CN103822573B - 一种岩石试样体积变形测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石试样体积变形测量装置及测量方法，属于岩石力学测试技术领域。本发明包括大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元，大、中主应力测量单元均通过LVDT位移传感器的铁芯与触针相接触测量；小主应力测量单元的LVDT位移传感器通过支臂及磁铁固定，LVDT位移传感器的铁芯通过另一组支臂及磁铁固定。本发明摒弃了传统的采用应变片配合应变式传感器的测量方式，利用LVDT位移传感器进行测量，由于LVDT位移传感器具有无摩擦测量、理论上无限的寿命、无限的分辨率及环境适应性强的优点，使本发明的装置具有受温度影响小、测量精度高及测量稳定性高的特点，成本更加适中，结构简单且方便安装。

Description

一种岩石试样体积变形测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于岩石力学测试技术领域，特别是涉及一种岩石试样体积变形测量装置及测量方法，具体用于硬岩真三轴试验中的岩石试样体积变形的测量。

背景技术

现阶段，通过硬岩真三轴试验机进行岩石试样体积变形的测量(大主应力及中主应力方向采用刚性加载，小主应力方向采用液压油柔性加载)，最常采用的是应变片配合应变式传感器的测量方式，但是采用应变片配合应变式传感器进行测量仍存在以下无法克服的缺点：

1、应变片具有测量局部性，应变片的变形信息只能反映岩石试样局部的变形特征，对于岩石试样整体变形的反应能力差。

2、应变片的变形容易受到温度的影响，导致应变片的变形不准确，进而影响试验结果的准确性。

3、由于应变片是直接紧贴在岩石试样表面的，则应变片的信号传输导线需要穿过密封胶，在高油压下会导致漏油现象，从而影响试验结果的准确性。

4、应变式传感器在使用一段时间后需要进行标定，工作量非常大，由于长期使用还会导致传感器出现变形疲劳，造成传感器的测量精度不高，测量稳定性差，而采用特种材料和工艺制造的传感器，价格极其昂贵，很难推广使用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种受温度影响小、测量精度高、测量稳定性高、成本适中及安装方便的岩石试样体积变形测量装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩石试样体积变形测量装置，包括大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元；

所述大主应力测量单元包括第一LVDT位移传感器及第一触针，所述第一LVDT位移传感器通过第一传感器支座安装在承压垫块上，第一触针通过第一触针支座安装在承压垫块上，第一触针与第一LVDT位移传感器的第一铁芯相接触；

所述中主应力测量单元包括第二LVDT位移传感器及第二触针，所述第二LVDT位移传感器通过第二传感器支座安装在承压垫块上，第二触针通过第二触针支座安装在承压垫块上，第二触针与第二LVDT位移传感器的第二铁芯相接触；

所述小主应力测量单元包括第三LVDT位移传感器、第一支臂、第二支臂、第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁及第四磁铁，所述第三LVDT位移传感器安装在第一支臂的一端，第一磁铁固装在第一支臂的另一端，所述第二磁铁设置在岩石试样前表面，第一磁铁与第二磁铁相对应；所述第三LVDT位移传感器的第三铁芯与第二支臂的一端相连接，第三磁铁固装在第二支臂的另一端，所述第四磁铁设置在岩石试样后表面，第三磁铁与第四磁铁相对应；

所述大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元在小主应力方向上彼此之间留有安全间隙；

所述第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器及第三LVDT位移传感器均通过数据传输线与数据采集器相连接，数据采集器与主计算机相连接。

所述第一铁芯和第二铁芯的外端均为圆盘形结构，第一触针和第二触针的触头端均为弧面结构。

所述数据采集器选用DOLI-EDC控制器。

采用所述的岩石试样体积变形测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：通过夹具将岩石试样和四块承压垫块预装配夹紧，对岩石试样涂抹密封胶并安装第二磁铁和第四磁铁，第二磁铁、第四磁铁分别位于岩石试样的前、后表面，且第二磁铁、第四磁铁的中心与岩石试样前、后表面的中心相重合，密封胶表面与第二、第四磁铁外表面齐平；

步骤二：将涂胶完成后的岩石试样送入烘干箱内烘干，将烘干后的岩石试样取出，并在四块承压垫块上分别安装第一传感器支座、第一触针支座、第二传感器支座及第二触针支座；

步骤三：将第三LVDT位移传感器安装到第一支臂上，通过第一磁铁与第二磁铁相吸合，使第一支臂固定在岩石试样前表面上方；通过第三磁铁与第四磁铁相吸合，使第二支臂固定在岩石试样后表面上方，再将第二支臂与第三LVDT位移传感器的第三铁芯相连接；在一个承压垫块上设置限位销，令第一、第二支臂紧靠在限位销上；

步骤四：将第二LVDT位移传感器安装到第二传感器支座上，将第二触针安装到第二触针支座上，令第二触针与第二LVDT位移传感器的第二铁芯相接触；

步骤五：将第一LVDT位移传感器安装到第一传感器支座上，将第一触针安装到第一触针支座上，令第一触针与第一LVDT位移传感器的第一铁芯相接触；

步骤六：将安装完LVDT位移传感器的岩石试样送入硬岩真三轴试验机的压力室内，依次将第一、第二、第三LVDT位移传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主计算机相连接；

步骤七：启动主计算机，查看第一、第二、第三LVDT位移传感器的信号是否接收正常，微调各个LVDT位移传感器的位置及触针的伸长量，使各个LVDT位移传感器均位于试验量程范围内；

步骤八：封闭压力室，充油加压，完成大主应力、中主应力及小主应力方向的真三轴加载，并记录下试验数据，此时岩石试样体积变形的测量过程结束。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，摒弃了传统的采用应变片配合应变式传感器的测量方式，转而利用LVDT位移传感器进行测量，由于LVDT位移传感器具有无摩擦测量、理论上无限的寿命、无限的分辨率及环境适应性强的优点，使本发明的装置具有了受温度影响小、测量精度高及测量稳定性高的特点，同时在成本上更加适中，结构上简单且方便安装。

附图说明

图1为本发明的一种岩石试样体积变形测量装置的装配示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为实施例中岩石试样的应力应变曲线图；

图中，1—第一LVDT位移传感器，2—第一铁芯，3—第一触针，4—第一传感器支座，5—第一触针支座，6—第二LVDT位移传感器，7—第二铁芯，8—第二触针，9—第二传感器支座，10—第二触针支座，11—第三LVDT位移传感器，12—第一支臂，13—第二支臂，14—第三铁芯，15—第一磁铁，16—第二磁铁，17—第三磁铁，18—第四磁铁，19—密封胶，20—岩石试样，21—限位销。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种岩石试样体积变形测量装置，包括大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元；

所述大主应力测量单元包括第一LVDT位移传感器1及第一触针3，所述第一LVDT位移传感器1通过第一传感器支座4安装在承压垫块上，第一触针3通过第一触针支座5安装在承压垫块上，第一触针3与第一LVDT位移传感器1的第一铁芯2相接触；

所述中主应力测量单元包括第二LVDT位移传感器6及第二触针8，所述第二LVDT位移传感器6通过第二传感器支座9安装在承压垫块上，第二触针8通过第二触针支座10安装在承压垫块上，第二触针8与第二LVDT位移传感器6的第二铁芯7相接触；

所述小主应力测量单元包括第三LVDT位移传感器11、第一支臂12、第二支臂13、第一磁铁15、第二磁铁16、第三磁铁17及第四磁铁18，所述第三LVDT位移传感器11安装在第一支臂12的一端，第一磁铁15固装在第一支臂12的另一端，所述第二磁铁16设置在岩石试样20前表面，第一磁铁15与第二磁铁16相对应；所述第三LVDT位移传感器11的第三铁芯14与第二支臂13的一端相连接，第三磁铁17固装在第二支臂13的另一端，所述第四磁铁18设置在岩石试样20后表面，第三磁铁17与第四磁铁18相对应；

所述大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元在小主应力方向上彼此之间留有安全间隙；

所述第一LVDT位移传感器1、第二LVDT位移传感器6及第三LVDT位移传感器11均通过数据传输线与数据采集器相连接，数据采集器与主计算机相连接。

所述第一铁芯2和第二铁芯7的外端均为圆盘形结构，第一触针3和第二触针8的触头端均为弧面结构，保证了岩石试样变形过程中触针与铁芯能够始终紧密接触，不会因为岩石试样的变形而彼此脱离。

所述数据采集器选用DOLI-EDC控制器。

采用所述的岩石试样体积变形测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：通过夹具将岩石试样20(尺寸为50×50×100mm的花岗岩试样)和四块承压垫块预装配夹紧，对岩石试样20涂抹密封胶19并安装第二磁铁16和第四磁铁18，第二磁铁16、第四磁铁18分别位于岩石试样20的前、后表面，且第二磁铁16、第四磁铁18的中心与岩石试样20前、后表面的中心(安装磁铁前进行测量标记)相重合，密封胶19表面与第二、第四磁铁外表面齐平；

步骤二：将涂胶完成后的岩石试样20送入烘干箱内烘干，将烘干后的岩石试样20取出，并在四块承压垫块上分别安装第一传感器支座4、第一触针支座5、第二传感器支座9及第二触针支座10；

步骤三：将第三LVDT位移传感器11安装到第一支臂12上，通过第一磁铁15与第二磁铁16相吸合，使第一支臂12固定在岩石试样20前表面上方；通过第三磁铁17与第四磁铁18相吸合，使第二支臂13固定在岩石试样20后表面上方，再将第二支臂13与第三LVDT位移传感器11的第三铁芯14相连接；在一个承压垫块上设置限位销21，令第一、第二支臂紧靠在限位销21上，以防止第三LVDT位移传感器11发生位移；

步骤四：将第二LVDT位移传感器6安装到第二传感器支座9上，将第二触针8安装到第二触针支座10上，令第二触针8与第二LVDT位移传感器6的第二铁芯7相接触；

步骤五：将第一LVDT位移传感器1安装到第一传感器支座4上，将第一触针3安装到第一触针支座5上，令第一触针3与第一LVDT位移传感器1的第一铁芯2相接触；

步骤六：将安装完LVDT位移传感器的岩石试样20送入硬岩真三轴试验机的压力室内，依次将第一、第二、第三LVDT位移传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主计算机相连接；

步骤七：启动主计算机，查看第一、第二、第三LVDT位移传感器的信号是否接收正常，微调各个LVDT位移传感器的位置及触针的伸长量，使各个LVDT位移传感器均位于试验量程范围内，且各个LVDT位移传感器的测量误差均在±0.1％以内；

步骤八：封闭压力室，充油加压，完成大主应力、中主应力及小主应力方向的真三轴加载，并记录下试验数据，此时岩石试样体积变形的测量过程结束，如图3所示，为本实施例中岩石试样的应力应变曲线图。

Claims (4)

1.一种岩石试样体积变形测量装置，其特征在于：包括大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元；

所述大主应力测量单元包括第一LVDT位移传感器及第一触针，所述第一LVDT位移传感器通过第一传感器支座安装在承压垫块上，第一触针通过第一触针支座安装在承压垫块上，第一触针与第一LVDT位移传感器的第一铁芯相接触；

所述中主应力测量单元包括第二LVDT位移传感器及第二触针，所述第二LVDT位移传感器通过第二传感器支座安装在承压垫块上，第二触针通过第二触针支座安装在承压垫块上，第二触针与第二LVDT位移传感器的第二铁芯相接触；

所述小主应力测量单元包括第三LVDT位移传感器、第一支臂、第二支臂、第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁及第四磁铁，所述第三LVDT位移传感器安装在第一支臂的一端，第一磁铁固装在第一支臂的另一端，所述第二磁铁设置在岩石试样前表面，第一磁铁与第二磁铁相对应；所述第三LVDT位移传感器的第三铁芯与第二支臂的一端相连接，第三磁铁固装在第二支臂的另一端，所述第四磁铁设置在岩石试样后表面，第三磁铁与第四磁铁相对应；

所述大主应力测量单元、中主应力测量单元及小主应力测量单元在小主应力方向上彼此之间留有安全间隙；

所述第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器及第三LVDT位移传感器均通过数据传输线与数据采集器相连接，数据采集器与主计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩石试样体积变形测量装置，其特征在于：所述第一铁芯和第二铁芯的外端均为圆盘形结构，第一触针和第二触针的触头端均为弧面结构。

3.根据权利要求1所述的一种岩石试样体积变形测量装置，其特征在于：所述数据采集器选用DOLI-EDC控制器。

4.采用权利要求1所述的岩石试样体积变形测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：通过夹具将岩石试样和四块承压垫块预装配夹紧，对岩石试样涂抹密封胶并安装第二磁铁和第四磁铁，第二磁铁、第四磁铁分别位于岩石试样的前、后表面，且第二磁铁、第四磁铁的中心与岩石试样前、后表面的中心相重合，密封胶表面与第二、第四磁铁外表面齐平；

步骤二：将涂胶完成后的岩石试样送入烘干箱内烘干，将烘干后的岩石试样取出，并在四块承压垫块上分别安装第一传感器支座、第一触针支座、第二传感器支座及第二触针支座；

步骤三：将第三LVDT位移传感器安装到第一支臂上，通过第一磁铁与第二磁铁相吸合，使第一支臂固定在岩石试样前表面上方；通过第三磁铁与第四磁铁相吸合，使第二支臂固定在岩石试样后表面上方，再将第二支臂与第三LVDT位移传感器的第三铁芯相连接；在一个承压垫块上设置限位销，令第一、第二支臂紧靠在限位销上；

步骤四：将第二LVDT位移传感器安装到第二传感器支座上，将第二触针安装到第二触针支座上，令第二触针与第二LVDT位移传感器的第二铁芯相接触；

步骤五：将第一LVDT位移传感器安装到第一传感器支座上，将第一触针安装到第一触针支座上，令第一触针与第一LVDT位移传感器的第一铁芯相接触；

步骤六：将安装完LVDT位移传感器的岩石试样送入硬岩真三轴试验机的压力室内，依次将第一、第二、第三LVDT位移传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主计算机相连接；

步骤七：启动主计算机，查看第一、第二、第三LVDT位移传感器的信号是否接收正常，微调各个LVDT位移传感器的位置及触针的伸长量，使各个LVDT位移传感器均位于试验量程范围内；

步骤八：封闭压力室，充油加压，完成大主应力、中主应力及小主应力方向的真三轴加载，并记录下试验数据，此时岩石试样体积变形的测量过程结束。