CN102954914A - 真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真三轴试验超声波和声发射测试系统，它的真三轴试验装置具有六面加压单元，每一面加压单元与岩块的对应面之间设置超声波和声发射耦合测试换能器，至少一个超声波和声发射耦合测试换能器的通信端连接多通道超声波探伤仪的信号输出端，其余的超声波和声发射耦合测试换能器的通信端通过信号分流器分别连接多通道超声波探伤仪的信号输入端和声发射仪的信号接收端，声发射仪和多通道超声波探伤仪均连接电脑。本发明能对同一个岩块进行超声波和声发射测试，可以为认识岩石的变形、破损规律与力学机制提供更为全面的数据信息，避免了不同岩块自身的差异对测试结果所带来的不利影响。

Description

真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及岩石破坏试验技术领域，具体涉及一种真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法。

技术背景

声发射是材料中由局部应力集中源的能量迅速释放而产生的瞬时弹性波，声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20Hz～20K Hz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。二十世纪七十年代初，声发射技术的研究已经从实验室逐渐走向现场。二十世纪八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件。进入九十年代，美国PAC公司、美国DW公司、德国Vallen Systeme公司和中国的鹏翔科技有限公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。目前人们已将声发射技术广泛应用于石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天航空工业、金属加工、交通运输业以及其他一些行业。

超声波是频率高于20KHz的声波，由于超声波频率很高，波长很短，因而在传播过程中没有衍射现象干扰，所以在测试时波传播的直进性较好，方向性较强，增大了试验的可行性和准确性。第二，由于不同媒介对超声波的吸收能力不同，气体对超声波的吸收能力很强，超声波在气体中几乎不能传播，固体的吸收能力则很弱。根据这一原理利用超声波在有微裂纹的岩样中传播时间和速度的差别，研究各种岩样在压缩过程中裂纹的扩展和体积变化情况。超声波最初用于医学方面的诊断，后来经过发展成为地下工程探测、地质灾害预测、工程无损检测等的一种重要手段。非金属超声波探伤仪广泛用于混凝土和岩土材料强度、厚度、均匀性、损伤等方面的检测，但超声波测试的控制系统多为手动控制，也即达到某一状态后手动开启发射和接收，这对于试验过程中加卸载速率比较高的试验是难以满足要求的，并且多为一发一收或一发双收。计算机技术的成熟和自动化的发展使得多通道超声波探伤仪的发展已经趋于成熟，并在多个领域已经应用，这就为本发明提供了有力的技术支撑。

国内外已将超声波或声发射测试技术应用到岩石材料相关的试验中，并做了大量的分析工作。但是到目前为止，多数为单独使用，即便联合使用也仅是单独分开采用两个系统进行测试，即一个岩块进行超声波测试，另一个岩块进行声发射测试，并未做到真正的耦合测试，且仅仅用于常规的单轴试验中，而在三轴以及真三轴试验中至今尚未见到相关报道。另外，声发射检测主要用于岩石材料，在试验过程中缺陷随载荷、时间等外变量而变化的时实或连续信息，同时，它目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法，该系统和方法能对同一个岩块进行超声波和声发射测试，可以为认识岩石的变形、破损规律与力学机制提供更为全面的数据信息，避免了不同岩块自身的差异对测试结果所带来的不利影响。

为实现此目的，本发明所设计的真三轴试验超声波和声发射测试系统，包括真三轴试验装置、电脑和声发射仪，其特征在于：它还包括超声波和声发射耦合测试换能器、多通道超声波探伤仪和信号分流器，其中，所述真三轴试验装置具有六面加压单元，每一面加压单元与岩块的对应面之间设置超声波和声发射耦合测试换能器，至少一个超声波和声发射耦合测试换能器的通信端连接多通道超声波探伤仪的信号输出端，其余的超声波和声发射耦合测试换能器的通信端通过信号分流器分别连接多通道超声波探伤仪的信号输入端和声发射仪的信号接收端，所述声发射仪和多通道超声波探伤仪均连接电脑。

所述每一面加压单元与岩块的对应面之间均设有加载钢板，所述加载钢板上开设有换能器安装孔，所述超声波和声发射耦合测试换能器设置在换能器安装孔内，所述超声波和声发射耦合测试换能器通过弹簧与换能器安装孔的底部连接，所述超声波和声发射耦合测试换能器与加载钢板垂直布置。

所述超声波和声发射耦合测试换能器与岩块之间采用黄油或凡士林耦合。

所述换能器安装孔的底部固定有刚性垫片，超声波和声发射耦合测试换能器的底部固定有柔性垫片，所述弹簧设置在刚性垫片和柔性垫片之间，所述加载钢板上还设有与换能器安装孔连通的换能器布线孔。

上述技术方案中，它还包括信号放大器，所述信号分流器通过信号放大器连接声发射仪的信号接收端。

所述多个超声波和声发射耦合测试换能器成空间分布。

一种真三轴试验超声波和声发射测试系统的测试方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：操作真三轴试验装置控制其内部的六面加压单元对岩块的六个面施加压力；

步骤2：多通道超声波探伤仪控制直接连接的超声波和声发射耦合测试换能器向被挤压的岩块发出超声波探伤信号；

步骤3：与信号分流器连接的超声波和声发射耦合测试换能器接收由被挤压岩块反射出的超声波探伤信号和岩块被挤压过程中的声发射信号；

步骤4：所述信号分流器将被挤压岩块反射出的超声波探伤信号反馈给多通道超声波探伤仪，信号分流器同时将岩块被挤压过程中的声发射信号发送给声发射仪；

步骤5：所述多通道超声波探伤仪将超声波探伤结果传输给电脑，声发射仪将声发射监测结果传输给电脑，电脑对上述超声波探伤结果和声发射监测结果进行综合分析。

所述步骤4中，信号分流器将岩块被挤压过程中的声发射信号通过信号放大器放大后发送给声发射仪。

所述步骤1之前还包括步骤A：对几组不同应力路径的岩块单独进行声发射测试，一方面用来估计岩块声发射波形的频率，为了和超声波信号区分，在后期数据处理的时候避免超声波信号被当做声发射信号处理，另一方面确定干扰的频率和强度，从而确定信号放大器的放大倍数和电压门槛值。

所述多通道超声波探伤仪的测试时间间隔为每0.5MPa测试一次或每2MPa测试一次。

本发明采用在加载钢板上布置换能器放置孔的方案，保证了超声波和声发射耦合测试换能器在试验过程中始终和岩块接触，同时防止岩块剧烈破坏对换能器的损害，起到保护换能器的作用。这种换能器加载装置的设计在不影响试件均匀受力的同时又可保障换能器正常工作。在换能器的布置时，换能器布置在试样不同表面且其连线不能位于同一个平面内，以确保声发射的空间定位。采用超声波和声发射耦合测试换能器，提高了换能器的利用率。信号线采用双层线，避免外面电磁信号，尤其是交流电的干扰。与换能器相连的信号线从换能器加载装置的出线孔导出，并与多通道信号分流器相连，确保了超声波与声发射信号的正常传输和接收。本发明解决了真三轴试验中换能器安全放置与合理布置以及声发射和超声波耦合测试等问题，对同一个岩块进行测试，可以为认识岩石的变形、破损规律与力学机制提供更为全面的数据信息，避免了不同岩块自身的差异对测试结果所带来的不利影响。

本发明通过设置声发射耦合测试换能器、多通道超声波探伤仪和声发射仪，使得本系统利用上述方法能获得试验过程中岩块裂隙的闭合、开裂、贯通和贯通后摩擦表现出的声发射的撞击数、位置、频率、幅值、能量等随时间的变化特征以及岩块多个测点间波速、波幅、波长等随时间的变化特征，结合应力应变随时间的变化曲线，可准确识别岩石裂纹起裂强度、裂纹失稳扩展强度以及岩石破损演化的规律。为认识岩块的变形、破损规律与力学机制提供了更为全面的数据信息。

另外，本发明技术方案简洁，测试手段可靠，可以从同一个试验监测更多的信息，对岩石破裂机制获得更全面的认识。对不同尺寸岩石的测点进行优化，该装置与系统在室内和室外真三轴试验中均可使用，可广泛应用于水利水电工程、交通工程、矿业工程、能源地下储存等工程岩石力学问题的研究，也可用于地震发生机制及预测预报等相关研究。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明中加压单元、加载钢板和岩块部分的结构示意图；

其中，1—真三轴试验装置、1.1—加压单元、2—电脑、3—声发射仪、4—加载钢板、5—超声波和声发射耦合测试换能器、6—多通道超声波探伤仪、7—信号分流器、8—岩块、9—换能器安装孔、10—弹簧、11—刚性垫片、12—柔性垫片、13—信号放大器、14—换能器布线孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1和2所示的真三轴试验超声波和声发射测试系统，包括真三轴试验装置1、电脑2、声发射仪3、超声波和声发射耦合测试换能器5、多通道超声波探伤仪6和信号分流器7，其中，所述真三轴试验装置1具有六面加压单元1.1，每一面加压单元1.1与岩块8的对应面之间设置超声波和声发射耦合测试换能器5，至少一个超声波和声发射耦合测试换能器5的通信端连接多通道超声波探伤仪6的信号输出端，其余的超声波和声发射耦合测试换能器5的通信端通过信号分流器7分别连接多通道超声波探伤仪6的信号输入端和声发射仪3的信号接收端，声发射仪3和多通道超声波探伤仪6均连接电脑2。上述超声波和声发射耦合测试换能器5为市场购买，其传感器技术参数选择为：带宽100~500kHz，谐振频率400kHz，灵敏度大于65dB。

上述技术方案中，每一面加压单元1.1与岩块8的对应面之间均设有加载钢板4，加载钢板4上开设有换能器安装孔9，换能器安装孔9内设有超声波和声发射耦合测试换能器5，超声波和声发射耦合测试换能器5通过弹簧10与换能器安装孔9的底部连接，超声波和声发射耦合测试换能器5与加载钢板4垂直布置。考虑到超声波和声发射耦合测试换能器5只能承受有限的压力，不能直接在压力机荷载下工作，在换能器加载装置设计时，采用在加载钢板4上布置换能器安装孔9放置换能器的方案。

上述技术方案中，超声波和声发射耦合测试换能器5与岩块8之间采用黄油或凡士林耦合。所述黄油或凡士林作为换能器与岩石之间的耦合剂。

上述技术方案中，换能器安装孔9的底部固定有刚性垫片11，超声波和声发射耦合测试换能器5的底部固定有柔性垫片12，刚性垫片11和柔性垫片12之间设置弹簧10，加载钢板4上还设有与换能器安装孔9连通的换能器布线孔14。上述换能器安装孔9与加载钢板4垂直布置，换能器布线孔14与换能器安装孔9垂直布置，超声波和声发射耦合测试换能器5的电路线从换能器布线孔14中走出，弹簧10单独对超声波和声发射耦合测试换能器5施加推力，弹簧10的一端与刚性垫片11相连放置在换能器安装孔9底部，弹簧10的另一端通过柔性垫片12对超声波和声发射耦合测试换能器5施加较小的推力。

上述技术方案中，它还包括信号放大器13，信号分流器7通过信号放大器13连接声发射仪3的信号接收端。

上述技术方案中，所述多个超声波和声发射耦合测试换能器5成空间分布。超声波与声发射耦合测试换能器5，布置在岩块的不同侧面且其连线不能位于同一个平面内，声波发射端与接收端的连线至少有两条经过主破裂面。

上述技术方案中，各个超声波与声发射耦合测试换能器5之间的夹角最好在30o以上。

一种利用上述真三轴试验超声波和声发射测试系统的测试方法，它包括如下步骤：

步骤1：操作真三轴试验装置1控制其内部的六面加压单元1.1对岩块的六个面施加压力；

步骤2：多通道超声波探伤仪6控制对应的超声波和声发射耦合测试换能器5向被挤压的岩块发出超声波探伤信号；

步骤3：与信号分流器7连接的超声波和声发射耦合测试换能器5接收由被挤压岩块反射出的超声波探伤信号和岩块被挤压过程中的声发射信号；

步骤4：所述信号分流器7将被挤压岩块反射出的超声波探伤信号反馈给多通道超声波探伤仪6，信号分流器7同时将岩块被挤压过程中的声发射信号发送给声发射仪3；

步骤5：所述多通道超声波探伤仪6将超声波探伤结果传输给电脑2，声发射仪3将声发射监测结果传输给电脑2，电脑2对上述超声波探伤结果和声发射监测结果进行综合分析并进行可视化显示。

上述技术方案中，步骤4中，信号分流器7将岩块被挤压过程中的声发射信号通过信号放大器13放大后发送给声发射仪3。

上述技术方案中，步骤1之前还包括步骤A：对几组不同应力路径的岩块单独进行声发射测试，一方面用来估计岩块声发射波形的频率，为了和超声波信号区分，在后期数据处理的时候避免超声波信号被当做声发射信号处理，另一方面确定干扰的频率和强度，从而确定信号放大器13的放大倍数和电压门槛值。

上述技术方案中，在真三轴试验装置1加载速率低时，多通道超声波探伤仪6的测试时间间隔为每0.5MPa测试一次，在真三轴试验装置1加载速率高时，每2MPa测试一次。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种真三轴试验超声波和声发射测试系统，包括真三轴试验装置（1）、电脑（2）和声发射仪（3），其特征在于：它还包括超声波和声发射耦合测试换能器（5）、多通道超声波探伤仪（6）和信号分流器（7），其中，所述真三轴试验装置（1）具有六面加压单元(1.1)，每一面加压单元(1.1)与岩块（8）的对应面之间设置超声波和声发射耦合测试换能器（5），至少一个超声波和声发射耦合测试换能器（5）的通信端连接多通道超声波探伤仪（6）的信号输出端，其余的超声波和声发射耦合测试换能器（5）的通信端通过信号分流器（7）分别连接多通道超声波探伤仪（6）的信号输入端和声发射仪（3）的信号接收端，所述声发射仪（3）和多通道超声波探伤仪（6）均连接电脑（2）。

2.根据权利要求1所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统，其特征在于：所述每一面加压单元(1.1)与岩块（8）的对应面之间均设有加载钢板（4），所述加载钢板（4）上开设有换能器安装孔（9），所述超声波和声发射耦合测试换能器（5）设置在换能器安装孔（9）内，所述超声波和声发射耦合测试换能器（5）通过弹簧（10）与换能器安装孔（9）的底部连接，所述超声波和声发射耦合测试换能器（5）与加载钢板（4）垂直布置。

3.根据权利要求2所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统，其特征在于：所述超声波和声发射耦合测试换能器（5）与岩块（8）之间采用黄油或凡士林耦合。

4.根据权利要求2所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统，其特征在于：所述换能器安装孔（9）的底部固定有刚性垫片（11），超声波和声发射耦合测试换能器（5）的底部固定有柔性垫片（12），所述弹簧（10）设置在刚性垫片（11）和柔性垫片（12）之间，所述加载钢板（4）上还设有与换能器安装孔（9）连通的换能器布线孔（14）。

5.根据权利要求1所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统，其特征在于：它还包括信号放大器（13），所述信号分流器（7）通过信号放大器（13）连接声发射仪（3）的信号接收端。

6.根据权利要求1所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统，其特征在于：所述多个超声波和声发射耦合测试换能器（5）成空间分布。

7.一种利用权利要求1所述真三轴试验超声波和声发射测试系统，所述系统的测试方法包括如下步骤：

步骤1：操作真三轴试验装置（1）控制其内部的六面加压单元(1.1)对岩块的六个面施加压力；

步骤2：多通道超声波探伤仪（6）控制直接连接的超声波和声发射耦合测试换能器（5）向被挤压的岩块发出超声波探伤信号；

步骤3：与信号分流器（7）连接的超声波和声发射耦合测试换能器（5）接收由被挤压岩块反射出的超声波探伤信号和岩块被挤压过程中的声发射信号；

步骤4：所述信号分流器（7）将被挤压岩块反射出的超声波探伤信号反馈给多通道超声波探伤仪（6），信号分流器（7）同时将岩块被挤压过程中的声发射信号发送给声发射仪（3）；

步骤5：所述多通道超声波探伤仪（6）将超声波探伤结果传输给电脑，声发射仪（3）将声发射监测结果传输给电脑，电脑对上述超声波探伤结果和声发射监测结果进行综合分析。

8.根据权利要求7所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统的测试方法，其特征在于：所述步骤4中，信号分流器（7）将岩块被挤压过程中的声发射信号通过信号放大器（13）放大后发送给声发射仪（3）。

9.根据权利要求8所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统的测试方法，其特征在于：所述步骤1之前还包括步骤A：对几组不同应力路径的岩块单独进行声发射测试，一方面用来估计岩块声发射波形的频率，为了和超声波信号区分，在后期数据处理的时候避免超声波信号被当做声发射信号处理，另一方面确定干扰的频率和强度，从而确定信号放大器（13）的放大倍数和电压门槛值。

10.根据权利要求7所述的真三轴试验超声波和声发射测试系统的测试方法，其特征在于：所述多通道超声波探伤仪（6）的测试时间间隔为每0.5MPa测试一次或每2MPa测试一次。

Images