CN106052932B - 二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统及方法，该系统包括PVDF压电薄膜传感器、射频同轴电缆、放电电阻、示波器和数据处理装置。PVDF压电薄膜传感器所获得的由二氧化碳相变破岩时孔内压力转换而来的电信号经由射频同轴电缆和放电电阻后，由示波器采集，示波器所采集的信号经数据处理装置处理分析，从而获得二氧化碳相变破岩时的孔内压力。此测量系统采用电流模式，只需一条电路，现场操作简单，经济实用。
Description
技术领域
本发明属于动载荷测量领域，涉及一种利用PVDF压电传感器测量二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统及方法。
背景技术
二氧化碳相变破岩技术在煤矿工程和岩土工程等领域获得了应用，但破岩机理研究较少，不能测量破岩时孔内压力大小是根本原因。
目前动载荷测量常用的传感器主要是压阻式和压电式。压阻式传感器在测试时需要外接脉冲电源和触发装置，测量较麻烦，同时传感器在孔内安置时相当不便。压电式石英传感器一般只能用来测量材料表面的动载荷，压电式陶瓷传感器机械强度小，易碎，压电系数小，需要外接电荷放大器，这几类传感器均不适用于二氧化碳相变破岩时孔内压力测量。
因此，有必要设计一种测量结果准确可靠的二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统及方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统及方法，测量结果准确可靠，测量系统简单实用，测量成本经济。
本发明所提供的技术方案为：
一种二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统，包括PVDF压电薄膜传感器7、射频同轴电缆4、放电电阻3、示波器2和数据处理装置1；所述PVDF压电薄膜固定在二氧化碳相变破岩所用的致裂管外壁待测处，致裂管置于孔破岩中；PVDF压电薄膜传感器7的引线末端与射频同轴电缆4连接，紧靠在致裂管外壁上引出孔破岩外；射频同轴电缆4末端并联一个放电电阻3后接入示波器2，示波器2通过信号线与数据处理装置1连接。
所述PVDF压电薄膜传感器7通过双面胶带粘在经打磨除锈处理的致裂管外壁待测处，并用铝箔胶带缠绕数层封装保护。
所述射频同轴电缆4用PVC胶带缠绕在致裂管上，缠绕数层以进行固定和保护。
所述PVDF压电薄膜传感器7厚度为40μm，有效作用面积528mm2。
所述PVDF压电薄膜传感器7两侧的金属接线端子已进行了绝缘处理，方法为：在金属接线端子处喷射一层三防漆，隔绝其与金属管壁的接触，使其与致裂管绝缘，并防止静电和水的干扰。为保证绝缘处理效果，还在金属接线端子处的致裂管外壁上粘一层电胶带，同时在接线端子周围涂一层真空硅脂。
所述的铝箔胶带厚度为0.15mm，带胶面不导电，防水防潮，屏蔽防干扰。
所述PVDF压电薄膜传感器7引线末端与射频同轴电缆4连接处已进行了绝缘处理，处理方法为在连接处喷射一层三防漆，再缠绕数层电胶带，隔绝其与金属管壁的接触，使其与致裂管绝缘并防止静电和水的干扰。
所述射频同轴电缆4特性阻抗为50Ω，长度为50m。
所述放电电阻3为碳膜电阻，阻值为50Ω。
一种二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量方法，采用上述测量装置，测量步骤如下：
将PVDF压电薄膜传感器7用双面胶带粘在经打磨除锈处理的致裂管外壁待测处，并用铝箔胶带缠绕数层封装保护，PVDF压电薄膜传感器7的引线末端与射频同轴电缆4连接，紧靠在致裂管外壁上引出，射频同轴电缆4用PVC胶带缠绕在致裂管上，缠绕数层以进行固定和保护，射频同轴电缆4末端并联一个放电电阻3后接入示波器2，示波器2用信号线【网线】与数据处理装置1【计算机】连接；
PVDF传感器和射频同轴封装保护后，将致裂管置入破岩孔中，填塞封孔材料振捣密实；
调整好示波器2参数，设置为预触发状态，等待记录；
起爆后，示波器2记录PVDF压电薄膜传感器7的电压随时间的变化曲线，将数据读入数据处理装置1，数据处理装置1利用压电原理计算得到二氧化碳相变破岩时的孔内压力。
有益效果：
1)本发明提出了二氧化碳相变破岩时孔内压力测量系统。2)本系统只需一个测试回路，测试设备少，不需电荷放大器，测试系统简单，应用方便，测试材料可重复使用，经济实用。3)PVDF传感器具有体积小、厚度薄(微米级)、灵敏度高、机械强度高、测压范围宽(0-20GPa)、动态频响快(纳秒级)、频带响应宽(10-3Hz-109Hz)、易安装操作、适用恶劣环境、可重复使用等优点，是理想的动载荷测量传感器，其测量结果精度高，稳定一致，准确可靠。4)测量参数包括孔内压力幅值大小、变化范围、频率分布、持续时间等参数，数据丰富。
附图说明
图1为二氧化碳相变破岩时孔内压力测量系统示意图。
图中：1、数据处理装置；2、示波器；3、放电电阻；4、射频同轴电缆；5、封孔材料；6、铝箔胶带；7、PVDF压电薄膜传感器；8、致裂管的卸能头；9、致裂管；10、破岩孔；11、地面；12、致裂管的充装头。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
准备工作：1)采购若干同一厂家同一批次生产的PVDF压电薄膜传感器7，标定后得到压电系数d。2)在PVDF压电薄膜传感器7两侧的金属接线端子处喷射一层三防漆，做绝缘防水处理。3)把处理后的PVDF压电薄膜传感器7与一根约50m的射频同轴电缆4连接，在射频同轴电缆4末端并联一个50Ω放电电阻3(R1)，同时接一个BNC接头，末端并联可有效防止起爆时对电阻的损坏，在PVDF压电薄膜传感器7与射频同轴电缆4的连接处用万用表测量射频同轴电缆4和放电电阻3的总阻值R2。4)PVDF压电薄膜传感器7与射频同轴电缆4的连接处喷射一层三防漆，然后用电胶带缠绕严实。5)把BNC接头接入示波器2，调整示波器参数，预触发后，用手拨弄PVDF压电薄膜传感器7，观察示波器2波形，确认系统通讯完好，能正常工作。
现场测试：1)致裂管9经致裂管的充装头12充装液态二氧化碳，充装后确认通讯完好。2)把致裂管9外壁待测处打磨除锈干净，用双面胶带将PVDF压电薄膜传感器7平顺的粘在待测处，为保证绝缘效果，可在PVDF压电薄膜传感器7接线端子处的管壁上缠绕一层电胶带，同时可在接线端子周围涂一层真空硅脂，在PVDF压电薄膜传感器7上用铝箔胶带6缠绕数圈进行封装保护。3)将射频同轴电缆4紧靠在管壁上顺直引出，用PVC胶带缠绕数层进行固定和保护。4)将致裂管9置入破岩孔内，用封孔材料5填塞封孔振捣密实。5)把示波器2放置在30m外的安全区域，接入电缆4，连接数据处理装置1，设置好示波器2参数为：单触发模式，采样频率1MHz/s，采样时间0.1s，电压量程2.5V，触发位置20％，点击START，进入预触发状态，等待记录。6)起爆后，示波器2记录下了放电电阻3电压U(t)随时间的变化曲线【即PVDF压电薄膜传感器7的电压随时间的变化曲线】，将数据读入数据处理装置1进行处理，关闭示波器2，回收线材4。
数据处理：由示波器2采集的电压信号U(t)，换算为PVDF压电薄膜传感器7产生的电荷量q，根据压电原理，压电元件产生的电荷量与所受的压力成正比，可知，PVDF传感器7产生的电荷量q与压电系数d的比值，即二氧化碳相变破岩时的孔内压力。
本发明测量结果准确可靠，测量系统简单实用，测量成本经济，满足工程实际需求。
Claims (6)
1.一种二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统，其特征在于：包括PVDF压电薄膜传感器(7)、射频同轴电缆(4)、放电电阻(3)、示波器(2)和数据处理装置(1)；所述PVDF压电薄膜传感器固定在二氧化碳相变破岩所用的致裂管外壁待测处，并进行封装保护，致裂管置于孔破岩中；PVDF压电薄膜传感器(7)的引线末端与射频同轴电缆(4)连接，紧靠在致裂管外壁上引出孔破岩外；射频同轴电缆(4)末端并联一个放电电阻(3)后接入示波器(2)，示波器(2)通过信号线与数据处理装置(1)连接；
所述PVDF压电薄膜传感器(7)通过双面胶带粘在经打磨除锈处理后的致裂管外壁待测处，并用铝箔胶带缠绕数层封装保护；
所述PVDF压电薄膜传感器(7)两侧的金属接线端子处喷涂有一层三防漆；金属接线端子处的致裂管外壁上粘有一层电胶带，同时金属接线端子周围涂有一层真空硅脂；
射频同轴电缆(4)用PVC胶带缠绕在致裂管上，缠绕数层以进行固定和保护；
所述PVDF压电薄膜传感器(7)的引线末端与射频同轴电缆(4)连接处喷涂有一层三防漆，并缠绕有数层电胶带。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统，其特征在于，所述PVDF压电薄膜传感器(7)厚度为40μm，有效作用面积528mm2。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统，其特征在于，所述的铝箔胶带厚度为0.15mm，带胶面不导电。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统，其特征在于，所述的射频同轴电缆(4)特性阻抗为50Ω，长度为50m。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量系统，其特征在于，所述的放电电阻(3)为碳膜电阻，阻值为50Ω。
6.一种二氧化碳相变破岩时孔内压力的测量方法，其特征在于：采用权利要求1～5中任一项所述的测量系统，测量步骤如下：
将PVDF压电薄膜传感器(7)用双面胶带粘在经打磨除锈处理的致裂管外壁待测处，并用铝箔胶带缠绕数层封装保护，PVDF压电薄膜传感器(7)的引线末端与射频同轴电缆(4)连接，紧靠在致裂管外壁上引出，射频同轴电缆(4)用PVC胶带缠绕在致裂管上，缠绕数层以进行固定和保护，射频同轴电缆(4)末端并联一个放电电阻(3)后接入示波器(2)，示波器(2)用信号线与数据处理装置(1)连接；
对PVDF压电薄膜传感器和射频同轴电缆进行封装保护后，将致裂管置入破岩孔中，填塞封孔材料振捣密实；
调整好示波器(2)参数，设置为预触发状态，等待记录；
起爆后，示波器(2)记录PVDF压电薄膜传感器(7)的电压随时间的变化曲线，将数据读入数据处理装置(1)，数据处理装置(1)利用压电原理计算得到二氧化碳相变破岩时的孔内压力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |