CN111735875A - 岩芯径向声学特性测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩芯径向声学特性测量装置及测量方法，用于提高测量的精度。该测量装置包括台架以及设置于台架上的旋转平台和径向声学特性测量组件；旋转平台上设有用于夹持岩芯的夹具，径向声学特性测量组件包括设置在岩芯两侧的两个探测部件，每个探测部件包括基座和声发射探头，基座面向所述岩芯的一侧内凹形成有滑移腔，滑移腔内匹配滑动设置滑块，滑块延伸至基座外与声发射探头连接；滑块与滑移腔之间形成有气压室，气压室上维持气压稳定的泄压阀，气压室与气压泵连接，台架上还设有对两个声发射探头之间的距离进行测量的位移传感器；滑移腔的轴线与所述声发射探头的信号传输方向平行，两个声发射探头沿所述岩芯的径向对称布置。

Description

岩芯径向声学特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及岩石测试技术领域，尤其涉及一种岩芯径向声学特性测量装置及测量方法。

背景技术

深部地质岩芯是进行深部地质研究和矿产勘查必须采集的实物资料。通过钻取的岩芯可以了解地下岩体的各种物理力学性质、结构和构造特征、矿物组成和品位、岩层厚度和埋深、矿岩空间分布和相互关系等，为地质构造、地球物理、矿产资源评价、矿床开采和工程建筑设计提供可靠的依据。

现今，开展岩芯的各项物理力学性能的室内测试已成为岩芯研究的一个必要基础环节；其中，岩芯的轴向波速测量能够了解节理、裂隙对岩体完整性的影响；而岩芯的径向声学特性测量能较好的了解岩芯径向各处的损伤特性，从而初步判断各向地应力的作用状态。

专利CN209878677U公开了一种岩芯夹持器和岩芯测试设备，用于夹持和测量岩芯的轴向波速。然而，相比于岩芯轴向声学特性测量只需进行两端面一次测量的操作，岩芯的径向声学特性测量需要进行岩芯多截面、同一截面多处径向的测量，测量次数成百倍增加，相较于岩芯轴向长度，岩芯直径尤其是深部岩芯的直径较小，较小的直径测量误差就容易引起较大的测量误差；最不容忽视的，现有通过人工手动测量的方法，存在声发射探头与岩芯柱面贴合不紧密、两侧探头轴线难以对中共线和探头接触压力偏差等问题，进一步放大了测量误差。

因而，亟待研发一种岩芯径向声学特性测量装置，通过稳定的声发射探头接触和一致的测量条件来提高测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高的岩芯径向声学特性测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

岩芯径向声学特性测量装置，包括台架以及设置于所述台架上的旋转平台和径向声学特性测量组件；

所述旋转平台上设有用于夹持岩芯的夹具，所述岩芯通过所述旋转平台的带动可相对所述径向声学特性测量组件绕自身轴线旋转；

所述径向声学特性测量组件包括设置在所述岩芯两侧的两个探测部件，每个所述探测部件包括基座和声发射探头，所述基座面向所述岩芯的一侧内凹形成有滑移腔，所述滑移腔内匹配滑动设置滑块，所述滑块延伸至所述基座外与所述声发射探头连接；

所述滑块与所述滑移腔之间形成有带动所述滑块移动以将所述声发射探头抵在所述岩芯上的气压室，所述气压室上维持气压稳定的泄压阀，所述气压室与气压泵连接，所述台架上还设有对两个所述声发射探头之间的距离进行测量的位移传感器；

所述滑移腔的轴线与所述声发射探头的信号传输方向平行，两个所述声发射探头沿所述岩芯的径向对称布置，且其中一个为接收探头，另一个为发射探头。

具体的，所述声发射探头的探测端还设有与所述岩芯相配合的弧形波导块；其中，

所述声发射探头位于所述弧形波导块的中心位置处，所述弧形波导块与所述岩芯配合的圆弧面的曲率半径大于所述岩芯的横截面轮廓线的曲率半径。

具体的，所述台架上还设有带动所述径向声学特性测量组件相对所述岩芯移动的升降机构，所述升降机构的升降方向与所述岩芯的轴向平行。

具体的，所述升降机构为丝杆升降机构。

具体的，所述升降机构的升降平台上设有对两个所述探测部件之间的间距进行调节的调节组件；

所述调节组件包括平行布置的调节螺杆和导向杆，两个所述基座滑动设置在所述导向杆上，所述调节螺杆穿过两个所述基座与旋拧手柄连接；

两个所述基座上与所述调节螺杆相配合的螺纹孔的螺纹旋向相反，所述升降平台上设有与其中一所述基座滑动配合连接的滑轨，所述滑轨和导向杆均与所述信号传输方向平行。

具体的，所述旋转平台包括电动分度盘以及带动所述电动分度盘旋转的旋转伺服电机，所述夹具采用自定心卡盘。

具体的，所述滑移腔内匹配设置压力气囊，所述滑块与所述压力气囊固定连接，所述压力气囊的内腔构成所述气压室。

具体的，所述滑移腔的横截面呈圆形。

具体的，所述滑块延伸至所述基座外的一端上设有与对应的所述声发射探头平齐的测量尺，所述位移传感器的两端分别与两块所述滑块上的所述测量尺连接。

岩芯径向声学特性自动测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将岩芯通过夹具夹持；

步骤二、通过气压泵向气压室内充气，带动滑块将两个声发射探头抵靠在岩芯的外表面上，同时通过泄压阀泄气保持气压室内气压恒定，使声发射探头与岩芯保持恒定的接触压力；

步骤三、记录位移传感器的示数，启动与声发射探头连接的主动声发射测量仪，利用主动声发射测量仪记录的测量过程中两声发射探头之间波的传播时间、波幅等声学参数及位移传感器测量的岩芯真实直径，计算出波速、波幅衰减率等参数；

步骤四：启动旋转平台，带动岩芯旋转一设定角度，并维持气压室内气压恒定，重复步骤二和步骤三，进行岩芯直径和声学特性测量，直至完成岩芯同一横截面处的径向声学特性测量；

步骤五：通过调整径向声学特性测量组件在岩芯的轴向位置，重复步骤二至步骤四，即可完成整根岩芯的不同位置处的径向声学特性测量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

本发明通过对气压室充气，即可通过滑块带动声发射探头抵靠在岩芯的外表面上实现耦合，岩芯相对声发射探头旋转或轴向移动的过程中，即便岩芯存在微小的径向尺寸波动造成滑块移动，引起气压室体积发生变化，设置在气压室上的泄压阀并配合气压泵可以保证气压室内气压始终保持恒定，也即可以保证声发射探头始终与岩芯保持接触，而且接触压力为恒定值，能有效降低声学特性测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的岩芯径向声学特性测量装置轴测图；

图2是本发明实施例提供的岩芯径向声学特性测量装置局部示意图；

图3是本发明实施例提供的径向声学特性测量组件结构示意图；

图4是图3中A-A方向剖视图；

其中：1-台架；2-旋转平台；201-电动分度盘；202-旋转伺服电机；3-升降机构；301-底座；302-丝杆；303-导杆；304-升降平台；305-丝杆伺服电机；306-拖链；4-主动声发射测量仪；5-工控机；6-径向声学特性测量组件；601-基座；602-声发射探头；603-滑块；7-承压平台；8-防尘隔音框架；9-岩芯；10-夹具；11-气压室；12-泄压阀；13-气压泵；14-位移传感器；15-调节螺杆；16-导向杆；17-旋拧手柄；18-工字型滑轨；19-压力气囊；191-波纹管伸缩段；20-气管；21-测量尺；22-弧形波导块。

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作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。

发明人研究发现，现有的以弹簧等弹性元提供被动支撑的机构，其支撑接触效果受到伸缩量的影响，会存在如下问题：因岩芯周向各处尺寸或多或少存在一定程度的偏差，当探头对岩芯外表面各处进行测量时，因岩芯径向尺寸的变化，必然会引起支撑探头的弹簧的压缩量的变化，进而引起探头与岩芯接触压力的变化，以往研究过程中研究人员直接忽略接触压力变化对测量的影响，但是，发明人研究发现，即便是接触压力引起的岩芯结构及密实等参数的微小变化，也会造成测量得到的波速、波幅等参数显著变化，使得测量结果明显失真。本申请正是针对上述问题，而提出的一种解决方案。

参见图1-图4，岩芯径向声学特性测量装置，包括台架1、旋转平台2、升降机构3、主动声发射测量仪4、工控机5和径向声学特性测量组件6，在台架1上设置有承压平台7，承压平台7四周设置有防尘隔音框架8，旋转平台2和升降机构3均设置在承压平台7上，并位于防尘隔音框架8内。工控机5分别与旋转平台2、升降机构3、径向声学特性测量组件6和主动声发射测量仪4电性连接，进而控制测量装置的伺服旋转、升降和声学特性测量。

参见图1和图2，在旋转平台2上设有用于夹持岩芯9的夹具10，岩芯9通过旋转平台2的带动可相对径向声学特性测量组件6绕自身轴线旋转，径向声学特性测量组件6则设置在升降机构3上，径向声学特性测量组件6通过升降机构3的带动可以相对岩芯9在岩芯9的轴线方向上移动，径向声学特性测量组件6包括设置在岩芯9两侧的两个探测部件，两个探测部件之间形成夹持岩芯9的空间，每个探测部件包括基座601和声发射探头602，基座601面向岩芯9的一侧内凹形成有滑移腔，滑移腔内匹配滑动设置滑块603，滑块603延伸至基座601外与声发射探头602连接，声发射探头602通过信号线与主动声发射测量仪4连接。

参见图3和图4，在滑块603与滑移腔之间形成有带动滑块603移动以将声发射探头602抵在岩芯9上的气压室11，气压室11上设有维持气压室11内气压稳定的泄压阀12，气压室11与气压泵13连接，承压平台7上还设有对两个声发射探头602之间的距离进行测量的位移传感器14，位移传感器14与工控机5电性连接，利用位移传感器14可以对岩芯9各处的真实尺寸进行测量，两个声发射探头602沿岩芯9的径向对称布置，且其中一个为接收探头，另一个为发射探头，当接收探头和发射探头分别接触岩芯的外表面时，发射探头发射的信号从岩芯9的径向穿过岩芯9，并被另一侧的接收探头所接收，滑移腔的轴线则与声发射探头602的信号传输方向平行，因接收探头和发射探头连接在对应的滑块603上，因此接收探头和发射探头可以在信号传播方向上移动。

在本申请实施例中，通过对气压室11充气，即可通过滑块603带动声发射探头602抵靠在岩芯9的外表面上实现耦合，岩芯9相对声发射探头602旋转或轴向移动的过程中，即便岩芯9存在微小的径向尺寸波动造成滑块603移动，引起气压室11体积发生变化，设置在气压室上的泄压阀12并配合气压泵13也可以保证气压室11内气压始终保持恒定，因此可以保证声发射探头602始终与岩芯9保持接触，而且接触压力为恒定值，从而能有效克服现有弹性被动支撑机构测量过程中接触压力变化带来的声学特性测量误差的问题。

此外， 本申请实施例设有控制岩芯9旋转的旋转平台2以及带动径向声学特性测量组件6升降的升降机构3，并且通过两者的配合很好的实现了岩芯9径向各处声学特性的测量，该种形式较好的克服了现有手动式测量条件下探头角度偏差等问题，使测试界面和测试角度得到精确定位，并极大的降低了测量劳动强度。

参见图1和图2，在实际设计中，在声发射探头602的探测端还设有与岩芯9相配合的弧形波导块22，弧形波导块22由波导金属材料制成，声发射探头602位于弧形波导块22的中心位置处，弧形波导块22与岩芯9配合的圆弧面的曲率半径大于岩芯9的横截面轮廓线的曲率半径，使弧形波导块22的中心弧面与对应的岩芯9弧形表面相紧贴，进而保证声发射探头602信号能顺利从岩芯径向一侧弧形表面入射并从另一侧弧形表面接收。

在本申请实施例中，通过气压室11和弧形波导块22的配合主动在岩芯弧面施加恒定的无偏置的接触力，形成统一受力环境，可以进一步消除由于探头接触效果和接触应力带来的声学特性测量误差。

参见图2，具体的，旋转平台2包括电动分度盘201以及带动电动分度盘201旋转的旋转伺服电机202，夹具10采用自定心卡盘，旋转伺服电机202驱动电动分度盘201旋转并携自定心卡盘旋转，进而使自定心卡盘夹持的岩芯9旋转，而升降机构3采用丝杆升降机构，丝杆升降机构包括设置在承压平台7上的底座301、平行设置在底座301上的丝杆302和导杆303以及滑动设置在导杆303上的升降平台304，升降平台304与丝杆302螺纹传动连接，在底座301上安装有驱动丝杆302转动的丝杆伺服电机305，底座301上还设有与导杆303平行的拖链306，声发射探头602的信号线穿过拖链306与主动声发射测量仪4连接，丝杆302的轴线与自定心卡盘轴线平行，径向声学特性测量组件6则安装在升降平台304上，丝杆302转动带动升降平台304沿导杆303上下移动，从而实现径向声学特性测量组件6沿岩芯9轴向移动。

参见图2和图4，在实际应用中，为适应不同尺寸的岩芯9测量，在升降机构3的升降平台304上还设有对两个探测部件之间的间距进行调节的调节组件，调节组件包括平行布置的调节螺杆15和导向杆16，两个基座601滑动设置在导向杆16上，调节螺杆15穿过两个基座601与旋拧手柄17连接，两个基座601上与调节螺杆15相配合的螺纹孔的螺纹旋向相反，升降平台304上设有与其中一基座601滑动配合连接的工字型滑轨18，工字型滑轨18的延伸方向和导向杆16的轴线均与声发射探头602的信号传输方向平行。在本申请实施例中，通过旋拧手柄17带动调节丝杆302转动，从而带动螺纹连接的两个基座601沿导向杆16相对接近或远离，实现两个探测部件之间间距的调节。

参见图4，具体的，滑移腔的横截面呈圆形，也即滑移腔呈圆柱形，滑移腔内匹配设置圆柱形的压力气囊19，圆柱形的压力气囊19的中部设有具有轴向伸缩功能的波纹管伸缩段191，滑块603则与圆柱形的压力气囊19面向岩芯9的一端固定连接，基座601上开设有气管孔，气管20穿过气管孔将气压泵13与压力气囊19连接，泄压阀12安装在压力气囊19上，压力气囊19的内腔则直接构成上述气压室11。相较于直接通过在滑块603上设置密封件与滑移腔围成气压室11相比，上述设置对滑块603无密封要求，只要可以滑动即可，从而可以降低加工制作成本。

参见图4，具体的，滑块603延伸至基座601外的一端上设有与对应的声发射探头602平齐的测量尺21，位移传感器14的两端分别固定在两块滑块603上的测量尺21上，声发射探头602呈圆柱形，在滑块603延伸至基座601的一端的端面上设有安装沉孔，声发射探头602匹配安装在安装沉孔中，并且在安装沉孔的侧部开避让槽，从而方便声发射探头602的信号线的引出，当声发射探头602有一部分位于滑移腔内时，为防止信号线干扰滑块603移动，在滑移腔的侧部同样开设有与滑块603移动方向平行的避让缺口，信号线穿过该避让缺口与主动声发射测量仪4连接。

在本申请实施例中，在进行声学特性测量的同时，通过位移传感器14可以同步测量出测量方向的岩芯真实直径，该方式较好的克服了现有声发射探头在进行岩芯径向声学特性测量时，无法同步测量真实径向直径的问题。

参见图1-图4，采用上述岩芯的径向声学特性测量装置对岩芯径向声学特性进行自动测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将岩芯9同轴安装于自定心卡盘内并夹紧；并利用升降机构3将径向声学特性测量组件6下降至底端；

步骤二：将两声发射探头602前端连接弧形波导块22，弧形波导块22前端的圆弧面内涂覆有声发射耦合剂，将声发射探头602的信号线穿过拖链306与主动声发射测量仪4连接；将气管20的一端与压力气囊19连接，另一端穿过拖链306与气压泵13连接；

步骤三：转动旋拧手柄17使两探测部贴近，直到弧形波导块22的圆弧面与岩芯径向两侧轻微接触，位移传感器14的探测端与其中一滑块603上的测量尺21轻微接触，另一端与另一滑块603上的测量尺21固定连接；

步骤四：工控机5控制丝杆伺服电机305动作，使径向声学特性测量组件6上升至岩芯需要进行径向声学特性测量的高度，控制旋转伺服电机202驱动自定心卡盘按照既定旋转速度旋转，进而使自定心卡盘夹持的岩芯9旋转至一测量角度；

步骤五：启动气压泵13，经气管20给压力气囊19一固定气压，压力气囊19的波纹管伸缩段191张开，压力气囊19顶撑滑块603，进而顶撑声发射探头602前端的弧形波导块22，使圆弧面在岩芯9两侧施加一恒定的接触压力，此时，位移传感器14前端被压入一段行程；

步骤六：启动工控机5，记录下位移传感器14的示数，并按公式一计算该径向的岩芯9的真实直径；启动主动声发射测量仪4，两声发射探头602测量出岩芯9对应位置处的径向声学特性参数，并按公式二计算波速，按公式三计算波幅衰减率；然后，将气压泵13放气使圆弧面不再给岩芯9施加接触压力；进一步的，按照将岩芯9继续旋转至下一测量角度，施加统一接触压力，并继续进行岩芯9的直径和声学特性测量，直至完成一个圆周测量；

公式一，岩芯直径计算：

式中，L _R为岩芯真实直径，L ₀为位移传感器14的自由长度，L ₁为位移传感器14的示数；

公式二，岩芯径向波速计算：

式中，t为主动声发射测量仪4记录的测量过程中两探头之间波的传播时间，V为岩芯径向波速，H ₀为已测的弧形波导块22的厚度，V ₀为已测的弧形波导块22的固有波速，T ₀为弧形波导块22中波的传播延时；

公式三，沿径向的波幅衰减率计算：

式中，A ₀为初始波幅，A ₁为接收波幅，L _R为岩芯真实直径，W为沿径向的波幅衰减率；

步骤七：按照步骤四、步骤五和步骤六的方式开展岩芯9下一截面的径向声学特性测量，直至完成整根岩芯9的声学特性测量和分析。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：包括台架（1）以及设置于所述台架（1）上的旋转平台（2）和径向声学特性测量组件（6）；

所述旋转平台（2）上设有用于夹持岩芯（9）的夹具（10），所述岩芯（9）通过所述旋转平台（2）的带动可相对所述径向声学特性测量组件（6）绕自身轴线旋转；

所述径向声学特性测量组件（6）包括设置在所述岩芯（9）两侧的两个探测部件，每个所述探测部件包括基座（601）和声发射探头（602），所述基座（601）面向所述岩芯（9）的一侧内凹形成有滑移腔，所述滑移腔内匹配滑动设置滑块（603），所述滑块（603）延伸至所述基座（601）外与所述声发射探头（602）连接；

所述滑块（603）与所述滑移腔之间形成有带动所述滑块（603）移动以将所述声发射探头（602）抵在所述岩芯（9）上的气压室（11），所述气压室（11）上设有泄压阀（12），所述气压室（11）与气压泵（13）连接，所述台架（1）上还设有对两个所述声发射探头（602）之间的距离进行测量的位移传感器（14）；

所述滑移腔的轴线与所述声发射探头（602）的信号传输方向平行，两个所述声发射探头（602）沿所述岩芯（9）的径向对称布置，且其中一个为接收探头，另一个为发射探头。

2.根据权利要求1所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述声发射探头（602）的探测端还设有与所述岩芯（9）相配合的弧形波导块（22）；其中，

所述声发射探头（602）位于所述弧形波导块（22）的中心位置处，所述弧形波导块（22）与所述岩芯（9）配合的圆弧面的曲率半径大于所述岩芯（9）的横截面轮廓线的曲率半径。

3.根据权利要求1或2所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述台架（1）上还设有带动所述径向声学特性测量组件（6）相对所述岩芯移动的升降机构（3），所述升降机构（3）的升降方向与所述岩芯的轴向平行。

4.根据权利要求3所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述升降机构（3）的升降平台（304）上设有对两个所述探测部件之间的间距进行调节的调节组件；

所述调节组件包括平行布置的调节螺杆（15）和导向杆（16），两个所述基座（601）滑动设置在所述导向杆（16）上，所述调节螺杆（15）穿过两个所述基座（601）与旋拧手柄（17）连接；

两个所述基座（601）上与所述调节螺杆（15）相配合的螺纹孔的螺纹旋向相反，所述升降平台（304）上设有与其中一所述基座（601）滑动配合连接的滑轨，所述滑轨和导向杆（16）均与所述信号传输方向平行。

5.根据权利要求3所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述升降机构（3）为丝杆升降机构。

6.根据权利要求1或2所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述旋转平台（2）包括电动分度盘（201）以及带动所述电动分度盘（201）旋转的旋转伺服电机（202），所述夹具（10）采用自定心卡盘。

7.根据权利要求1或2所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述滑移腔内匹配设置压力气囊（19），所述滑块（603）与所述压力气囊（19）固定连接，所述压力气囊（19）的内腔构成所述气压室（11）。

8.根据权利要求7所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述滑移腔的横截面呈圆形。

9.根据权利要求1或2所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于：所述滑块（603）延伸至所述基座（601）外的一端上设有与对应的所述声发射探头（602）平齐的测量尺（21），所述位移传感器（14）的两端分别与两块所述滑块（603）上的所述测量尺（21）连接。

10.岩芯径向声学特性自动测量方法，采用权利要求1-9任一项所述的岩芯径向声学特性测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将岩芯（9）通过夹具（10）夹持；

步骤二、通过气压泵（13）向气压室（11）内充气，带动滑块（603）将两个声发射探头（602）抵靠在岩芯（9）的外表面上，同时通过泄压阀（12）泄气保持气压室（11）内气压恒定，使声发射探头（602）与岩芯（9）保持恒定的接触压力；

步骤三、记录位移传感器（14）的示数，启动与声发射探头（602）连接的主动声发射测量仪（4），利用主动声发射测量仪（4）记录的测量过程中两声发射探头（602）之间波的传播时间和波幅及位移传感器（14）测量的岩芯（9）真实直径，计算出波速和波幅衰减率；

步骤四：启动旋转平台（2），带动岩芯（9）旋转设定角度，并维持气压室（11）内气压恒定，重复步骤二和步骤三，进行岩芯（9）直径和声学特性测量，直至完成岩芯（9）同一横截面处的径向声学特性测量；

步骤五：通过调整径向声学特性测量组件（6）在岩芯（9）的轴向位置，重复步骤二至步骤四，即可完成整根岩芯（9）的不同位置处的径向声学特性测量。

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