CN111044361A - 一种岩石三轴仪用的压力室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石三轴仪用的压力室，包括有压力室壳体和压力腔，压力腔底部设有样品台和压力柱，压力腔的侧壁连接有围压液管，压力腔内设有径向形状测量系统和轴向位移测量系统；所述径向形状测量系统包括设于压力腔内壁上的环形发光器件组和多层的环形感光传感器；所述轴向位移测量系统包括设于压力腔内壁的环形发光器件组，以及设于压力柱和样品台端部侧面的圆弧形反射板一和圆弧形反射板二，压力腔内壁水平对应圆弧形反射板一和圆弧形反射板二的位置处分别设有激光发射器一和激光发射器二。本发明具有径向和轴向测量误差小，寿命长，可测量体形变，且测量精确，适用范围广，操作简单，维护成本低，同时充液量小，测量快速的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三轴仪，特别是一种岩石三轴仪用的压力室。
背景技术
岩石三轴仪用的压力室又名三轴剪力仪，亦称三轴压缩仪，三轴剪力仪的核心部分是三轴压力室和侧压系统，试验用的岩石试样通常为圆柱形。
岩石三轴仪用的压力室测量过程中，通常需要对岩石的轴向压缩量和径向形变量和形变后形状进行测量。
但是，现目前的径向形状测量主要采用机械式传感器测量和激光传感器测量，机械式传感器测量存在的缺陷是：1、传感器安装位置不固定，测量结果受人为因素影响，误差大；2、测量点数有限，不能精确测量径向形状；3、不能测量待测体的弯曲形状。而激光传感器测量方式存在的缺陷是：1、激光测量只是点测量，不能实现体形状的测量；2、样品形变后形状变化量非常小，激光测量不精确；3、对于岩石样品，压力室壳体为坚硬的钢质材料制成，激光无法穿透压力室壳体，不适用于岩石样品的测量，适应范围窄。
而传统的机械式轴向位移测量装置一般是通过爪式传感器爪壁的变形来测量轴向变形量，其存在的问题是：岩石样品本身的硬度较高，压缩形变量非常的小，传统机械式轴向位移测量装置精度有限；传统的机械式轴向位移测量装置需要每次测量时固定传感器，操作复杂；传统的机械式轴向位移测量装置容易老化，维护成本高。
另外，现目前的压力腔需要密封，样品需要用橡皮膜包裹，操作麻烦，且压力室内为圆筒状结构，充液量大，延长了测量所需的时间。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种岩石三轴仪用的压力室。本发明具有径向和轴向测量误差小，寿命长，可测量体形变，且测量精确，适用范围广，操作简单，维护成本低，同时充液量小，测量快速的特点。
本发明的技术方案：一种岩石三轴仪用的压力室，包括有压力室壳体，压力室壳体内为压力腔，压力腔底部设有样品台，压力腔内与样品台相对的一侧设有活动的压力柱，压力腔的侧壁连接有围压液管，压力腔内设有径向形状测量系统和轴向位移测量系统；所述径向形状测量系统包括设于压力腔内壁上的环形发光器件组和多层的环形感光传感器；所述轴向位移测量系统包括设于压力腔内壁的环形发光器件组，以及设于压力柱端部侧面的圆弧形反射板一，样品台端部的侧面设有圆弧形反射板二，压力腔内壁水平对应圆弧形反射板一的位置处设有激光发射器一，压力腔内壁水平对应圆弧形反射板二的区域处设有激光发射器二。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述圆弧形反射板一和圆弧形反射板二每点的法向量与压力腔内壁的交点均落在环形发光器件组和环形感光传感器之外。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述压力腔的截面为双锥形。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述压力腔内沿压力柱轴向设有透明弹性膜套，透明弹性膜套与压力腔连接。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述环形发光器件组和环形感光传感器均由透明防油膜包裹，压力腔内壁采用黑色吸光材料制成。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述环形发光器件组由独立的发光点排列而成；所述环形感光传感器由独立的感光点排列而成。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述环形发光器件组和环形感光传感器可以相间设置；可以两端为环形发光器件组，中间夹若干层环形感光传感器；还可以同一层环形发光器件组和环形感光传感器中，发光点和感光点相间设置。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述激光发射器二和激光发射器一错位设置。
前述的岩石三轴仪用的压力室，所述压力腔内设有摄像头。
本发明的有益效果
1、本发明岩石径向测量时，测量光源和感光器位置固定，每次测量时不需要重新安装，没有人为影响，大大降低了测量的误差；同时，由于光源和感光器不需要与样品接触，可以密封的固定在固定位置，因此，与机械式感应器相比，避免了与压力液的接触，延长了设备的使用寿命；并且，由于采用环形发光器件组进行发光，利用多层环形感光传感器进行感光，通过发光光源的变化可以测量样品的360°的形变，实现了体形变的测量。另外，径向测量通过光形成的阴影的变化测量形变，由于发光器件发出的光受到样品的遮挡后阴影会放大样品的宽度，从而放大形变的变化大小，更加便于测量形变，测量结果更加精确；此外，本发明通过将发光器件和感光传感器设置在压力腔内部，对于岩石测量的钢制压力室同样适用，拓宽了适用范围。
2、本发明岩石轴向测量时，通过在压力柱上设置圆弧形反射板，通过圆弧形反射板反射激光来对样品的位移量进行检测，由于圆弧形反射板微小的位移量也会使于激光的反射角度形成较大的变化，反射至感光观察区的激光的端点的位移量会成倍的增加，因此，可以更加直观的观察到样品的压缩变化，便于位移数据的准确读取和计算，同时，由于上圆弧形反射板设置在压力柱的下端端部，因此，压力柱本身的形变量对于上圆弧形反射板的位移量不会产生影响，上圆弧形反射板的位移量更接近样品的形变量，使得测量的结果不受压力柱的形变的影响，测量结果更加精确。另外，本发明的激光发射器和圆弧形反射板都是固定设置，不需要每次单独进行安装等工作，具有操作简单的特点；并且，激光测试的方式与其他机械测量相比，对于设备的劳损度更小，设备使用寿命更长，维护成本更低。此外，本发明通过在样品台的顶部的侧面设置下圆弧形反射板以及对应的下激光发射器，与上圆弧形反射板的原理一致，不同的是下圆弧形反射板和下激光发射器可以准确的测量出样品台在受压过程中的下压形变量，通过用上圆弧形反射板和上激光发射器测得的位移量减去下圆弧形反射板和下激光发射器测得的位移量，即可得出更加精确的样品本身的压缩形变量，从而使测量结果更加准确。
3、本发明通过在样品孔的内壁上设置透明弹性膜套，通过透明弹性膜套来隔开压力腔内的液体与样品，省去了每次实验需要进行压力腔密封性检查的过程，简化了操作步骤，测量更加简单。
4、本发明通过将压力腔内的截面设置为双锥形，在保证压力腔内围压的基础上，缩小了压力腔内的容积，从而减少了压力油的注入量，缩短了充液时间，加快了测量速度。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为径向测量时压力腔内的俯视图；
附图3为径向测量时压力腔内的正视图；
附图4为实施例1中步骤(3)测量时绘制的直线的示意图；
附图5为实施例1中步骤(4)测量时绘制的直线的示意图；
附图6为轴向压缩时压缩前的结构示意图；
附图7为轴向压缩时压缩后的结构示意图。
附图标记说明：1-压力室壳体，2-压力腔，3-样品台，4-压力柱，5-围压液管，6-环形发光器件组，7-环形感光传感器，8-圆弧形反射板一，9-激光发射器一，10-透明弹性膜套，11-圆弧形反射板二，12-激光发射器二，13-摄像头，14-处理器，15-显示器，16-样品，A-激光发射器一初始激光反射点，B-激光发射器一最终激光反射点，C-激光发射器二初始激光反射点，D-激光发射器二最终激光反射点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
一种岩石三轴仪用的压力室，如附图1-7所示，包括有压力室壳体1，压力室壳体1为金属材质制成，压力室壳体1内为压力腔2，压力腔2底部或顶部设有样品台3，压力腔2内与样品台3相对的一侧设有活动的压力柱4，压力柱4外部连接外接的压力系统(如液压缸等)，也可以将压力系统与本申请的系统一体设计，压力腔2的侧壁连接有围压液管5，围压液管5连接外部的液压油系统，向压力腔2内充油，压力腔2内设有径向形状测量系统和轴向位移测量系统；所述径向形状测量系统包括设于压力腔2内壁上的环形发光器件组6和多层的环形感光传感器7；所述轴向位移测量系统包括设于压力柱4端部侧面的圆弧形反射板一8，样品台3端部的侧面设有圆弧形反射板二11，压力腔2内壁水平对应圆弧形反射板一8的位置处设有激光发射器一9，压力腔2内壁水平对应圆弧形反射板二11的区域处设有激光发射器二12，环形发光器件组6和环形感光传感器7依次连接在处理器14上，处理后的数据通过显示器15显示。
测量时，将样品16夹在样品台3和压力柱4之间，向压力腔2内注入围压油直至围压达到设定的数值后停止充油，然后通过压力系统向压力柱4施加压力，使岩石样品压缩，压缩测量时，分别测量样品的径向和轴向的形变形状和形变量，其中径向的测量具体方法如下：
1)对环形发光器件组6的发光点进行顺序编号，依次记为F1、F2……Fi，对环形感光传感器7的层数进行顺序编号，依次记为G1、G2……Gj；
将样品放置在样品台3内，环形发光器件组6中的某一发光点Fi发光，在样品另一侧的压力腔2壁上形成阴影；通过测量环形感光传感器7的信号，判断出第j层环形感光传感器7上阴影区与有光区的左右分界线位置分别为GjYi和GjYi’，其中Yi为第j层环形感光传感器7上的明暗分界点坐标，依次控制环形发光颗粒环形发光器件组6中的每一个发光点Fi发光，得到一个第j层环形感光器测量数据集{Fi，GjYi}；
2)直线连接所有发光点与对应的明暗分界点，并将直线集投影至对应发光点所在平面，得直线集{(Fi，GjYi)}，直线(Fi，GjYi)与样品相切的点记为MFiGjYi点；
3)对于任意一条直线(Fi，GjYi)，可在直线集{(Fi，GjYi)}中找到两条与之垂直的直线，这两条直线的中间平行直线与直线(Fi，GjYi)的交点记为MFiGjYi 90°，对直线集{(Fi，GjYi)}每一条直线运用该方法进行处理，可得点集{MFiGjYi 90°}，令MFiGjYi＝MFiGjYi 90°；
4)对于任意一条直线(Fi，GjYi)，可在直线集{(Fi，GjYi)}中找到与该直线夹角分别为α和180°-α的两条直线，这两条直线上MFiGjYi点连线的垂直平分线与直线(Fi，GjYi)的交点记为MFiGjYi α，对直线集{(Fi，GjYi)}每一条直线运用该方法处理，可得点集{MFiGjY α}，循环此步骤直至前后两次MFiGjY α点之间的距离趋近于零，令MFiGjYi＝最后一次循环的MFiGjY α点位置；
5)将步骤4)中的夹角α从90°不断减小到接近0°，不断重复步骤4)，直到前后两次MFiGjY α点之间的距离趋近于零，令MFiGjYi＝最后一次循环的MFiGjY α点位置，则{MFiGjYi}为样品表面的平面水平位置测量值。
6)测量点MFiGjYi的Z轴坐标记为ZFiGjYi，环形发光器件组6的Z轴坐标记为ZFi，和环形感光传感器7Z轴坐标记为ZGj，则ZFiGjYi＝length(MFiGjYiFi)*(ZGj-ZFi)/length(MFiGjYGjYi)+ZFi。
当样品产生尖刺时，会导致测量结果部分失真；MFiGjYi分布均匀的区域为非失真区，MFiGjYi分布相对稀疏区为失真区，MFiGjYi集中点为尖刺的端点，当出现上述特征可判定为待测物出现尖刺，可作为待测物出现脆性破坏的依据。
而轴向形变位移测量时，如图7所示，将样品16放置在样品台3上，将压力柱4下压至于样品16接触，打开激光发射器一9，发出水平的激光，经圆弧形反射板一8反射后，环形感光传感器7上可以得到一个激光发射器一初始激光反射点A，并作位置记录，然后压力系统下压过程中，圆弧形反射板一8向下移动，水平激光的反射角发生增大，反射的激光线向下偏转，在环形感光传感器7向下产生较大的位移，并获得最终的激光发射器一最终激光反射点B，并记录位置；通过测量A点与B点之间的高度差，并通过测量前的仪器标定，即可得出圆弧形反射板一8的位移量，也就是样品16上端的位移量L1。
当测量岩石样品16的压缩形变量时，样品台3也会发生一定形变，而圆弧形反射板二11会随着样品台3的压缩而下降，降低激光发射器二12发出的水平激光的反射角，从而在环形感光传感器7上观察到2个不同的光点(激光发射器二初始激光反射点C和激光发射器二最终激光反射点D)，通过与上述同样的方法即可计算出样品16下端的位移量L2，并用L1-L2，即可得出准确的样品16的形变量。
作为优选，所述圆弧形反射板一8和圆弧形反射板二11每点的法向量与压力腔2内壁的交点均落在环形发光器件组6和环形感光传感器7之外。为了避免在径向测量过程中，圆弧形反射板一8和圆弧形反射板二11的反射光对径向测量的干扰，在圆弧形反射板一8和圆弧形反射板二11的设计中，应保证圆弧形反射板一8和圆弧形反射板二11每点的法向量与压力腔2内壁的交点均落在环形发光器件组6和环形感光传感器7之外。
作为优选，所述压力腔2的截面为双锥形，减少压力腔2容积，加快测量速度。
作为优选，所述压力腔2内沿压力柱4轴向设有透明弹性膜套10，透明弹性膜套10与压力腔2连接。透明弹性膜套10选用透光度高的膜，避免对激光的透过产生影响。
作为优选，所述环形发光器件组6和环形感光传感器7均由透明防油膜包裹，压力腔2内壁采用黑色吸光材料制成。
作为优选，所述环形发光器件组6由独立的发光点排列而成；所述环形感光传感器7由独立的感光点排列而成。
作为优选，所述环形发光器件组6和环形感光传感器7可以相间设置；可以两端为环形发光器件组6，中间夹若干层环形感光传感器7；还可以同一层环形发光器件组6和环形感光传感器7中，发光点和感光点相间设置。
作为优选，所述激光发射器二12和激光发射器一9错位设置，避免上下激光线在变化过程中产生交叉。
作为优选，所述压力腔2内设有摄像头13，辅助观察压力腔2内的变化。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：包括有压力室壳体(1)，压力室壳体(1)内为压力腔(2)，压力腔(2)底部设有样品台(3)，压力腔(2)内与样品台(3)相对的一侧设有活动的压力柱(4)，压力腔(2)的侧壁连接有围压液管(5)，压力腔(2)内设有径向形状测量系统和轴向位移测量系统；所述径向形状测量系统包括设于压力腔(2)内壁上的环形发光器件组(6)和多层的环形感光传感器(7)；所述轴向位移测量系统包括设于压力柱(4)端部侧面的圆弧形反射板一(8)，样品台(3)端部的侧面设有圆弧形反射板二(11)，压力腔(2)内壁水平对应圆弧形反射板一(8)的位置处设有激光发射器一(9)，压力腔(2)内壁水平对应圆弧形反射板二(11)的区域处设有激光发射器二(12)。
2.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述圆弧形反射板一(8)和圆弧形反射板二(11)每点的法向量与压力腔(2)内壁的交点均落在环形发光器件组(6)和环形感光传感器(7)之外。
3.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述压力腔(2)的截面为双锥形。
4.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述压力腔(2)内沿压力柱(4)轴向设有透明弹性膜套(10)，透明弹性膜套(10)与压力腔(2)连接。
5.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述环形发光器件组(6)和环形感光传感器(7)均由透明防油膜包裹，压力腔(2)内壁采用黑色吸光材料制成。
6.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述环形发光器件组(6)由独立的发光点排列而成；所述环形感光传感器(7)由独立的感光点排列而成。
7.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述环形发光器件组(6)和环形感光传感器(7)可以相间设置；可以两端为环形发光器件组(6)，中间夹若干层环形感光传感器(7)；还可以同一层环形发光器件组(6)和环形感光传感器(7)中，发光点和感光点相间设置。
8.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述激光发射器二(12)和激光发射器一(9)错位设置。
9.根据权利要求1所述的岩石三轴仪用的压力室，其特征在于：所述压力腔(2)内设有摄像头(13)。
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