CN104655002B - 一种岩石试件变形测量装置及径向轴向变形测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石试件变形测量装置，包括线圈固定套筒，还包括设置在线圈固定套筒中的线圈组和铁芯，线圈固定套筒侧部设置有滑槽，滑槽内设置有滑杆，滑杆一端与铁芯固定支架连接，铁芯调节杆穿过铁芯固定支架并通过螺纹与铁芯固定支架连接，铁芯调节杆一端与铁芯连接。线圈固定套筒和滑杆上均设置有刀片或者卡脚，线圈固定套筒与滑杆之间通过定位销或者弹簧限定相对位置。本发明还公开了一种测量径向变形的方法，还公开了一种测量轴向变形的方法。本发明的测量装置结构简单，易于制造，操作方便，适用性广，可以用于对当前常见的岩石室内单轴、三轴实验的变形测量。

Description

一种岩石试件变形测量装置及径向轴向变形测试方法

技术领域

本发明涉及岩石变形测量技术领域，更具体涉及一种岩石试件变形测量装置，还涉及一种测量径向变形的方法，还涉及一种测量轴向变形的方法，既可运用于岩石室内试验时测量轴向变形，也可用于测量径向变形。

背景技术

圆柱形试件是岩石室内单轴、常规三轴试验的标准试件形式，在其它材料测试领域中也十分常见。试件的轴向及径向变形测量对于了解岩石物理力学性质、确定岩石强度参数是必不可少的。

目前对于圆柱形岩石标准试件的变形测量主要有三种方式：(1)在试件表面直接粘贴电阻应变片进行测量，这是最为简单直观的方法，具有分辨率高、尺寸小、测量范围大、价格低廉等优点，但其测量尺度小，对粘贴质量要求较高，需要熟练的实验员，另外，在岩石试件破裂后测量的仅仅是局部变形，结果不可靠，更有甚者，如果应变片正好粘贴在破裂面上，试件的破裂将会导致应变片断裂，使测量无法继续进行。(2)以应变片为敏感元件的引伸计，具有测量尺度大、安装方便、可重复使用等优点，其缺点是长期使用后粘贴胶水发生蠕变，导致引伸记零点漂移，长期稳定性差。尤其是悬臂梁式的应变引伸计，安装时很难保证悬臂梁平衡对中，导致测量开始前电桥就不平衡，而且测量时需要将试件变形转化为悬臂梁的扰度，引入了额外的系统误差，另外传感器在每次安装时的测量标距也不一样。(3)LVDT测量系统，LVDT是线性可变差动变压器，属于直线位移传感器。该类传感器结构简单、线性度高、重复性好、长期稳定性高，但是直接用于试件变形测量存在较多问题，目前用于轴向变形测量时是量测的试件全长度的变形，里面包含了端部效应的影响，不够准确，用于径向变形测量时通常的做法是采用2个共线的LVDT传感器测量试件直径的变化，但是在安装试件时只能靠肉眼判断是否对中，难以保证两个LVDT传感器所在的直线通过试件截面的圆心，因而容易造成测量误差，且造成的测量误差无法估计。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种岩石试件轴向、径向变形测量装置，通过采用不同的安装方式，将试件的轴向或径向变形转换为LVDT传感器导磁铁芯在两级线圈中位置的变化，从而实现了采用一种岩石试件变形测量装置既可以测量试件轴向变形，又可以测量试件径向变形。

为了实现本目的，其技术解决方案为：

一种岩石试件变形测量装置，包括线圈固定套筒，还包括设置在线圈固定套筒中的线圈组和铁芯，线圈固定套筒侧部设置有滑槽，滑槽内设置有滑杆，滑杆一端与铁芯固定支架连接，铁芯调节杆穿过铁芯固定支架并通过螺纹与铁芯固定支架连接，铁芯调节杆一端与铁芯连接。

如上所述的线圈固定套筒和滑杆上均设置有刀片，滑槽和滑杆上均设置有定位孔，还包括依次穿过滑槽和滑杆上的定位孔的定位销。

如上所述的刀片为L形，L形一边通过压块与线圈固定套筒或滑杆连接，另一端为尖端且垂直于被测样品的侧部，压块与刀片之间还压紧有挂钩，拉簧沿周向缠绕被测样品后两端挂在挂钩上。

如上所述的线圈固定套筒和滑杆上均设置有卡脚，线圈固定套筒与滑杆之间通过弹簧拉紧，链条沿周向缠绕被测样品后两端分别挂在线圈固定套筒上的卡脚和滑杆上的卡脚。

如上所述的链条包括带状分布的滚轮，各个滚轮套设在滚轮轴上，各个滚轮轴之间通过连接条活动连接。

一种测量轴向变形的方法，包括以下步骤：

先将定位销插入定位孔内，用于固定传感器测量标距，再将线圈固定套筒和滑杆上的刀片卡在试件同一条母线上，2条拉簧分别绕在试件圆周并分别挂在线圈固定套筒和滑杆上的挂钩上，移动铁芯调节杆的位置调整传感器零点，然后拔下定位销开始测量，试验时岩石试件产生轴向压缩变形，从而引起线圈固定套筒和滑杆上的刀片带动铁芯固定支架和线圈固定套筒发生相对移动，铁芯调节杆上的导磁铁芯在线圈组中的位置发生变化，数据采集器通过计算机记录轴向变形。

一种测量径向变形的方法，包括以下步骤：

通过弹簧连接铁芯固定支架和线圈固定套筒，在滑杆及线圈固定套筒上分别用螺丝固定一个卡脚，

将链条水平绕在试件中部，2个卡脚分别卡在链条两端的滚轮轴上，在弹簧的作用下，链条紧贴试件表面，移动铁芯调节杆的位置调整传感器零点，试验时岩石试件产生径向膨胀变形，引起2个卡脚张开，从而带动铁芯固定支架和线圈固定套筒发生相对移动，铁芯调节杆上的导磁铁芯在线圈组中的位置发生变化，数据采集器记录下2个卡脚之间的距离变化，进而测得试件径向应变ε_r。

如上所述的试件径向应变ε_r的测量基于以下公式：

其中，n为链条节数，l₀为单节链条长度，R_i为试件变形前半径，r为链条滚轮半径，Δl为2个卡脚间相对位移量。

用于轴向变形测量时，岩石试件产生轴向压缩变形，从而引起上下刀片带动铁芯固定支架和线圈固定套筒发生相对移动，铁芯调节杆的导磁铁芯在线圈组中的位置发生变化，与测量装置相连的数据采集器通过计算机就会记录下试件的轴向变形，试件的轴向应变计算公式如下：

式中，ε_a为轴向应变，h为标距长度，Δh为上下刀片间相对位移量。

用于径向变形测量时，岩石试件产生径向膨胀变形，引起2个卡脚张开，从而带动铁芯固定支架和线圈固定套筒发生相对移动，铁芯调节杆的导磁铁芯在线圈组中的位置发生变化，与测量装置相连的数据采集器通过计算机就会记录下2个卡脚之间的距离变化，进而转换得出试件的径向应变，具体公式如下：

试件径向膨胀前后，链条分布及几何关系如图1、图2所示，其中R_i为试件变形前半径，R_f为试件变形后半径，l_i为试件变形前链条两开口端间距，l_f为试件变形后链条两开口端间距，θ_i为试件变形前链条两开口端圆心角，θ_f为试件变形后链条两开口端圆心角，为单节链条对应的圆心角，r为链条滚轮半径，定义n为链条节数，l₀为单节链条长度，Δl为试件变形前后2个卡脚间相对位移量。由图1的几何关系可得：

试件变形前有：

试件变形后有：

由于链条在试件变形过程中保持不变，则可得到

(5)式经过化简后得：

由图2的几何关系可得：

把式(6)代入式(7)并化简后得到：

试件径向应变计算公式如下：

式(9)中θ_i由式(2)计算。

作为优选的，进行轴向变形测量时，使用2个本发明所述的通用型岩石试件变形测量装置对称安装在试件两侧，采用2个测试值的平均值作为测试结果更为准确合理。

使用多个本发明所述的通用型岩石试件变形测量装置，可同时测量一个岩石试件上多个断面的径向变形。

本发明所述的通用型岩石试件变形测量装置结构简单，易于制造，适用性广，通过采用不同的安装方式，实现了采用一种岩石试件变形测量装置既可以测量试件轴向变形，又可以测量试件径向变形。

附图说明：

附图为本发明的岩石径向变形传感器标定装置结构示意图；

图1为链条分布图；

图2为试件变形前后径向几何关系图；

图3为轴向变形测量示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为径向变形测量示意图；

图6为线圈固定装置剖面图；

图7为滑杆剖面图；

图8为链条结构示意图；

图9为加长型轴向变形测量示意图。

其中：1－铁芯调节杆；2－铁芯固定支架；3－线圈组；4－线圈固定套筒；5－刀片；6－压块；7－挂钩；8－定位销；9－加长杆；10－拉簧；11－弹簧；12－卡脚；13－链条；14－铁芯；15－滑杆；16－线圈安装孔；17－滑槽。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

实施例1：

岩石试件轴向变形的测量。

由图3可知，本发明的主体结构包括铁芯调节杆1、铁芯固定支架2、线圈组3、线圈固定套筒4。铁芯调节杆1由不导磁不锈钢螺杆与导磁铁芯14组成，用于调节导磁铁芯14在线圈3中的中点即输出信号零点位置，铁芯固定支架2由支板和滑杆15组成“L”形状，采用合金铝制造，支板上开有螺纹孔，用于固定铁芯调节杆1，滑杆15断面呈“T”形状，如图7所示，线圈固定套筒4采用合金铝制造，中部开有圆柱形孔用于安装线圈组3，如图6所示，底部开有“T”形状的滑槽17，线圈固定套筒4的一端侧面通过螺丝连接加长杆9，用于调节测量标距，铁芯固定支架2的滑杆15活动的贯穿线圈固定套筒4的滑槽17，在滑杆15和滑槽17上分别开有圆形定位孔，用于安装定位销8以固定标距，在铁芯固定支架2及线圈固定套筒4上分别用螺丝固定一个合金铝压块6，当测量大尺寸的试件时，上压块6固定在加长杆9上，上下刀片5采用弹簧钢制造，通过螺丝固定在上下压块6上，如图4所示，刀片5与压块6之间均夹有挂钩7。

轴向变形测试的主要过程如下：先将定位销8插入定位孔内，用于固定传感器测量标距，再将上下刀片5卡在试件同一条母线上，2条拉簧10绕在试件圆周并分别挂在上下挂钩7上，将测量装置悬挂于岩石试件上，待传感器安装好后通过移动铁芯调节杆1的位置调整传感器零点，然后拔下定位销8开始测量，试验时岩石试件产生轴向压缩变形，从而引起上下刀片5带动铁芯固定支架2和线圈固定套筒4发生相对移动，铁芯调节杆1的导磁铁芯14在线圈组3中的位置发生变化，与测量装置相连的数据采集器通过计算机就会记录下试件的轴向变形。

实施例2：

岩石试件径向变形的测量。

如图5所示，通过弹簧11连接主体结构的铁芯固定支架2和线圈固定套筒4，在铁芯固定支架2及线圈固定套筒4上分别用螺丝固定一个卡脚12。

径向变形测试的主要过程如下：将链条13绕在试件中部并保证水平，2个卡脚12分别卡在链条13开口端的两根滚轮轴上，弹簧11的作用是保证链条13紧贴试件表面，试验时岩石试件产生径向膨胀变形，引起2个卡脚12张开，从而带动铁芯固定支架2和线圈固定套筒4发生相对移动，铁芯调节杆1的导磁铁芯14在线圈组3中的位置发生变化，与测量装置相连的数据采集器通过计算机就会记录下2个卡脚12之间的距离变化。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种测量径向变形的方法，利用岩石试件变形测量装置，岩石试件变形测量装置包括线圈固定套筒(4)，还包括设置在线圈固定套筒(4)中的线圈组(3)和铁芯(14)，线圈固定套筒(4)侧部设置有滑槽(17)，滑槽(17)内设置有滑杆(15)，滑杆(15)一端与铁芯固定支架(2)连接，铁芯调节杆(1)穿过铁芯固定支架(2)并通过螺纹与铁芯固定支架(2)连接，铁芯调节杆(1)一端与铁芯(14)连接，

线圈固定套筒(4)和滑杆(15)上均设置有卡脚(12)，线圈固定套筒(4)与滑杆(15)之间通过弹簧(11)拉紧，链条(13)沿周向缠绕被测样品后两端分别挂在线圈固定套筒(4)上的卡脚(12)和滑杆(15)上的卡脚(12)，

链条(13)包括带状分布的滚轮，各个滚轮套设在滚轮轴上，各个滚轮轴之间通过连接条活动连接，

其特征在于，包括以下步骤：

通过弹簧(11)连接铁芯固定支架(2)和线圈固定套筒(4)，在滑杆(15)及线圈固定套筒(4)上分别用螺丝固定一个卡脚(12)，

将链条(13)水平绕在试件中部，2个卡脚(12)分别卡在链条(13)两端的滚轮轴上，在弹簧(11)的作用下，链条(13)紧贴试件表面，移动铁芯调节杆(1)的位置调整传感器零点，试验时岩石试件产生径向膨胀变形，引起2个卡脚(12)张开，从而带动铁芯固定支架(2)和线圈固定套筒(4)发生相对移动，铁芯调节杆(1)上的导磁铁芯(14)在线圈组(3)中的位置发生变化，数据采集器记录下2个卡脚(12)之间的距离变化，进而测得试件径向变形，

试件径向应变ε_r的测量基于以下公式：

${\mathrm{\θ}}_i=2\mathrm{\π}-2narcsin\left(\frac{l_0}{2(R_i+r)}\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{\mathrm{\Δ}l}{2R_i\[sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i}{2}\right)+ntan\left(\frac{2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_i}{2n}\right)cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i}{2}\right)\]}$

其中，n为链条节数，l₀为单节链条长度，R_i为试件变形前半径，r为链条滚轮半径，Δl为2个卡脚间相对位移量。