CN110018244B - 多用声发射探头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用声发射探头及使用方法，属于测量器械技术领域，多用声发射探头包括保护帽和后板组成的保护壳系统，多个探头组成的多弧度探头连接系统，声发射传感器芯片及导线组成的声发射传感系统；保护帽内嵌声发射传感器芯片并通过后板密封连接；导线一端与声发射传感器芯片相连，导线另一端贯穿后板与外部的信息采集系统电连接；探头与保护帽相连，探头前部弧面与岩石试样表面吻合，多个探头前部弧面曲度不同。使用前运用断铅试验对声发射探头进行检测。声发射传感器芯片封闭在保护帽的空腔内，具备抗压防护功能，同时从多个探头中选择合适的探头，来适应不同的弧面的岩石试样检测，使试验更方便快捷，节省了大量的材料成本与时间成本。

Description

多用声发射探头及其使用方法

技术领域

本发明属于测量器械技术领域，尤其涉及一种多用声发射探头及其使用方法。

背景技术

岩石是一种重要的工程材料，研究岩石的力学性质与损伤演化规律具有十分重要的意义。岩土工程作为一门以试验为基础的学科，需要进行大量的岩石力学实验。为了揭示岩石的损伤演化机理，人们开始将声发射测试技术引入到室内岩石力学试验中。岩石材料在损伤破裂过程中，内部贮藏的能量将会以声发射的形式释放，监测岩石承载破裂过程中的声发射能量特征，可以深入研究岩体内部的裂纹萌生、拓展、演化过程；此外，揭示岩体受压致裂过程中的裂纹时空演化规律，可以为页岩气、致密砂岩气等非常规气体开采提供理论指导。

目前，岩石室内声发射试验中存在适应性差的问题，不能适应多种试验目的及试验条件下的岩石试样检测；另外，由于在进行岩石三轴力学试验中，现有传感器需要直接接触岩石试样，导致传感器本身需要承担一定外力，而现有声发射传感器的抗压防护能力差，在使用过程中会导致传感器损毁，由此造成了极大浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种多用声发射探头及其使用方法，旨在解决上述现有技术中声发射传感器的抗压防护能力差、适应性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种多用声发射探头，包括保护壳系统、多弧度探头连接系统、声发射传感系统，

所述保护壳系统包括带有刚度的保护帽和后板，所述保护帽的后端与后板密封连接，所述保护帽的后部设有敞口空腔，所述保护帽的后部与后板形成中空腔体，所述保护帽的前端与多弧度探头连接系统相连；

所述多弧度探头连接系统包括多个用于与岩石试样表面贴合的探头，所述探头的后部与保护帽的前端相连，所述探头的前部设有与岩石试样表面吻合的弧面，多个探头的前部弧面曲度不同；所述探头通过连接件与保护帽相连；

所述声发射传感系统包括声发射传感器芯片及导线，所述声发射传感器芯片设置于保护帽的后部空腔内，所述导线的一端与声发射传感器芯片相连，所述导线的另一端贯穿后板与外部的信息采集系统电连接。

优选的，所述保护帽后部敞口空腔的底部设有凹槽，所述声发射传感器芯片设置于凹槽内，所述凹槽的开口侧设有压紧垫片，所述压紧垫片的四周通过销钉固定于凹槽的边缘。

优选的，所述后板的中部设有导线连接孔，所述导线连接孔内设有插口器，所述插口器的里侧与导线相连，所述插口器的外侧通过数据线与外部信息采集系统相连。

优选的，所述保护帽的外壁上对称设有两个固定耳，所述连接件为箍紧弹簧，所述箍紧弹簧的两端分别与两个固定耳相连，通过所述箍紧弹簧用于将探头绑扎于保护帽的前端。

优选的，所述保护帽与后板的配合面间设有密封圈，所述后板通过螺栓与保护帽相连。

优选的，所述保护帽的前端设有凸台，所述探头的后部设有与凸台配合的过孔，所述过孔与凸台的配合面间设有橡胶圈。

优选的，所述凸台为长方体，所述探头的后部设有与凸台配合的长方孔。

本发明还提供上述多用声发射探头的使用方法，包括以下步骤：

一、安装上述多用声发射探头：

S1、在保护帽后部凹槽中涂抹耦合剂，耦合剂涂抹均匀后，将声发射传感器芯片置入凹槽内；将压紧垫片覆盖在声发射传感器芯片上，并利用销钉将压紧垫片固定在固定帽上；将与声发射传感器芯片相连的导线与后板上的插口器连接，并用螺栓将后板固定在保护帽上；

S2、从多弧度探头连接系统中选择适合岩石试样接触面的探头，保证探头与岩石试样表面的无缝隙贴合；将探头固定于保护帽前端，并保证二者稳固；

S3、在探头的弧面上涂抹耦合剂，然后将弧面紧密贴合在岩石试样表面，将箍紧弹簧缠绕在固定耳上，利用箍紧弹簧将声发射探头与岩石试样紧密固定；之后将数据线连接在插口器外部，声发射探头安装完毕；

二、在声发射探头使用前，运用断铅试验对声发射探头进行检测，断铅试验操作如下：将声发射探头固定在岩石试样的实验设计位置，将与声发射探头相连的数据线连接声发射测试设备的信息采集系统并启动，在岩石试样的某一位置压断铅笔芯，对比声发射测试设备监测坐标与真实试验坐标的距离，若二者位置相距较大，适当调节声发射测试设备的参数值，再次进行断铅试验，直到精度满足试验要求。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过将声发射传感器芯片封闭在保护帽和后板组成的空腔内，具备抗压防护功能，避免声发射传感器芯片受到破坏；同时可以从多个探头中选择合适探头来适应不同的岩石试样检测，使试验更方便快捷，节省了大量的材料成本与时间成本。本发明不受试验目的和试验条件的制约，能够适应不同尺寸的岩石试样，不同探头与岩石试样完美贴合，无需定制大量的不同接触弧度探头，减少了浪费现象。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种多用声发射探头中保护壳系统和声发射传感系统配合的结构示意图；

图2是图1中后板的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中探头的结构示意图；

图4是本发明另一实施例中探头的结构示意图；

图中：1-保护帽，2-后板，3-密封圈，4-螺栓，5-橡胶圈，6-声发射传感器芯片，7-固定耳，8-连接孔，9-插口器，10-弧面，11-过孔，12-压紧垫片，13-销钉，14-导线。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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1-4所述的一种多用声发射探头，包括保护壳系统、多弧度探头连接系统、声发射传感系统，所述保护壳系统包括带有刚度的保护帽1和后板2，所述保护帽1的后端与后板2密封连接，所述保护帽1的后部设有敞口空腔，所述保护帽1的后部与后板2形成中空腔体，所述保护帽1的前端与多弧度探头连接系统相连；所述多弧度探头连接系统包括多个用于与岩石试样表面贴合的探头，所述探头的后部与保护帽1的前端相连，所述探头的前部设有与岩石试样表面吻合的弧面10，多个探头的前部弧面10曲度不同；所述探头通过连接件与保护帽1相连；所述声发射传感系统包括声发射传感器芯片6及导线14，所述声发射传感器芯片6设置于保护帽1的后部空腔内，所述导线14的一端与声发射传感器芯片6相连，所述导线14的另一端贯穿后板2与外部的信息采集系统电连接。将声发射传感器芯片安装在保护帽与后板组成中空腔体内，起到抗压防护作用；另外，探头一侧弧面10的曲率可以依照试验要求设定, 可预先制作多个不同弧面的探头, 岩石试样选用柱状岩石试样，选用合适的探头以实现声发射探头与柱状岩石试样表面的无缝隙贴合，多个具备不同曲度弧面的探头能够与不同直径的柱状岩石试样相匹配，扩大了声发射探头的适应性。

作为一种优选结构，如图1所示，所述保护帽1后部敞口空腔的底部设有凹槽，所述声发射传感器芯片6设置于凹槽内，所述凹槽的开口侧设有压紧垫片12，所述压紧垫片12的四周通过销钉13固定于凹槽的边缘。其中，凹槽的尺寸与声发射传感器芯片外形相匹配，利用压紧垫片将声发射传感器芯片压紧固定在凹槽内，避免声发射传感器芯片在使用过程中发生移位。

在本发明的一个具体实施例中，如图1、2所示，所述后板2的中部设有导线连接孔，所述导线连接孔内设有插口器9，所述插口器9的里侧与导线14相连，所述插口器9的外侧通过数据线与外部信息采集系统相连。利用插口器与数据线连接，操作方便快捷，不用时也方便收纳。

进一步优化上述技术方案，如图1所示，所述保护帽1的外壁上对称设有两个固定耳7，所述连接件为箍紧弹簧，所述箍紧弹簧的两端分别与两个固定耳7相连，通过所述箍紧弹簧用于将探头绑扎于保护帽1的前端。试验过程中可将箍紧弹簧缠绕在固定耳上，实现声发射探头与柱状岩石试样的紧密固定；试验完毕或需要更换探头时，仅需将箍紧弹簧解开即可进行拆卸探头。

为了有效保护帽内部的声发射传感器芯片，如图1、2所示，所述保护帽1与后板2的配合面间设有密封圈3，能够起到防尘、防水、防潮作用；所述后板2通过螺栓4与保护帽1相连。加工时，在后板2的四角部位预先加工出四个连接孔8，在保护帽的后部端面上对应加工出四个安装孔，螺栓4穿过连接孔8旋入安装孔内，实现前端保护帽1和后板2的密封连接。

为了方便保护帽与探头的连接，如图1、3、4所示，所述保护帽1的前端设有凸台，所述探头的后部设有与凸台配合的过孔11，所述过孔11与凸台的配合面间设有橡胶圈5。在凸台的外壁上设置沟槽，沟槽用于放置橡胶圈5，橡胶圈5的功能是使保护壳系统与多弧度连接系统的探头连接更加牢固。

在本发明的一个具体实施例中，如图1、3、4所示，所述凸台为长方体，所述探头的后部设有与凸台配合的长方孔。采用此结构方便加工制作；同时将保护壳系统的保护帽和后板均设计为长方体特征，同时利用具有一定刚度的材料制作而成。

本发明还提供上述多用声发射探头的使用方法，包括以下步骤：

一、安装上述多用声发射探头：

S1、在保护帽1后部凹槽中涂抹耦合剂，耦合剂涂抹均匀后，将声发射传感器芯片6置入凹槽内；将压紧垫片12覆盖在声发射传感器芯片6上，并利用销钉13将压紧垫片12固定在固定帽1上；将与声发射传感器芯片6相连的导线14与后板2上的插口器9连接，并用螺栓4将后板2固定在保护帽1上；

S2、从多弧度探头连接系统中选择适合柱状岩石试样接触面的探头，保证探头与柱状岩石试样表面的无缝隙贴合；将探头固定于保护帽1前端，并保证二者稳固；

S3、在探头的弧面10上涂抹耦合剂，然后将弧面10紧密贴合在柱状岩石试样表面，将箍紧弹簧缠绕在固定耳7上，利用箍紧弹簧将声发射探头与柱状岩石试样紧密固定；之后将数据线连接在插口器9外部，声发射探头安装完毕；

二、在声发射探头使用前，运用断铅试验对声发射探头进行检测，断铅试验操作如下：

将声发射探头固定在柱状岩石试样的实验设计位置，将与声发射探头相连的数据线连接声发射测试设备的信息采集系统并启动，在柱状岩石试样的某一位置压断Φ0.5mm的铅笔芯，对比声发射测试设备监测坐标与真实试验坐标的距离，若二者位置相距较大，适当调节预置波速、事件闭锁值、过定义值等参数，再次进行断铅试验，直到精度满足试验要求。

与本发明配套使用的声发射测试设备的工作原理如下：柱状岩石试样作为声发射源，声发射传感器芯片接收采集来自柱状岩石试样的声波信号即声发射信号，经前置放大器放大后，并由信号采集系统对声发射信号做处理后，由记录显示系统进行记录分析显示，最终达到检测声发射源的目的。

本发明提供的声发射探头结构紧凑，尺寸小，能够满足岩石三轴室内试验要求，同时具备抗压防护功能，有效保护声发射传感器芯片；同时方便更换不同接触面的传感器探头，能够使一个声发射探头适用于不同尺寸的柱状岩石试样，保证探头与岩石试样贴合紧密，使试验更方便快捷，节省了大量的材料成本与时间成本。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (4)

1.一种多用声发射探头，其特征在于：包括保护壳系统、多弧度探头连接系统、声发射传感系统，

所述保护壳系统包括带有刚度的保护帽和后板，所述保护帽的后端与后板密封连接，所述保护帽的后部设有敞口空腔，所述保护帽的后部与后板形成中空腔体，所述保护帽的前端与多弧度探头连接系统相连；

所述多弧度探头连接系统包括多个用于与岩石试样表面贴合的探头，所述探头的后部与保护帽的前端相连，所述探头的前部设有与岩石试样表面吻合的弧面，多个探头的前部弧面曲度不同；所述探头通过连接件与保护帽相连；

所述声发射传感系统包括声发射传感器芯片及导线，所述声发射传感器芯片设置于保护帽的后部空腔内，所述导线的一端与声发射传感器芯片相连，所述导线的另一端贯穿后板与外部的信息采集系统电连接；

所述保护帽后部敞口空腔的底部设有凹槽，所述声发射传感器芯片设置于凹槽内，所述凹槽的开口侧设有压紧垫片，所述压紧垫片的四周通过销钉固定于凹槽的边缘；

所述保护帽的外壁上对称设有两个固定耳，所述连接件为箍紧弹簧，所述箍紧弹簧的两端分别与两个固定耳相连，通过所述箍紧弹簧用于将探头绑扎于保护帽的前端；

所述保护帽与后板的配合面间设有密封圈，所述后板通过螺栓与保护帽相连；

所述保护帽的前端设有凸台，所述探头的后部设有与凸台配合的过孔，所述过孔与凸台的配合面间设有橡胶圈。

2.根据权利要求1上述的多用声发射探头，其特征在于：所述后板的中部设有导线连接孔，所述导线连接孔内设有插口器，所述插口器的里侧与导线相连，所述插口器的外侧通过数据线与外部信息采集系统相连。

3.根据权利要求1上述的多用声发射探头，其特征在于：所述凸台为长方体，所述探头的后部设有与凸台配合的长方孔。

4.一种多用声发射探头的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、安装如权利要求1所述的多用声发射探头：

S1、在保护帽后部凹槽中涂抹耦合剂，耦合剂涂抹均匀后，将声发射传感器芯片置入凹槽内；将压紧垫片覆盖在声发射传感器芯片上，并利用销钉将压紧垫片固定在固定帽上；将与声发射传感器芯片相连的导线与后板上的插口器连接，并用螺栓将后板固定在保护帽上；

S2、从多弧度探头连接系统中选择适合岩石试样接触面的探头，保证探头与岩石试样表面的无缝隙贴合；将探头固定于保护帽前端；

S3、在探头的弧面上涂抹耦合剂，然后将弧面紧密贴合在岩石试样表面，将箍紧弹簧缠绕在固定耳上，利用箍紧弹簧将声发射探头与岩石试样紧密固定；之后将数据线连接在插口器外部，声发射探头安装完毕；

二、在声发射探头使用前，运用断铅试验对声发射探头进行检测，断铅试验操作如下：

将声发射探头固定在岩石试样的实验设计位置，将与声发射探头相连的数据线连接声发射测试设备的信息采集系统并启动，在岩石试样的某一位置压断铅笔芯，对比声发射测试设备监测坐标与真实试验坐标的距离，若二者位置相距较大，适当调节声发射测试设备的参数值，再次进行断铅试验，直到精度满足试验要求。