CN109342204A - 一种棒状非金属材料试块综合检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种棒状非金属材料试块综合检测装置，对测试工装、检测探头、加压舱的集成设计，集多个检测项目探头于一体，能在同一试块上通过一次加载进行多项检测项目，大幅度提高检测效率；多探头集成检测后，不仅可以看到电阻率、弹性模量、泊松比的变化，而且可以动态检测过程中试块纵、横波速度的变化过程；渗透率测试也可以在围压加载情况下进行检测；在模拟压裂过程中，不仅可以动态监测压裂发生过程，而且同时可以监测纵横波速度、电阻率、渗透率的变化过程；声波测试和弹性模量及泊松比检测同时进行，使得两种弹性模量、泊松比的测试方法可以针对同一试块同时进行，使两种监测手段的比对更具有科学性和说服力。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能的测试技术，具体是一种棒状非金属材料试块综合检测装置。
背景技术
在材料检测、地质勘探、矿业研究、煤层气开发等行业内，经常需要对非金金属试块进行各种物理性能检测。常见的试块物理性能检测项目有电阻率测试、渗透率测试、声波测试、声发射检测、弹性模量及泊松比检测等，进而获取岩石物理模型、储层属性等，为材料检测评估、勘探开发、地质分析提供支撑。
目前在对非金属试块进行物理性能测试时，一般都是不同测试项目使用不同的测试装置，测试项目转换时，需要更换工装、测试设备，甚至在试块污染破损时需要更换试块。这样不仅效率低下，而且不同试块间特性的差异会导致测量数据不准确性加大。有部分科研院所已经在尝试将测试中的两项或3项融合在一起进行检测，以获取更高的检测效率。如部分煤炭试块检测装置将电阻率检测、渗透率测试与弹性模量及泊松比检测融合在一起，并在施加围压和轴压的过程中，监测电阻率变化并检测弹性模量和泊松比；随后撤去围压轴压后，加入水媒介，测试渗透率并同时监测电阻率变化。由此也能看出集成测试的优势还在于在进行某项监测的同时，可以观察其它监测参数的动态变化，使测试过程更全面更准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种棒状非金属材料试块综合检测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种棒状非金属材料试块综合检测装置包括：伺服油源、伺服控制系统和加压舱，所述伺服控制系统包括：伺服控制设备、比例减压阀、压力传感器、力传感器、伺服阀以及加载缸；
所述加压舱包括：上加载工装、下加载工装、加油阀、活塞传递机构、排空阀、形变测试工装及测试引线，所述上加载工装和下加载工装分别设置在径向变形量测试工装或轴向变形量测试工装的顶部和底部，上加载工装和下加载工装上均集成有：电阻率测试电流电极、电阻率测试电压电极以及各三只声发射传感器，此外，上加载工装上还设置有超声波探头、渗透率测试媒介入口，下加载工装上还设置有超声波接收器、渗透率测试媒介出口，所述测试引线分别连接弹性模量及泊松比测试设备、电阻率测试设备、声波测试设备、声发射测试设备以及渗透率测试设备。
作为本发明进一步的方案：所述伺服控制设备包括嵌入式控制器、双通道模拟量采集设备和双通道模拟量输出设备，所述压力传感器和力传感器均与双通道模拟量采集设备连接，所述伺服阀和比例减压阀均与双通道模拟量输出设备连接，双通道模拟量采集设备和双通道模拟量输出设备均与嵌入式控制器连接。
作为本发明进一步的方案：所述径向变形量测试工装和轴向变形量测试工装均包括环形基座、四根悬臂梁、应变片，所述应变片分别粘贴在四根悬臂梁的根部位置，此外，径向变形量测试工装还包括四组预紧螺栓，预紧螺栓安装在悬臂梁的顶部，轴向变形量测试工装还包括环形斜台，位于悬臂梁的顶部。
作为本发明进一步的方案：所述电阻率测试设备包括恒流源、电流表、电压表，恒流源与电流表串联，并分别连接设置在试块两端的电阻率测试电流电极，所述电压表分别连接设置在试块两端的电阻率测试电压电极。
作为本发明进一步的方案：所述声波测试设备采用超声波测试仪，超声波测试仪内包括超声波发生器和超声波采集显示设备，超声波发生器的发射端与安装在上加载工装上的超声波探头连接，超声波发生器的接收端与安装在下加载工装上的超声波接收器连接。
作为本发明进一步的方案：所述声发射测试设备包括前置放大器和声发射信号采集装置，前置放大器与声发射信号采集装置连接，前置放大器分别连接上加载工装和下加载工装上的的声发射传感器。
作为本发明进一步的方案：所述渗透率测试设备包括：控制设备、水泵、流量计和液体回收池，其中，流量计分别设置在两组管道上，两组管道分别引至试块的顶端和底端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对测试工装、检测探头、加压舱的集成设计，集多个检测项目探头于一体，能在同一试块上通过一次加载进行多项检测项目，大幅度提高检测效率的同时，能节省试块，增加测试样本数据，提升测试准确性；
多探头集成检测后，其动态特性的检测优势是不言而喻的，施加围压和轴压过程中，不仅可以看到电阻率、弹性模量、泊松比的变化，而且可以动态检测过程中试块纵、横波速度的变化过程；渗透率测试也可以在围压加载情况下进行检测；在模拟压裂过程中，不仅可以动态监测压裂发生过程，而且同时可以监测纵横波速度、电阻率、渗透率的变化过程，进而使全过程的时序进程更清晰更明了；
声波测试和弹性模量及泊松比检测(应变测试方法)同时进行，使得两种弹性模量、泊松比的测试方法可以针对同一试块同时进行，使两种监测手段的比对更具有科学性和说服力，为两种监测手段的取舍奠定基础。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中伺服控制设备结构示意图。
图3为本发明中上加载工装的仰视结构示意图。
图4为本发明中下加载工装的俯视结构示意图。
图5为本发明中径向变形量测试工装的结构示意图。
图6为本发明中轴向变形量测试工装的结构示意图。
图7为本发明中电阻率测试设备的结构原理示意图。
图8为本发明中声波测试设备的结构原理示意图。
图9为本发明中声发射测试设备的结构原理示意图。
图10为本发明中渗透率测试设备的结构原理示意图。
图11为中模拟压力测试的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，一种棒状非金属材料试块综合检测装置包括：伺服油源1、伺服控制系统2和加压舱3，所述伺服控制系统2包括：伺服控制设备21、比例减压阀22、压力传感器23、力传感器24、伺服阀25以及加载缸26，所述伺服控制设备21包括嵌入式控制器211、双通道模拟量采集设备212和双通道模拟量输出设备213，
如图2，所述压力传感器23和力传感器24均与双通道模拟量采集设备212连接，所述伺服阀25和比例减压阀22均与双通道模拟量输出设备213连接，双通道模拟量输出设备213信号输出给比例减压阀22及伺服阀25，双通道模拟量采集设备212和双通道模拟量输出设备213均与嵌入式控制器211连接；
如图3、4，所述加压舱3包括：上加载工装31、下加载工装32、加油阀33、活塞传递机构34、排空阀35、形变测试工装36及测试引线37，所述上加载工装31和下加载工装32分别设置在径向变形量测试工装361或轴向变形量测试工装362的顶部和底部，上加载工装31和下加载工装32上均集成有：电阻率测试电流电极313、电阻率测试电压电极314以及各三只声发射传感器317，此外，上加载工装31上还设置有超声波探头311、渗透率测试媒介入口315，下加载工装32上还设置有超声波接收器312、渗透率测试媒介出口316，所述测试引线37分别连接弹性模量及泊松比测试设备、电阻率测试设备、声波测试设备、声发射测试设备以及渗透率测试设备。
上加载工装31、下加载工装32及密封材料用于将试块固定夹持，然后安装径向变形量测试工装361和轴向变形量测试工装362，将安装完毕后的试块与工装放置在加压舱3内的加压平台上，封闭加压舱3，为加压舱3加注液压油，随后开始测试工作。
实施例一，开始弹性模量及泊松比测试，
如图5、6，本实施例中，径向变形量测试工装361和轴向变形量测试工装362均包括环形基座3611、四根悬臂梁3612、应变片3613，所述应变片3613分别粘贴在四根悬臂梁3612的根部位置，此外，径向变形量测试工装361还包括四组预紧螺栓3614，预紧螺栓3614安装在悬臂梁3612的顶部，轴向变形量测试工装362还包括环形斜台3621，位于悬臂梁3612的顶部；使用上加载工装31和下加载工装32夹持试块后，安装径向变形量测试工装361和轴向变形量测试工装362，试验加载时，试块径向变形量将使预紧螺栓3614移动，从而带动悬臂梁3612弯曲，安装在悬臂梁3612根部的应变片3613将变形量感知后发送给弹性模量泊松比测试设备；同样，试验加载时，试块轴向变形量将通过环形斜台3621的移动，将变形量传递给悬臂梁3612，应变片3613感知后发送给弹性模量泊松比测试设备，通过对变形量的计算可获知试块的弹性模量和泊松比数值。
实施例二，开始电阻率测试：
如图7、本实施例中，所述电阻率测试设备包括恒流源41、电流表42、电压表43，恒流源41与电流表42串联，并分别连接设置在试块两端的电阻率测试电流电极313，所述电压表43分别连接设置在试块两端的电阻率测试电压电极314，恒流源41、电流表42、电压表43可单独使用，也可组成电阻率测试仪44使用；电阻率测试采用四级法进行，其原理是恒定电流通过固定尺寸的材料时，测量在材料两端产生的电压，即可计算出材料的电阻率。
实施例三，开始超声波测试：
如图8，本实施例中，所述声波测试设备采用超声波测试仪51，超声波测试仪内包括超声波发生器512和超声波采集显示设备511，超声波发生器512的发射端与安装在上加载工装31上的超声波探头311连接，超声波发生器512的接收端与安装在下加载工装32上的超声波接收器312连接；声波测试设备的原理是采用超声波脉冲透射法，测量纵波或横波沿岩样长度方向的传播时间，计算岩样的纵、横波速度。测量、比较声波幅度随岩样长短的变化，或根据被测岩样与参考样品中的声波幅度相对变化，计算纵、横波的衰减系数。超声波测试设备发出的声波经超声波探头311穿过岩样，由超声波接收器312接收后，返回超声波测试设备，在超声波测试设备上可观察输入输出波形的差异，通过时间差、幅值衰减等可以计算声波速度和衰减系数。
实施例四，开始声发射测试：
如图9，本实施例中，所述声发射测试设备包括前置放大器6和声发射信号采集装置7，前置放大器6与声发射信号采集装置7连接，前置放大器6分别连接上加载工装31和下加载工装32上的的声发射传感器317，声发射测试设备的工作原理是：材料内部损伤产生的弹性波经介质传播到物体的表面，由于是材料内部应变能的快速释放，会引起材料表面的机械振动，经特定的声发射传感器对振动信号进行采集转换成电信号，经前置放大器6、滤波器进行放大和消除噪声，最后得到声发射波形信号，对波形信号进行分析，得到损伤源的位置、起始时间及演化规律，分析损伤模式和损伤严重程度，从而对材料结构的损伤状态及力学强度等性能进行评价。
实施例五，开始渗透率测试：
如图10，本实施例中，所述渗透率测试设备包括：控制设备81、水泵82、流量计83和液体回收池84，其中，流量计83分别设置在两组管道上，两组管道分别引至试块的顶端和底端；测量渗透率时，打开电阻率测试设备，可同时获取渗透率媒介浸泡下的电阻率测试结果。渗透率测试设备的工作原理是：试块侧面密封，试块上部加媒介入口，下部设媒介出口；控制设备可以控制液体媒介的泵压，从而控制施加在试块上的液体压强；在液体完全浸透岩样后，通过测试液体压力及流量计读数，即可计算出试块的渗透率。
实施例六，开始模拟压裂测试：
如图11，本实施例通过减少围压，增加渗透率测试媒介压力，可进行模拟压裂测试。模拟压裂测试的原理是：在逐渐减少围压时，如果增加渗透率媒介入口压强，则渗透率媒介将沿试块孔洞向试块施加涨裂力，最终使试块破裂。图中上端的P表示渗透率媒介压强增加；围压P↓表示围压压强逐渐降低。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：包括伺服油源(1)、伺服控制系统(2)和加压舱(3)，所述伺服控制系统(2)包括：伺服控制设备(21)、比例减压阀(22)、压力传感器(23)、力传感器(24)、伺服阀(25)以及加载缸(26)；
所述加压舱(3)包括：上加载工装(31)、下加载工装(32)、加油阀(33)、活塞传递机构(34)、排空阀(35)、形变测试工装(36)及测试引线(37)，所述上加载工装(31)和下加载工装(32)分别设置在径向变形量测试工装(361)或轴向变形量测试工装(362)的顶部和底部，上加载工装(31)和下加载工装(32)上均集成有：电阻率测试电流电极(313)、电阻率测试电压电极(314)以及各三只声发射传感器(317)，此外，上加载工装(31)上还设置有超声波探头(311)、渗透率测试媒介入口(315)，下加载工装(32)上还设置有超声波接收器(312)、渗透率测试媒介出口(316)，所述测试引线(37)分别连接弹性模量及泊松比测试设备、电阻率测试设备、声波测试设备、声发射测试设备以及渗透率测试设备。
2.根据权利要求1所述的一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：所述伺服控制设备(21)包括嵌入式控制器(211)、双通道模拟量采集设备(212)和双通道模拟量输出设备(213)，所述压力传感器(23)和力传感器(24)均与双通道模拟量采集设备(212)连接，所述伺服阀(25)和比例减压阀(22)均与双通道模拟量输出设备(213)连接，双通道模拟量采集设备(212)和双通道模拟量输出设备(213)均与嵌入式控制器(211)连接。
3.根据权利要求1所述的一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：所述径向变形量测试工装(361)和轴向变形量测试工装(362)均包括环形基座(3611)、四根悬臂梁(3612)、应变片(3613)，所述应变片(3613)分别粘贴在四根悬臂梁(3612)的根部位置，此外，径向变形量测试工装(361)还包括四组预紧螺栓(3614)，预紧螺栓(3614)安装在悬臂梁(3612)的顶部，轴向变形量测试工装(362)还包括环形斜台(3621)，位于悬臂梁(3612)的顶部。
4.根据权利要求1所述的一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：所述电阻率测试设备包括恒流源(41)、电流表(42)、电压表(43)，恒流源(41)与电流表(42)串联，并分别连接设置在试块两端的电阻率测试电流电极(313)，所述电压表(43)分别连接设置在试块两端的电阻率测试电压电极(314)。
5.根据权利要求1所述的一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：所述声波测试设备采用超声波测试仪(51)，超声波测试仪内包括超声波发生器(512)和超声波采集显示设备(511)，超声波发生器(512)的发射端与安装在上加载工装(31)上的超声波探头(311)连接，超声波发生器(512)的接收端与安装在下加载工装(32)上的超声波接收器(312)连接。
6.根据权利要求1所述的一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：所述声发射测试设备包括前置放大器(6)和声发射信号采集装置(7)，前置放大器(6)与声发射信号采集装置(7)连接，前置放大器(6)分别连接上加载工装(31)和下加载工装(32)上的的声发射传感器(317)。
7.根据权利要求1所述的一种棒状非金属材料试块综合检测装置，其特征在于：所述渗透率测试设备包括：控制设备(81)、水泵(82)、流量计(83)和液体回收池(84)，其中，流量计(83)分别设置在两组管道上，两组管道分别引至试块的顶端和底端。
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