Aplicaciones prácticas de la piezoelectricidad
Existen muchos tipos de fuentes sísmicas artificiales para el método piezoeléctrico: explosivos, martillos apisonadores (perforadores de roca), cañones de fuentes sísmicas, etc. Los explosivos se utilizan a menudo en la literatura de la antigua Unión Soviética. En Canadá, además de los explosivos, los experimentos nacionales también utilizan cañones sísmicos. La selección de la fuente sísmica considera principalmente el tamaño de energía de la onda elástica excitada, el rango del espectro y la seguridad del lugar de trabajo.
La ventaja de utilizar explosivos es que la energía puede ser muy grande, por lo que se puede aumentar la profundidad de exploración. La eficiencia de la explosión (la intensidad de la señal piezoeléctrica) disminuirá inevitablemente a medida que disminuya la velocidad de la onda de la roca circundante. Por tanto, la selección de la cantidad de explosivo debe basarse en las condiciones geológicas. Por ejemplo, en áreas con sedimentos sueltos en el suelo, las condiciones de excitación son muy desfavorables. No solo la cantidad de explosivos es grande, sino que también está enterrado profundamente. Además, la presión máxima generada por una explosión depende principalmente de la cantidad de aire absorbido en el suelo. Especialmente en agua y suelo no saturados, un ligero aumento en el contenido de aire hará que la presión de explosión disminuya rápidamente a medida que aumenta la distancia desde la fuente del terremoto. Entonces, asegúrate de regarlo. Los explosivos requieren envases impermeables. En la literatura (Bodapov O A, 1992), se analiza el "radio efectivo de explosión" (refiriéndose a la distancia máxima posible entre la fuente que puede excitar señales piezoeléctricas y el cuerpo piezoeléctrico) y la "recepción efectiva de oscilaciones piezoeléctricas". (refiriéndose a la distancia máxima posible entre el cuerpo piezoeléctrico y el punto de medición que puede recibir la señal piezoeléctrica). Esto determina la elección de la cantidad de explosivo y del sistema de observación piezoeléctrico. La carga máxima utilizada por el método piezoeléctrico en la antigua Unión Soviética es de 5 ~ 10 kg (roca blanda, VP < 1000 m/s) a 1 ~ 5 kg (VP > 3000 m/s cuando se trabaja bajo tierra (VP > 3000 m/s); s), la cantidad de explosivo suele ser de 0,1 ~ 2 kg. Los explosivos son explosivos potentes, como trinitrotolueno, amonio, trimetilamonio, trinitramina, etc. Por supuesto, la elección de la cantidad de explosivo no sólo está relacionada con las condiciones geológicas sísmicas, sino que también depende de la profundidad de exploración requerida. Para resolver una serie de tareas de censo y reconocimiento detallado dentro de una determinada profundidad de exploración, la ex Unión Soviética desarrolló un conjunto de tablas estándar de valores Q de cantidades explosivas. Las desventajas de utilizar explosivos como fuentes sísmicas son: en primer lugar, la seguridad del lugar de trabajo está muy limitada; en segundo lugar, la interferencia de radiación electromagnética generada por la propia explosión es muy grande; Esta señal de interferencia electromagnética está relacionada con la composición del explosivo y la fragmentación de las rocas cercanas a la fuente del terremoto, y se concentra en la etapa inicial de expansión y difusión del polvo gaseoso del humo de las armas (partículas cargadas).
Figura 4-5-5 Intensidad de campo y profundidad de enterramiento H de varillas piezoeléctricas
Cuando se utiliza un ariete (martillo) como fuente sísmica, la energía de excitación es generalmente pequeña, pero también se utiliza en exploración sísmica. La relación señal-ruido se puede mejorar mediante múltiples métodos de superposición. En el extranjero se utilizan habitualmente entre 500 y 1.000 pilas de apisonamiento. Además, los apisonadores generales son de gran tamaño y están accionados por compresores diésel. Deben mantenerse alejados del lugar de trabajo para reducir la interferencia de las señales electromagnéticas.
El cañón fuente es una fuente común en la exploración sísmica poco profunda en mi país. Se caracteriza por una buena directividad, banda de frecuencia estrecha y alta, energía fuerte y baja interferencia. El arma fuente utiliza el gas a alta presión generado por la pólvora para empujar la ojiva para que se mueva y golpee el medio, produciendo directamente una especie de trabajo mecánico (la explosión de explosivos consiste en convertir la energía química en energía mecánica). La ojiva puede generar una presión de 25000 ~ 29000N/cm2. También se pueden fabricar balas de diferentes tipos de energía según las necesidades. Dado que la bala explota después de penetrar una cierta distancia en el suelo o en la formación rocosa, no causará mucho daño al suelo o a las paredes del pozo, por lo que el lugar de trabajo es muy seguro. El arma pesa alrededor de 14 kg y es fácil de transportar.
(2) Instrumentos de medición
El Instituto de Depósitos Minerales de la Academia China de Ciencias Geológicas ha desarrollado el instrumento piezoeléctrico de campo YYD-1. Consta de amplificación analógica y grabación digital. La parte de amplificación analógica incluye: ocho unidades de amplificación y filtrado independientes, que pueden suprimir interferencias y amplificar señales sísmicas y piezoeléctricas débiles seleccionando adecuadamente los parámetros de filtro y los factores de amplificación del amplificador para satisfacer las necesidades de los convertidores analógicos a digitales que martillan o explotan la señal; el circuito de reconocimiento amplifica y da forma a la señal de martillo o explosión y envía el pulso de disparo a la parte de grabación; el circuito de retardo puede retrasar 0 ~ 999 ms (1 ms por paso) y luego enviar el pulso de disparo a la parte de grabación. La parte de grabación digital consta de una unidad de conversión de analógico a digital de 12 bits y 8 canales y una microcomputadora portátil. Se pueden preestablecer ocho canales a voluntad. Cuando se utiliza un solo canal, la velocidad máxima de adquisición es de 100 kHz. Cuando se trabaja con múltiples canales, la tasa de adquisición real = tasa de adquisición preestablecida/número de canales. El búfer de datos es de 256 KB y se pueden recopilar 128 KB de datos a la vez (cada dato ocupa dos bytes).
Los datos se almacenan en el disco y las curvas de forma de onda piezoeléctrica o sísmica de todos o uno de los canales se pueden mostrar en la pantalla a 512 puntos por página, y se puede obtener una copia impresa de la forma de onda en la impresora.
El detector se utiliza como sensor receptor de ondas elásticas. La señal piezoeléctrica se puede recibir a través de un par de electrodos de tierra (también se utilizan antenas de alambre largo en el extranjero) o a través de una bobina magnética sintonizada (también se utilizan magnetómetros inductivos). utilizado en el extranjero).
(3) Sistema de observación
El sistema de observación (o disposición del dispositivo) se refiere a la posición mutua de la fuente y el sensor que reciben el campo de ondas electromagnéticas y el campo de ondas elásticas. La selección razonable del sistema de observación debe considerar muchos factores: propósito del trabajo; características geológico-geofísicas y morfológicas del cuerpo piezoeléctrico y condiciones de enterramiento; energía de enfoque y sensibilidad de la superficie del instrumento y distribución de túneles y pozos, etc. Se puede clasificar según la relación de combinación de la línea del perfil de explosión, la línea de instalación del sensor y la línea de conexión MN del electrodo receptor. Se puede dividir aproximadamente en las siguientes diez categorías.
(1) Sección longitudinal de la línea. Es decir, los electrodos receptores están dispuestos en el perfil de explosión y el Mn adyacente se puede conectar o superponer (Figura 4-5-6 (a)).
Figura 4-5-6 Sistema de observación piezoeléctrico
(2) Secciones longitudinales a diferentes cotas (se pueden utilizar túneles o agujeros).
(3) La sección transversal recta, es decir, la línea que conecta MN es perpendicular a la sección de explosión (Figura 4-5-6(b)).
(4) Sección longitudinal paralela. Es decir, explota en una sección y se recibe en una o dos secciones adyacentes. El MN puede ser adyacente o superpuesto (Figura 4-5-6(c)).
(5) Sección transversal paralela. Igual que arriba, pero la línea de conexión de MN es perpendicular a la sección de explosión (Figura 4-5-6(d)).
(6) El segmento combinado de la recta, es decir, la combinación de 1 y 2.
(7) Secciones de combinación paralela, es decir, combinación 3 y combinación 4.
(8) Sección longitudinal o transversal inclinada (Figura 4-5-6(e)).
(9) Sección longitudinal circular (o en forma de arco), es decir, el punto de explosión o punto de recepción está fijo en el centro, y el punto de recepción o punto de explosión se mueve en la dirección (Figura 4- 5-6(f)).
(10) Sistema integral de observación. Es decir, los puntos de explosión y los puntos de recepción están dispuestos alternativamente entre perforaciones, túneles y el suelo.
(4) Clasificación de datos de los resultados de observación
En el método piezoeléctrico, el instrumento piezoeléctrico registra simultáneamente las curvas variables en el tiempo de las oscilaciones de onda eléctricas (o magnéticas) y elásticas en el punto de medición. La disposición de los registros de ondas elásticas es completamente similar al método sísmico y se puede organizar en varias curvas de intervalo de tiempo para obtener puntos de velocidad de onda (el instrumento piezoeléctrico YYD-1 se puede utilizar como traza sísmica de un sismógrafo poco profundo). También se pueden realizar las curvas de intervalo de tiempo de la señal piezoeléctrica del mismo punto de medición en relación con diferentes fuentes de terremotos para obtener la velocidad de la onda.
La curva de oscilación de la electricidad a menudo se denomina forma de onda piezoeléctrica o diagrama piezoeléctrico. En primer lugar, debemos clasificar el primer tiempo de llegada de señales útiles (diversas interferencias industriales y las oscilaciones piezoeléctricas de las rocas circundantes son señales de fondo) y el tiempo de llegada de señales útiles continuas; en segundo lugar, debemos prestar atención a la forma, amplitud, frecuencia, y complejidad de la extensión y duración de las señales piezoeléctricas registradas. Al mismo tiempo, para comparar la intensidad de la señal piezoeléctrica en cada punto de medición, el espectro piezoeléctrico debe organizarse en un perfil de intensidad piezoeléctrica o un perfil piezoeléctrico. Tome la relación entre la amplitud máxima de la señal piezoeléctrica (voltios o milivoltios) y la intensidad de la onda sísmica (v o mV) en el mismo punto de medición (o punto fijo) y dibuje un gráfico a lo largo de la línea de medición. Debido a la complejidad de las ondas sísmicas, la intensidad de las ondas sísmicas generalmente se toma como la amplitud de la primera onda que llega.
(5) Explicación de datos y ejemplos
1. Identificación de señales piezoeléctricas anormales
El principio de identificación de señales piezoeléctricas es: ① Porque el efecto piezoeléctrico es El El espectro de la respuesta lineal en el efecto sismoeléctrico debe ser aproximadamente el mismo que el espectro de la onda elástica generada por la fuente sísmica. ②La forma de onda de la señal piezoeléctrica debe ser similar a una oscilación atenuada de onda sinusoidal con una duración determinada. ③Para un solo cuerpo piezoeléctrico, las señales electromagnéticas de diferentes puntos de medición deben llegar al mismo tiempo, y el tiempo de llegada se retrasa a medida que aumenta la distancia desde la fuente al cuerpo piezoeléctrico. Además, en las observaciones de campo, cuando ocurren repetidas explosiones en las mismas condiciones, la repetibilidad de la señal piezoeléctrica es mejor, que también es el método principal para identificar anomalías en el campo (pero cuando la fuente del terremoto está cerca del afloramiento de un cuerpo piezoeléctrico más pequeño, el cuerpo piezoeléctrico se verá afectado por repetidas explosiones y si se daña también provocará que se deteriore la comparabilidad de las señales piezoeléctricas).
Los tipos de interferencias a las señales piezoeléctricas incluyen: ① Radiación electromagnética generada por la propia explosión. Se caracteriza por aparecer temprano en el diagrama de forma de onda piezoeléctrica y, a menudo, aparecer como una forma de onda de pulso agudo de alta intensidad, alta frecuencia y corta duración. Cuando la explosión está muy cerca del cuerpo piezoeléctrico, esta señal de interferencia se superpone a la señal piezoeléctrica, lo que a menudo dificulta la identificación de la forma de onda piezoeléctrica.
Según la experiencia laboral doméstica, el uso de cañones fuente puede reducir en gran medida esta interferencia. ②Diversas interferencias industriales. La interferencia eléctrica industrial de 50 Hz se identifica y elimina fácilmente mediante filtrado digital. Debido a su alta frecuencia, la señal de interferencia emitida por la estación de radio ha sido limitada en el circuito de filtro del instrumento, y no tendrá ningún efecto a menos que la estación transmisora esté cerca del área de trabajo. En el trabajo en túneles, a veces la interferencia de señales electromagnéticas fuertes e irregulares causadas por diversos equipos eléctricos hará que el método piezoeléctrico no pueda funcionar. ③Interferencia electromagnética de la tierra. Generalmente, los campos electromagnéticos terrestres de baja frecuencia no interfieren, pero el método piezoeléctrico no puede funcionar cuando se encuentran tormentas magnéticas. (4) El electrodo de tierra se ve perturbado por cambios en la polarización del electrodo causados por la vibración de las ondas sísmicas. Puede identificarse mediante observaciones repetidas o cambiando el estado de conexión a tierra del electrodo. ⑤Interferencia por efecto sísmico E. Debido a que también es una respuesta sismoeléctrica, es difícil distinguirla. En general, su señal es muy débil, pero cuando el cuerpo sísmico es poco profundo, puede ser muy fuerte. Como se muestra en la Figura 4-5-7, la primera señal fuerte con una diferencia de tiempo de llegada de 4 ~ 15 ms después del martilleo (20 superposiciones) se debe al movimiento dinámico en la interfaz entre la capa de meteorización y el lecho de roca en un ángulo de 1 ~ 3 m bajo tierra Causado por el efecto eléctrico.
2. Determinación de la posición piezoeléctrica
Porque la velocidad de propagación de las ondas elásticas en el medio es completamente despreciable en comparación con las ondas electromagnéticas. Por lo tanto, a partir del diagrama de forma de onda piezoeléctrica multicanal, la distancia entre el foco y la superficie piezoeléctrica se puede obtener multiplicando el tiempo de llegada de la primera onda por la velocidad de propagación de la onda elástica. La velocidad de las olas se puede obtener mediante estudios sísmicos. Cuando el subsuelo (o alrededor del túnel) es un medio uniforme, el problema es simple y la distancia obtenida es precisa. En el caso del dieléctrico multicapa, cuando el cuerpo piezoeléctrico está enterrado en la primera capa, se necesita la velocidad de onda de la primera capa; cuando el cuerpo piezoeléctrico está enterrado en la enésima capa, la velocidad promedio desde la capa 1 hasta la capa n; Se necesita la enésima capa y obtenemos La precisión de la distancia también es muy pobre.
Figura 4-5-7 Señales sísmicas recibidas desde el camino de grava en el área de Hani
En el perfil piezoeléctrico, cuando hay un solo cuerpo piezoeléctrico bajo tierra, el cuerpo piezoeléctrico también puede ser El valor máximo anormal determina la posición del cuerpo piezoeléctrico y su tendencia también se puede determinar cuando el cuerpo piezoeléctrico se inclina lentamente. Cuando hay varios cuerpos piezoeléctricos cerca uno del otro, dado que la diferencia de tiempo entre las ondas elásticas que llegan a cada cuerpo piezoeléctrico es muy corta, la forma de onda piezoeléctrica observada es el efecto combinado de la superposición y es difícil determinar sus posiciones por separado. Además, cuando la primera llegada de la señal piezoeléctrica es menor que la primera llegada de la forma de onda sísmica obtenida en el geófono al punto de medición, la intensidad piezoeléctrica correspondiente debe dibujarse en el foco o en el punto medio entre el foco y el punto de medición. punto basado en esta diferencia. Cuando la primera llegada de electricidad es mayor que la primera llegada de un terremoto, se debe trazar la intensidad piezoeléctrica en el punto de medición. De manera similar al dispositivo dipolo en la prospección eléctrica, cuando la fuente y el dipolo de medición se mueven a lo largo del perfil simultáneamente, aparecerán dos picos en la curva del perfil piezoeléctrico en un solo cuerpo piezoeléctrico, lo que debe observarse durante la interpretación.
La Figura 4-5-8 es el registro original del trabajo de prueba piezoeléctrica en una mina de cristal en el condado de Donghai, provincia de Jiangsu. Me inspiré en un arma fuente en el trabajo. Usando una disposición de dipolos longitudinales, el primer par de dipolos conectados a tierra son recibidos por el sensor magnético al mismo tiempo, y el detector está enterrado entre el segundo y el tercer dipolo. Los minerales cristalinos de esta zona tienen forma de "nido de gallina" y se producen en la capa de grava cuaternaria, que tiene de 1 a 2 m de espesor y es rica en un 30% a un 40% de grava estacional. Las venas estacionales se producen en el gneis inferior y muestran múltiples vetillas. A partir de la primera señal eléctrica observada se pueden distinguir claramente tres anomalías. Las pequeñas oscilaciones eléctricas (f ≈ 130 Hz) que aparecen en la cabeza de YD1 inmediatamente después del tiempo de inicio están relacionadas con la capa de grava poco profunda que responde al tiempo debajo del hipocentro. La anomalía YD2 (f≈75Hz) aparece más tarde, pero aún antes de la primera llegada del canal sísmico S2, y debería ubicarse en la parte poco profunda de la fuente del terremoto, M1N1. La duración anormal de YD1 e YD2 es corta (< < 10 ms), lo que indica que el cuerpo piezoeléctrico es de tamaño pequeño. La anomalía YD3 (f≈34 Hz) aparece después de la llegada inicial de la onda sísmica y dura mucho tiempo. Su fuente debe ubicarse debajo del punto de observación o lejos de la fuente en dirección horizontal. Según el método del arco, se puede encontrar que el cuerpo piezoeléctrico está a unos 40 m de la fuente del terremoto. Dado que la capa de grava está ampliamente distribuida (con cristales en algunas áreas), la señal piezoeléctrica suele ser una forma de onda compleja. La Figura 4-5-9 es la curva de forma de onda de la señal eléctrica de otro punto de medición y los resultados del análisis del espectro de potencia. Como se puede ver en la figura, su frecuencia principal es de aproximadamente 97 Hz, lo que es consistente con la banda de frecuencia principal de las ondas elásticas excitadas por la fuente del terremoto, por lo que se puede determinar que es una señal piezoeléctrica. Además, aunque algunas señales eléctricas son débiles, llegan a varios puntos de medición (diferentes canales) al mismo tiempo y son obviamente comparables, y también pueden considerarse señales piezoeléctricas.
Figura 4-5-8 Registro original del método piezoeléctrico de cierto cristal y mina Yingshi en la provincia de Jiangsu
Figura 4-5-9 Curva de forma de onda piezoeléctrica de cierto cristal y Yingshi mina en la provincia de Jiangsu y espectro eléctrico.
Además, debido a que la distancia entre la fuente y el piezoeléctrico es mínima cuando la fuente está directamente encima del piezoeléctrico, la señal piezoeléctrica llega antes que cuando la fuente está ubicada en otro lugar. Por lo tanto, la posición del cuerpo piezoeléctrico en la sección transversal también se puede determinar basándose en la posición del valor mínimo de la curva tiempo-distancia de la señal piezoeléctrica en diferentes focos (mismo punto de medición).