CN107907589A - 高压三轴声学测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海底声学技术领域，具体涉及高压三轴声学测试系统，压力室为竖直的舱体，舱体上下端分别有上端盖和下端盖；上端盖安装有轮辐式压力变送器、排气孔；下端盖上设有注水/放水孔、围压加载孔、反压加载孔、孔压检测孔、水密缆连接孔；下端盖分别与围压加载系统、反压加载系统连接，下端盖与轴向加载缸连接，轴向加载缸与轴压加载系统连接，舱体内设置有样品测试体。本发明能够实现不同围压、不同轴压、不同反压三种压力组合环境，以及固结不排水试验、固结排水试验、不固结不排水试验环境下，海底沉积物样品声速和声衰减测量，并对不同压力环境条件下海底沉积物样品的孔隙水压力与沉积物样品的轴向变形和体积变形进行同步测量。

Description

高压三轴声学测试系统
技术领域
本发明属于海底声学技术领域，具体涉及高压三轴声学测试系统。
技术背景
海底沉积物赋存于不同水深与埋深环境中，其地声属性受海底沉积环境(应力、温度、化学等)与沉积物物理力学性质(颗粒排列方式、骨架结构、孔隙度等)共同影响。其中，应力环境对海底沉积物地声属性的影响是海底声学研究中需要解决的一个重要科学问题。海底沉积物所处应力环境由两部分组成：一是由水深决定的作用于海底的静水压应力环境(水深应力环境)；二是由埋深决定的上覆沉积物自重产生的地应力环境(埋深应力环境)。水深与埋深对海底沉积物地声属性的应力效应不清楚，限制了原位应力环境下海底沉积物地声属性参数的精确获取与海底声场结构的准确认知。
对于应力环境下海底沉积物地声属性响应过程与机理的实验室研究方法目前可划分为静力、动力和波动等三类方法。静力方法以高精度的三轴试验和循环扭剪试验为代表，它通过高精度的力和位移传感器直接测定土体在小应变情况下的应力–应变关系，然后计算小应变剪切模量。动力方法以共振柱为代表，它通过改变对土样施加激振的频率来确定土体的固有(共振)频率，然后基于动力学理论确定土体的剪切模量。目前共振柱方法是公认的测定小应变剪切模量最可靠的方法。波动方法以弯曲元为代表，直接测定土体的剪切波速，然后根据波动理论计算土体小应变剪切模量。弯曲元测试具有原理简单、操作方便、成本低、无损检测和易于移植等特点，近年来已被广泛安装在三轴仪和固结仪等常规土工试验设备中用来测定土体的小应变剪切模量。
但是目前已有应力环境下沉积物声学性质的测量普遍是针对剪切模量与剪切波速，对于海洋地质学家普遍关注的压缩波速应力环境下的测量系统很少。
发明内容
针对上述技术问题，本发明基于三轴测量系统基本测量原理，提供一种高压三轴压应力环境声学测量系统，应用于应力环境下分别开展不同类型海底沉积物地声属性响应过程与机理的研究。具体的技术方案为：
高压三轴声学测试系统，包括压力室、围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统；
所述的压力室为竖直的舱体，舱体上下端分别有上端盖和下端盖；所述的上端盖通过两个连接杆与下端盖连接；上端盖安装有轮辐式压力变送器、排气孔；下端盖上设有注水/放水孔、围压加载孔、反压加载孔、孔压检测孔、水密缆连接孔；
孔压检测孔连接第四高精度压力变送器；
舱体内设置有样品测试体，所述的样品测试体包括安装外壳，安装外壳内有用于放置样品的橡胶模，安装外壳两端分别设置有环形透水石，上端的环形透水石与孔压检测孔连通，下端的环形透水石与围压加载孔、反压加载孔连通；安装外壳上端和下端分别还分别安装发射声学换能器和接收声学换能器；
所述的注水/放水孔分别连接第四高压球阀和第五高压球阀，用于压力室注水/放水；
压力室与升降装置连接；
压力室的围压加载孔与围压加载系统连接，所述的围压加载系统包括第一加压计量缸和第一伺服电机，第一伺服电机依次通过第一同步带传送装置、第一滚珠丝杠与第一加压计量缸连接；第一加压计量缸通过第一补水高压电磁水阀连接第一水箱；第一加压计量缸还通过围压管路与压力室的围压加载孔连接，所述的围压管路依次设置有第一高精度压力表、第一高压电磁水阀、第一高压球阀、第一高精度压力变送器；所述的第一高精度压力表通过第一测压软管连接在所述的围压管路上；所述的第一高精度压力变送器与第一伺服电机连接，通过第一高精度压力变送器实时反馈压力信号给第一伺服电机；
压力室的反压加载孔与反压加载系统连接，所述的反压加载系统包括第二加压计量缸和第二伺服电机，第二伺服电机依次通过第二同步带传送装置、第二滚珠丝杠与第二加压计量缸连接；第二加压计量缸通过第二补水高压电磁水阀连接第二水箱；第二加压计量缸还通过反压管路与压力室的反压加载孔连接，所述的反压管路依次设置有第二高精度压力表、第二高压电磁水阀、第二高压球阀、第二高精度压力变送器；所述的第二高精度压力表通过第二测压软管连接在所述的反压管路上；所述的第二高精度压力变送器与第二伺服电机连接，通过第二高精度压力变送器实时反馈压力信号给第二伺服电机；
压力室的下端盖与轴向加载缸连接，轴向加载缸上设置有位移变送器；所述的轴向加载缸与轴压加载系统连接，所述的轴压加载系统包括第三加压计量缸和第三伺服电机，第三伺服电机依次通过第三同步带传送装置、第三滚珠丝杠与第三加压计量缸连接；第三加压计量缸通过第三补水高压电磁水阀连接第三水箱；第三加压计量缸还通过轴压管路与轴向加载缸连接，所述的轴压管路依次设置有第三高精度压力表、第三高压电磁水阀、第三高压球阀、第三高精度压力变送器；所述的第三高精度压力表通过第三测压软管连接在所述的轴压管路上；所述的轮辐式压力变送器与第三伺服电机连接，通过轮辐式压力变送器实时反馈压力信号给第三伺服电机；
还包括控制系统，所述的控制系统实时控制围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统，并实时检测样品变形位移，并对采集的信息进行实时显示和存储。
本发明提供的高压三轴声学测试系统，能够实现不同围压、不同轴压、不同反压三种压力组合环境，以及固结不排水试验、固结排水试验、不固结不排水试验环境下，海底沉积物样品声速和声衰减测量，并对不同压力环境条件下海底沉积物样品的孔隙水压力与沉积物样品的轴向变形和体积变形进行同步测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的压力室结构示意图；
图3是本发明的压力室的下端盖结构示意图；
图4是本发明的样品测试体结构示意图；
图5是本发明的升降装置结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
一、系统结构组成及工作原理
1.1结构组成
高压三轴声学测试系统是一套闭环数字伺服控制的测试装置，具有方便安装、结构紧凑、控制精度高等特点。如图1所示，高压三轴声学测试系统，包括压力室11、围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统；
如图2所示，所述的11为竖直的舱体，舱体上下端分别有上端盖111和下端盖113；所述的上端盖111通过两个连接杆112与下端盖113连接；上端盖111安装有轮辐式压力变送器9、排气孔；如图3所示，下端盖113上设有注水/放水孔1130、围压加载孔1131、反压加载孔1132、孔压检测孔1133、水密缆连接孔1134；
孔压检测孔1133连接第四高精度压力变送器15；
如图4所示，舱体内设置有样品测试体114，所述的样品测试体114包括安装外壳，安装外壳内有用于放置样品的橡胶模1141，安装外壳两端分别设置有环形透水石1142，上端的环形透水石与孔压检测孔1133连通，下端的环形透水石与围压加载孔1131、反压加载孔1132连通；安装外壳上端和下端分别还分别安装发射声学换能器10.1和接收声学换能器10.2；
所述的注水/放水孔分别连接第四高压球阀7.4和第五高压球阀7.5，用于压力室11注水/放水；
压力室11与升降装置连接；
压力室11的围压加载孔与围压加载系统连接，所述的围压加载系统包括第一加压计量缸18.1和第一伺服电机1.1，第一伺服电机1.1依次通过第一同步带传送装置17.1、第一滚珠丝杠19.1与第一加压计量缸18.1连接；第一加压计量缸18.1通过第一补水高压电磁水阀2.1连接第一水箱3.1；第一加压计量缸18.1还通过围压管路与压力室11的围压加载孔连接，所述的围压管路依次设置有第一高精度压力表5.1、第一高压电磁水阀6.1、第一高压球阀7.1、第一高精度压力变送器8.1；所述的第一高精度压力表5.1通过第一测压软管4.1连接在所述的围压管路上；所述的第一高精度压力变送器8.1与第一伺服电机1.1连接，通过第一高精度压力变送器8.1实时反馈压力信号给第一伺服电机1.1；
压力室11的反压加载孔与反压加载系统连接，所述的反压加载系统包括第二加压计量缸18.2和第二伺服电机1.2，第二伺服电机1.2依次通过第二同步带传送装置17.2、第二滚珠丝杠19.2与第二加压计量缸18.2连接；第二加压计量缸18.2通过第二补水高压电磁水阀2.2连接第二水箱3.2；第二加压计量缸18.2还通过反压管路与压力室11的反压加载孔连接，所述的反压管路依次设置有第二高精度压力表5.2、第二高压电磁水阀6.2、第二高压球阀7.2、第二高精度压力变送器8.2；所述的第二高精度压力表5.2通过第二测压软管4.2连接在所述的反压管路上；所述的第二高精度压力变送器8.2与第二伺服电机1.2连接，通过第二高精度压力变送器8.2实时反馈压力信号给第二伺服电机1.2；
压力室11的下端盖与轴向加载缸12连接，轴向加载缸12上设置有位移变送器13；所述的轴向加载缸12与轴压加载系统连接，所述的轴压加载系统包括第三加压计量缸18.3和第三伺服电机16，第三伺服电机16依次通过第三同步带传送装置17.3、第三滚珠丝杠19.3与第三加压计量缸18.3连接；第三加压计量缸18.3通过第三补水高压电磁水阀2.3连接第三水箱3.3；第三加压计量缸18.3还通过轴压管路与轴向加载缸12连接，所述的轴压管路依次设置有第三高精度压力表14、第三高压电磁水阀6.3、第三高压球阀7.3、第三高精度压力变送器8.3；所述的第三高精度压力表14通过第三测压软管4.3连接在所述的轴压管路上；所述的轮辐式压力变送器9与第三伺服电机16连接，通过轮辐式压力变送器9实时反馈压力信号给第三伺服电机16；
还包括控制系统，所述的控制系统实时控制围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统，并实时检测样品变形位移，并对采集的信息进行实时显示和存储。
压力室11可以形成一个密闭的环境，通过各个加压装置给样品模拟一个压力环境；轴压加载缸可以给样品施加一个轴向的压力；操作压力室的升降装置可以实现压力室舱体上升和下降。压力室11材料选用SUS316L，额定压力为10Mpa，内径尺寸Ф250mm，内部高度640mm。如图5，升降装置采用通过钢丝绳连接的配重块实现对舱体的手动升降，升降范围800mm。
围压加载系统和反压加载系统通过管路连接到压力室上对应的接口可以给样品直接施加0-10MPa的围压和反压。
围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统的加压计量装置采用相同的工作原理和机械结构，只是额定压力不同。围压加载系统、反压加载系统的加压计量装置的额定压力都为10Mpa，分辨率0.1﹪，加载容积500mL；轴压加载系统加压计量装置的额定压力都为16Mpa，分辨率0.1﹪。都是采用伺服电机通过同步带，把动力传输给滚珠丝杠，滚珠丝杠推动活塞缸的方式对系统进行加压，活塞直径Ф40，配合相应的压力变送器形成闭环控制，对加载压力进行精密调节，
轴压加载系统连接到轴向加载缸12，可以给轴向加载缸12施加0-16Mpa的压力，去除围压产生的影响可以给样品施加0-50KN的轴向力。轴压加载通过轴向加载缸12和上端盖上的轮辐式压力变送器9构成的闭环控制系统来精确控制样品的轴向载荷的大小，通过轴向加载缸12上的位移变送器13来监测样品的形变和控制轴压加载速度。轴向加载缸12为采用低摩擦的密封件，油缸型号Ф80xФ40-60，液压系统设计压力16Mpa，压力分辨率0.1﹪,油缸伸出速度0.5-5mm/min。
高压三轴声学测试系统的控制系统，有信号采集及控制器、工控机、控制软件组成，可实时控制围压、反压、轴压的加载力，并实时检测样品变形位移，并对采集的信息进行实时显示和存储。主要有压力和液体体积计量控制系统、声学测试系统、数据采集处理系统三部分组成。可设置不同的工作模式和不同的围压、反压、轴压，并对采集到的的压力信号、应力信号、轴向变形量等实时信号和数据进行记录和分析，并形成相应的参数曲线。
1.2、工作原理
样品安装在压力室11内，样品两端分别安装发射声学换能器10.1和接收声学换能器10.2。当需要给样品施加围压时，先手动打开第四高压球阀7.4和第五高压球阀7.5往压力室11内组满水，当水注满后手动关闭上述两个球阀。
在工控机上的控制系统设置好参数后，围压加载系统根据控制系统的指令先打开第一高压电磁水阀6.1，然后启动第一伺服电机1.1，通过第一同步带传送装置17.1、第一滚珠丝杠19.1推动第一加压计量缸18.1的活塞挤压缸体内的液体，压力室11内就会形成压力，通过第一高精度压力变送器8.1实时反馈的压力信号给第一伺服电机1.1形成一个闭环，从而实现对围压压力的高精度控制。可通过0.4级的第一高精度压力表5.1对围压加载系统施加的压力进行校准。
当第一加压计量缸18.1的活塞推进到极限位置时，围压加载系统会自动暂停，并关闭第一高压电磁水阀6.1，打开第一补水高压电磁水阀2.1，然后让第一伺服电机1.1全速后退，把第一水箱3.1内的水加注到第一加压计量缸18.1内。当检测到第一加压计量缸18.1的活塞后退到极限位置时，关闭第一补水高压电磁水阀2.1然后重复围压的加压步骤。
反压加载系统的加载原理与围压的加载原理相同，但需要检测样品的排水量时，需给反压设定一个基础压力，当压力大于基础压力时第二加压计量缸18.2会自动后退并记录后退的位移，从而得出样品排水的容量。
轴压加载系统通过轴向的第三加压计量缸18.3通过轴向加载缸12给样品进行轴向加载，通过样品顶端的轮辐式压力变送器9反馈的实时压力信号，并形成闭环控制回路，对轴压进行精密控制。通过安装在轴向加载缸12上的位移变送器13实时监测样品的轴向形变位移，并进行实时记录和分析。
二、系统功能概述
实现不同围压、不同轴压、不同反压三种压力组合环境，以及固结不排水试验(CD)、固结排水试验(UD)、不固结不排水试验(UU)环境下，海底沉积物样品声速和声衰减测量，并对不同压力环境条件下海底沉积物样品的孔隙水压力与沉积物样品的轴向变形和体积变形(体积变形通过反压加载位移传感器与截面之积求得)进行同步测量。
试验软件在Windou/7/10中文环境下工作，具有良好的数据处理功能，试验条件和试验结果自动存盘，显示、打印符合相关国家标准的随机组成试验数据、试验曲线、试验报告。
三、主要技术参数
(1)试样尺寸：①直径100mm，长度200mm；
②直径50mm，长度100mm；
(2)轴向荷载加载量程：0-50kN，分辨率0.1％；
(3)轴向位移量程：60.0mm，液体体积分辨率0.01cc
(4)围压：10MPa，分辨率10.0kPa；
(5)反压：10MPa，分辨率10.0kPa；
(6)孔压：10Mpa，分辨率10.0kPa；
(7)轴向静变形控制1mm/min-5mm/min；
(8)试验机控制系统能自动标定试验机准确度、能够自动调零；系统具有过载、破坏保护；
(9)可以选择力(应力)、变形(应变)、位移等多种控制方式；
(10)试验条件、参数设置和试验结果系统会自动存盘；
(11)试验软件在Windou7/10中文环境下工作，试验条件、参数设置和试验结果自动存盘，显示、打印符合相关国家标准的随机组成试验数据、试验曲线、试验报告必须的试验模块，包括标准饱和与固结模块、标准三轴试验模块、应力路径模块等。
(12)试验过程可以通过计算机输入参数或者其他友好的用户界面进行控制，仪器的所有加荷控制和测量数据均可以实现计算机实时显示反馈；
(13)压力室尺寸：Ф250x640；
(14)电源电压：AC220V。

Claims (4)

1.高压三轴声学测试系统，其特征在于，包括压力室(11)、围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统；
所述的压力室(11)为竖直的舱体，舱体上下端分别有上端盖(111)和下端盖(113)；所述的上端盖(111)通过两个连接杆(112)与下端盖(113)连接；上端盖(111)安装有轮辐式压力变送器(9)、排气孔；下端盖(113)上设有注水/放水孔(1130)、围压加载孔(1131)、反压加载孔(1132)、孔压检测孔(1133)、水密缆连接孔(1134)；
舱体内设置有样品测试体(114)，所述的样品测试体(114)包括安装外壳，安装外壳内有用于放置样品的橡胶模(1141)，安装外壳两端分别设置有环形透水石(1142)，上端的环形透水石与孔压检测孔(1133)连通，下端的环形透水石与围压加载孔(1131)、反压加载孔(1132)连通；安装外壳上端和下端分别还分别安装发射声学换能器(10.1)和接收声学换能器(10.2)；
所述的注水/放水孔分别连接第四高压球阀(7.4)和第五高压球阀(7.5)，用于压力室(11)注水/放水；
压力室(11)与升降装置连接；
压力室(11)的围压加载孔与围压加载系统连接，反压加载孔与反压加载系统连接；
压力室(11)的下端盖与轴向加载缸(12)连接，轴向加载缸(12)上设置有位移变送器(13)；所述的轴向加载缸(12)与轴压加载系统连接；
还包括控制系统，所述的控制系统实时控制围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统，并实时检测样品变形位移，并对采集的信息进行实时显示和存储。
2.根据权利要求1所述的高压三轴声学测试系统，其特征在于，所述的围压加载系统包括第一加压计量缸(18.1)和第一伺服电机(1.1)，第一伺服电机(1.1)依次通过第一同步带传送装置(17.1)、第一滚珠丝杠(19.1)与第一加压计量缸(18.1)连接；第一加压计量缸(18.1)通过第一补水高压电磁水阀(2.1)连接第一水箱(3.1)；第一加压计量缸(18.1)还通过围压管路与压力室(11)的围压加载孔连接，所述的围压管路依次设置有第一高精度压力表(5.1)、第一高压电磁水阀(6.1)、第一高压球阀(7.1)、第一高精度压力变送器(8.1)；所述的第一高精度压力表(5.1)通过第一测压软管(4.1)连接在所述的围压管路上；所述的第一高精度压力变送器(8.1)与第一伺服电机(1.1)连接，通过第一高精度压力变送器(8.1)实时反馈压力信号给第一伺服电机(1.1)。
3.根据权利要求1所述的高压三轴声学测试系统，其特征在于，所述的反压加载系统包括第二加压计量缸(18.2)和第二伺服电机(1.2)，第二伺服电机(1.2)依次通过第二同步带传送装置(17.2)、第二滚珠丝杠(19.2)与第二加压计量缸(18.2)连接；第二加压计量缸(18.2)通过第二补水高压电磁水阀(2.2)连接第二水箱(3.2)；第二加压计量缸(18.2)还通过反压管路与压力室(11)的反压加载孔连接，所述的反压管路依次设置有第二高精度压力表(5.2)、第二高压电磁水阀(6.2)、第二高压球阀(7.2)、第二高精度压力变送器(8.2)；所述的第二高精度压力表(5.2)通过第二测压软管(4.2)连接在所述的反压管路上；所述的第二高精度压力变送器(8.2)与第二伺服电机(1.2)连接，通过第二高精度压力变送器(8.2)实时反馈压力信号给第二伺服电机(1.2)。
4.根据权利要求1所述的高压三轴声学测试系统，其特征在于，所述的压力室(11)的孔压检测孔连接第四高精度压力变送器(15)；
所述的轴压加载系统包括第三加压计量缸(18.3)和第三伺服电机(16)，第三伺服电机(16)依次通过第三同步带传送装置(17.3)、第三滚珠丝杠(19.3)与第三加压计量缸(18.3)连接；第三加压计量缸(18.3)通过第三补水高压电磁水阀(2.3)连接第三水箱(3.3)；第三加压计量缸(18.3)还通过轴压管路与轴向加载缸(12)连接，所述的轴压管路依次设置有第三高精度压力表(14)、第三高压电磁水阀(6.3)、第三高压球阀(7.3)、第三高精度压力变送器(8.3)；所述的第三高精度压力表(14)通过第三测压软管(4.3)连接在所述的轴压管路上；所述的轮辐式压力变送器9与第三伺服电机(16)连接，通过轮辐式压力变送器9实时反馈压力信号给第三伺服电机(16)。
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