loading devices and acoustic emission signal acquisition setup:(a)two different loading devices;(b)schematic diagram of AE acquisition system; (c)photograph of AE acquisition system 1.3声发射数据采集 量，以测量2为例，500V高压脉冲从S2发射，S1、 图1(b)和图1(c)展示了声发射信号连续采集 S3~S8作为接收器接收信号，通过P波自动到时 的流程及原理.砂岩试样中的微裂纹破裂及人工 拾取而获取到时时差，而后采用网格坍塌搜索算 震源产生的扰动被试样表面的Nano30传感器监 法进行定位.网格坍塌搜索算法是一种常用的定 测后，以电压的形式传输给100kHz~1MHz带通 位算法，Geiger法仅适用于各向同性介质易产生极 的PAD放大器单元.信号被前置放大，增益值设 大定位误差，而单纯形法迭代搜索最小残差使其 定为30dB.而后信号传输到Richter3连续采集系 无法获取全局最优解.网格坍塌搜索算法适用于 统，进行信号连续采集，采集的数据被存储到固态 非均质性和各向异性速度模型，可获得全局最优 硬盘中，Richter3系统由Master--Slaver1组成，每个 解及产生较小的定位误差)将两组脉冲事件（人 Richter可同步连续采集4个通道的数据.为测试 工震源)定位结果与已知传感器位置进行对比，非 传感器安装及定位精度，在加载前，由脉冲发生器 线荷载条件下的定位结果如图2(a)所示.两种加 接口单元PIU依次从传感器S1到S8发射500V 载板条件下的结果表明定位误差在北、东上的分 脉冲.500V脉冲作为人工震源，剩余的7个传感 量的绝对值均不超过9mm.图2(b)给出了阵列分 器作为接收器记录信号 析工具和L2范数计算对假象坐标点(N,E,D)=(10mm, 2试验分析及结论 0,0)的定位残差，定位残差为0-3.08E-6之间，表明 传感器排布有很好的监测效率.综合以上，可认为 2.1传感器阵列及定位精度分析 本研究传感器布设方式的定位精度较高，是合理 试验前对试样进行了2次无应力状态波速测 可靠的1.2    试验装置及过程 图 1（a）展示了传感器的三维布置方式，巴西 圆盘一个平面上布置 4 个 Nano30 声发射传感器，距 离圆盘中心 15 mm 以 90°等角分布. 另一面同样布 置 4 个 Nano30 声发射传感器，以 90°等角分布，距 离圆盘中心 15 mm，与对面传感器错开 45°，相当 于对面传感器顺时针旋转 45°. 试样与传感器接触 部位均匀涂抹耦合剂（硅脂），特制的夹具用于确 保传感器与试样表面的接触稳定，以提高弹性波 的传递及信号的接收. 非线荷载加载夹与试样之 间放置减摩片，以减少端部摩擦. 试验前，分别对 无应力状态下的线/非线荷载巴西圆盘试样进行 2 次波速测量，用于检测传感器与试样表面的耦合 情况，同时测量传感器安装精度及定位误差的计 算. 试验中线/非线荷载以相同的荷载加载速率加 载直至试样破坏. GAW-2000 型微机控制电液伺 服刚性压力试验机的加载速率均为 30 N∙s−1，保证 其准静态加载. 1.3    声发射数据采集 图 1（b）和图 1（c）展示了声发射信号连续采集 的流程及原理. 砂岩试样中的微裂纹破裂及人工 震源产生的扰动被试样表面的 Nano30 传感器监 测后，以电压的形式传输给 100 kHz～1 MHz 带通 的 PAD 放大器单元. 信号被前置放大，增益值设 定为 30 dB. 而后信号传输到 Richter8 连续采集系 统，进行信号连续采集，采集的数据被存储到固态 硬盘中. Richter8 系统由 Master-Slaver1 组成，每个 Richter 可同步连续采集 4 个通道的数据. 为测试 传感器安装及定位精度，在加载前，由脉冲发生器 接口单元 PIU 依次从传感器 S1 到 S8 发射 500 V 脉冲. 500 V 脉冲作为人工震源，剩余的 7 个传感 器作为接收器记录信号. 2    试验分析及结论 2.1    传感器阵列及定位精度分析 试验前对试样进行了 2 次无应力状态波速测 量，以测量 2 为例，500 V 高压脉冲从 S2 发射，S1、 S3～S8 作为接收器接收信号，通过 P 波自动到时 拾取而获取到时时差，而后采用网格坍塌搜索算 法进行定位. 网格坍塌搜索算法是一种常用的定 位算法，Geiger 法仅适用于各向同性介质易产生极 大定位误差，而单纯形法迭代搜索最小残差使其 无法获取全局最优解. 网格坍塌搜索算法适用于 非均质性和各向异性速度模型，可获得全局最优 解及产生较小的定位误差[23] . 将两组脉冲事件（人 工震源）定位结果与已知传感器位置进行对比，非 线荷载条件下的定位结果如图 2（a）所示. 两种加 载板条件下的结果表明定位误差在北、东上的分 量的绝对值均不超过 9 mm. 图 2（b）给出了阵列分 析工具和L2 范数计算对假象坐标点(N,E,D) = (10 mm, 0, 0) 的定位残差，定位残差为 0-3.08E-6 之间，表明 传感器排布有很好的监测效率. 综合以上，可认为 本研究传感器布设方式的定位精度较高，是合理 可靠的. Ultrasonic sensor Nano30 PAS Pulse amplification system PAD amplifier units PIU Pulser Interface Unit Richter8 continuous Acquisition system Master (channel 4) Slaver1 (channel 4) Computer PIU Master Slaver 1 Computer PAD Linear load Non-linear load P P (a) (b) (c) 图 1    加载装置及声发射信号采集流程. （a）两种加载方式装置；（b）声发射采集系统原理；（c）声发射采集系统实物图 Fig.1    Loading devices and acoustic emission signal acquisition setup: (a) two different loading devices; (b) schematic diagram of AE acquisition system; (c) photograph of AE acquisition system · 990 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期