CN107202807A - 一种基于中子照相实验台的加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于中子照相实验台的加载装置，是一种利用中子射线成像技术于多场环境下研究多孔介质非饱和渗流过程的加载装置。所述加载装置包括加载箱、加载套筒、环绕加载器、实验试样、温度控制器、供液器、固定台、分度旋转器和支撑柱。其中所述加载箱、加载套筒和环绕加载器，可分别实现对实验试样的加载；所述温度控制器、供液器可分别实现对实验试样的加温和供液。因此本发明可满足对实验试样多环境场的模拟。所述分度旋转器可以以一定角度转动，可实现中子射线的多角度照射与观测，得到三维立体的实验数据和图像。

Description

一种基于中子照相实验台的加载装置
技术领域
本发明涉及中子射线照相技术，尤其是涉及一种基于中子照相实验台的加载装置，具体是一种运用中子射线扫描成像技术，在可加温加压状态下研究多孔介质非饱和渗流过程的加载装置。
背景技术
NR(Neutron Radiography)即中子射线照相技术，作为一种先进的无损检测技术，在工业生产中应用越来越广泛。在做检测或实验研究时需要选择合适的中子源，目前可选用的中子源主要有核反应堆中子源、含有大型加速装置的中子源、小放射性或有加速装置的中子源。根据中子源的不同，可产生快中子、慢中子、伽马等射线，对中子散射和成像仪器的设计及其性能有直接的影响。该技术的基本原理是：发射中子射线束对被测试件进行扫描，探测器阵列测定透过试件的射线束强度，并转换成电信号，数据采集系统对电信号经过一系列处理后，获取与扫描透射射线强度成比例的数字化像素阵列数据，最后经由图像重建系统成像。
目前，利用中子照相技术研究岩石非饱和渗流大多为无加载状态下多孔介质试件自发渗吸，部分研究将多孔介质试件进行加载处理后再进行扫描，且无法对试件进行多角度扫描，从而生成图像多为二维图像。较少有研究在原位加载条件下进行，并对工件进行多角度扫描，实时定量化研究流体在非饱和受载多孔介质试件渗吸过程中，饱和度随着入渗时间的空间演化过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于中子照相实验台的加载装置，其可满足对实验试样的多环境场的模拟。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种基于中子照相实验台的加载装置，所述加载装置包括加载箱、加载套筒、环绕加载器、实验试样、温度控制器、供液器、固定台，分度旋转器和支撑柱；所述加载箱由支撑柱支撑，置于固定台上方；所述加载套筒固定于固定台上并位于加载箱下方；所述环绕加载器固定于加载箱侧帮，所述温度控制装置固定于加载套筒上；所述供液器固定于固定台中部空隙并位于加载套筒正下方；所述固定台由螺钉固定在分度旋转器上。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述加载箱有箱体、顶盖和底盖，底盖上设有第一通孔，顶盖、底盖分别由螺钉与箱体相连，加载箱内部由加载器、加载电机和压力传感器组成，其中加载器包含减速器和螺纹丝杠，压力传感器与螺纹丝杠连接，由加载电机驱动进行前进和后退，实现加载功能，压力传感器可以实时监测与记录施加的压力。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述加载套筒包括：套筒，其上端面设有第二通孔，下端为开口设置，由下端部侧耳固定在固定台上，内侧壁上围设了一圈围压凹槽，围压凹槽的环形外壁有一侧孔；加载柱，包括上端头、连接圆柱和下端头,呈哑铃型。下端头位于套筒内部与所述实验试样的上端相接，连接圆柱穿过第二通孔与上端头连接，上端头穿过第一通孔顶部与压力传感器相接，由压力传感器传动实现对实验试样的加载；下端柱，其为凸型，上部与所述实验试样下端相接，下部置于固定台上，下端柱上表面布有圆环形凹槽并以十字形凹槽导通，由轴向通孔与所述供液器相连接；密封胶垫，其为倒凹型，套于所述加载柱中间圆柱上，密封胶垫上端与所述套筒内部顶端连接，底部抵在所述加载柱下端头上部，起到密封作用；密封套，其为圆环形，高度大于所述实验试样高度，顶端与所述密封胶套连接，底端抵在下端柱的台阶上；密封圈，其为环形，套于下端柱下端，上端抵住套筒底座台阶，下端抵住所述固定台，以实现密封功能；所述围压凹槽环绕在所述密封套的外部，高度大于实验试样高度，小于密封套高度，经由围压凹槽的环形外壁的侧孔与所述环绕加载器连接。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述环绕加载器由气压泵和高压气管组成，气压泵经由高压气管与所述套筒相连，将气体注入围压深槽实现对所述实验试件的环绕加压。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述温度控制器由电热丝、温度传感器和导热环组成，电热丝缠绕在导热环悬臂上，温度传感器与导热环连接，导热环固定在所述套筒上，通过热传导实现对所述实验试件的加热。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述供液器由供液泵、液体槽、电磁阀，供液管和遥控开关组成，供液泵置于液体槽中，经供液管穿过第三通孔与所述下端柱轴向通孔相连，由遥控器远程控制遥控开关的开启和关闭，以实现对实验试件的供液。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述固定台上下端面均为圆形，两端面中部由两个矩形块支撑，两个矩形支撑块中间形成矩形空间，固定台上端面中心设有圆形凹槽，圆形凹槽中心设有第三通孔。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述分度旋转器由旋转台、减速器和旋转电机组成，经由螺钉与固定台底部连接，由旋转电机驱动实现分度旋转。
如上所述的基于中子照相实验台的加载装置，所述加载箱、支撑柱和固定台均采用钛合金材料制成；所述加载套筒中的套筒、加载柱和下端柱及所述分度旋转器中的旋转台均采用硬铝LY12材料制成；所述导热环采用多层碳纤维材料制成。
本发明的基于中子照相实验台的加载装置的特点和下优点是：
1、加载装置具有加载器、环绕加载器、供液器、温度控制器、分度旋转器，设计合理，安装简单，解决了如何基于中子照相平台研究多孔介质在加载状态下的非饱和渗流问题；
2、加载装置的加载套筒主要由铝合金材料制成，中子射线对铝合金材质穿透力强，但对氢原子十分敏感，可以实时定量化研究含氢流体在加载状态下的非饱和多孔介质渗吸过程中，饱和度随着入渗时间的空间演化过程；
3、加载装置所选用的加载电机、旋转电机均为伺服电机，可以实现远程操控，规避了射线照射过程中人直接操作的风险；
4、加载装置中加载套筒的组成部分下端柱，可以保证实验试件在加载过程中保持原位状态，下端柱上表面的圆环形凹槽有贮液功能，可为实验试件供液，实现试件在加载过程中进行渗吸；
5、加载装置中的分度旋转器能以一定的角度转动，实现中子射线的多角度照射与观测，得到三维实验数据；
6、加载装置中的加载套筒可通过加载器使其中的加载柱上下活动，加载柱给实验试样端面加载，从而模拟在不同作用力下，实验试样的受载情况；
7、加载装置中的环绕加载器和供液器，通过外接气压泵和供液泵来分别实现环绕加压和供液，以模拟有围压时实验试件的变形和渗流。此外，温度控制器还可以对电热丝通电产生高温，模拟实验试样在加热、加围压、加载条件的渗流情况，从而满足对实验试样的多环境场的模拟研究。
附图说明
图1为本发明的基于中子照相实验台的加载装置结构示意图
图2为本发明的基于中子照相实验台的加载装置的加载箱与环绕加载器剖面示意图
图3为本发明的基于中子照相实验台的加载装置的加载套筒与温度控制器剖面示意图
图4为本发明的基于中子照相实验台的加载装置的固定台与供液器剖面示意图
图5为本发明的基于中子照相实验台的加载装置的分度旋转器剖面示意图
图中：1—加载箱；2—加载套筒；3—固定台；4—分度旋转器；5—环绕加载器；6—实验试样；7—温度控制器；8—供液器；9—支撑柱；11—箱体；12—顶盖；13—底盖；14—加载器；15—加载电机；16—压力传感器；131—第一通孔；21—加载柱；22—密封胶垫；23 —套筒；24—密封套；25—下端柱；26—密封圈；231—第二通孔；211—上端头；212—连接圆柱；213—下端头；232—侧孔；233—围压凹槽；251—圆环形凹槽；252—轴向通孔；31 —圆形凹槽；32—第三通孔；41—旋转台；42—旋转电机；43—减速器；51—气压泵；52—高压气管；71—电热丝；72—温度传感器；73—导热环；81—电磁阀；82—供液泵；83—遥控开关；84—供液管；85—液体槽。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案做进一步描述，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围：
如图1所示,本发明实施例的基于中子照相实验台的加载装置，其包括加载箱1、加载套筒2、固定台3、分度旋转器4、环绕加载器5、实验试样6、温度控制器7、供液器8和支撑柱9；所述加载箱1由支撑柱9连接，并置于固定台3上方；所述加载套筒2固定于固定台3 上并位于加载箱1下方；所述环绕加载器5固定于加载箱1侧帮，所述温度控制器7固定于加载套筒2上；所述供液器8固定于固定台3中部空隙并位于加载套筒1正下方；所述固定台3固定于分度旋转器4上。
根据本发明的一个实施方式，通过所述加载箱1对加载套筒2进行加载，实现轴向加载功能；通过环绕加载器5对加载套筒2进行加载，实现环绕加载功能；通过温度控制器7对加载套筒2加热，实现升温功能；通过供液器8向加载套筒2供液，模拟渗流环境；通过分度旋转器5，控制固定台4旋转，实现多角度扫描。
如图2所示,本发明实施例的基于中子照相实验台的加载装置，所述加载箱包括：箱体 11、顶盖12、底盖13、加载器14、加载电机15和压力传感器16。其中底盖12上设有第一通孔131，顶盖12和底盖13通过螺钉分别与箱体11相连。所述环绕加载器5固定在加载箱 1上，由气压泵51和高压气管52组成。
根据本发明的一个实施方式，所述加载箱1中底盖13由支撑柱9与固定台3连接；加载箱1内部由加载器14、加载电机15和压力传感器16组成，其中加载器14包括减速器和螺纹丝杠，压力传感器16与螺纹丝杠连接，由加载电机15驱动进行前进和后退，实现加载功能，压力传感器16可以实时监测与记录实时加载压力。
如图3所示,本发明实施例的基于中子照相实验台的加载装置，所述加载套筒2包括：加载柱21，密封胶垫22、套筒23、密封套24、下端柱25和密封圈26。套筒23上端面设有第二通孔231，底部为开口设计，由底部侧耳固定在固定台3上。其中加载柱21包括上端头211、连接圆柱212和下端头213,呈哑铃型。下端头213位于套筒23内部与所述实验试样6的上端相接，连接圆柱212穿过第二通孔231与上端头211连接。所述温度控制器7由电热丝71、温度传感器72和导热环73组成，电热丝71缠绕在导热环73的悬臂上，温度传感器72与导热环73连接，导热环73固定在所述套筒23上。
根据本发明的一个实施方式，所述加载器14包括减速器和螺纹丝杠，所述压力传感器 16与螺纹丝杠连接，由加载电机15驱动进行前进和后退，加载柱21的上端头211穿过第一通孔131顶部与压力传感器16相接，并由压力传感器16传动实现对实验试样6的加载，模拟在不同作用力下的实验试样6的受载情况。
根据本发明的一个实施方式，所述下端柱25，上部连接所述实验试样6下端，上表面布有圆环形凹槽251并以十字形凹槽导通，由轴向通孔252与所述供液器8相连接，给所述实验试样6供液，实现其对液体的渗吸。
根据本发明的一个实施方式，所述套筒23内侧壁上围设了一圈围压凹槽233，围压凹槽 233环绕在所述密封套24的外部，高度大于实验试样6的高度，小于密封套24的高度，经由围压凹槽233环形外壁的侧孔232与高压气管52连接，由气压泵51将气体输入围压凹槽233，实现对实验试样6的环绕加压。
根据本发明的一个实施方式，在需要加温时，可对电热丝71通电,使导热环73产生高温，通过热传导实现对所述实验试件6的加热。
因此，本实施例的加载装置能够同时或单独实现对实验试样6的加载、环绕加压、加温和渗吸，从而解决了常规装置不能同时实现对实验试件的多环境场模拟。
根据本发明的一个实施方式，所述加载套筒2中下端柱25嵌入固定台3上部圆形凹槽 31中。所述实验试件6置于密封套24内部，上部连接加载柱21的底部，下部抵住下端柱25的上表面，当实验完毕后，将加载套筒2从固定台3上卸下，取出下端柱25，从而可以方便的更换实验试样6。本实例的加载套筒具有更高的装配拆卸的灵活性。
如图4所示，本发明实施例的基于中子照相实验台的加载装置，所述固定台3上端面中心有一圆形凹槽31，圆形凹槽31中心设有第三通孔32。上下两端面中部由两个立方体块支撑，在两个立方体支撑块中间形成立体空间。所述液体槽85位于该立体空间中，供液泵82 置于液体槽85内，遥控开关83固定在立方体支撑块外侧。
根据本发明的一个实施方式，所述固定台3其上下端面均为圆形，上端面中心圆形凹槽 31与下端柱25相接，下端柱25的轴向通孔252与第三通孔32相通。所示供液泵82与供液管84相接，穿过第三通孔32与下端柱25相连。当需要供液时，由遥控开关83控制，经供液泵82将液体槽85中的液体泵入；当液体注满圆环形凹槽251时控制电磁阀31关闭，给所述实验试样6供液，实现其对液体的渗吸。
如图5所示，本发明实施例的基于中子照相实验台的加载装置，所述分度旋转器4包括：旋转台41、旋转电机42和减速器43，旋转台41经由螺钉与固定台3连接。
根据本发明的一个实施方式，所述分度旋转器4由旋转电机42驱动分度旋转，可实现中子射线的多角度照射与观测，得到三维立体的实验数据和图像。
本发明实施例是适用于中子照相实验台的加载装置，可以针对中子照相实验台的实际情况进行透射，通过结构设计满足加载、环绕加压、加温和渗流要求。本装置可以满足中子射线的透射，在加载、环绕加压(加围压)、加温和渗流的同时通过中子射线观测实验试样的变形和渗流情况，得到三维实验数据和图像，为观测模拟实际情况提供技术手段。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。本领域的技术人员，依据申请文件公开的可以对发明实施例进行各种改动、变型或组合而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述基于中子照相实验台的加载装置包括加载箱、加载套筒、环绕加载器、温度控制器、供液器、固定台、分度器和支撑柱；所述加载箱由支撑柱支撑，并置于固定台上方；所述加载套筒固定于固定台上并位于加载箱下方；所述环绕加载器固定于加载箱侧帮；所述温度控制器固定于加载套筒上；所述供液器固定于固定台中部空隙并位于加载套筒正下方；所述固定台固定于分度器上。
2.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述加载箱有箱体、顶盖和底盖，底盖上设有第一通孔，顶盖和底盖通过螺钉分别与箱体相连，加载箱内部由加载器、加载电机和压力传感器组成，其中加载器包括减速器和螺纹丝杠，压力传感器与螺纹丝杠连接，由加载电机驱动进行前进和后退，实现加载功能，压力传感器可以实时监测与记录加载压力。
3.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述加载套筒包括：
套筒，其上端面设有第二通孔，底部为开口设置，由底部侧耳固定在固定台上，内侧壁上围设了一圈围压凹槽，围压凹槽的环形外壁有一侧孔；
加载柱，包括上端头、连接圆柱和下端头,呈哑铃型。下端头位于套筒内部与所述实验试样的上端相接，连接圆柱穿过第二通孔与上端头连接，上端头穿过第一通孔顶部与压力传感器相接，由压力传感器传动实现对实验试样的加载；
下端柱，其为凸型，上部与所述实验试样下端相接，下部置于固定台上，下端柱上表面布有圆环形凹槽并以十字形凹槽导通，由轴向通孔与所述供液器相连接；
密封胶垫，其为倒凹型，套于所述加载柱连接圆柱上，密封胶垫上端与所述套筒内部顶端连接，底部抵在所述加载柱下端头上部，起到密封作用；
密封套，其为圆环形，高度大于所述实验试样高度，顶端与所述密封胶套连接，底端抵在下端柱的台阶上；
密封圈，其为环形，套于下端柱下端，上端抵住套筒底座台阶，下端抵住所述固定台，以实现密封功能。
围压凹槽，其环绕在所述密封套的外部，高度大于实验试样高度，小于密封套高度，经由围压凹槽的环形外壁的侧孔与所述环绕加载器连接。
4.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述固定台上下端面均为圆形，两端面中部由两个矩形块支撑，两个矩形支撑块中间形成矩形空间，固定台上端面中心有一圆形凹槽，圆形凹槽中心设有第三通孔。
5.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述分度器由旋转台、减速器和旋转电机组成，经由螺钉与固定台底部连接，由旋转电机驱动实现分度旋转。
6.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述环绕加载器由气压泵和高压气管组成，气压泵经高压气管由侧孔与所述套筒相连，将气体注入围压凹槽实现对所述实验试件的环绕加载。
7.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述温度控制器由电热丝、温度传感器和导热环组成，电热丝缠绕在导热环悬臂上，温度传感器与导热环连接，导热环固定在所述套筒上，通过热传导实现对所述实验试件的加热。
8.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述供液器由供液泵、液体槽、电磁阀，供液管和遥控开关组成，供液泵置于液体槽中，经供液管穿过第三通孔与所述下端柱轴向通孔相连，由遥控器远程控制遥控开关的开启和关闭，以实现对实验试件的供液。
9.根据权利要求1所述的基于中子照相实验台的加载装置，其特征在于：所述加载箱、支撑柱和固定台均采用钛合金材料制成；所述加载套筒中的套筒、加载柱和下端柱及所述分度器中的旋转台均采用硬铝LY12材料制成；所述导热环采用多层碳纤维材料制成。
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