CN113720720A - 一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，包括激光发生装置、吹气装置、实验腔体和光学平台，光学平台上设置有夹具，夹具用于夹持岩石样品，实验腔体设置在光学平台上且岩石样品位于实验腔体内，激光发生装置包括光纤激光器以及与光纤激光器连接的光纤准直聚焦头，光纤激光器用于发射不同功率的激光，光纤准直聚焦头设置在实验腔体内，光学平台可控制夹具上下移动、左右移动及旋转运动用于改变光纤准直聚焦头的离焦量，吹气装置用于破岩的过程中进行杂质清理，实验腔体内设置有成像相机和功率测试探头。研究激光在不同重复频率、不同脉冲宽度、不同功率作用下的破岩过程和机制，观察不同条件下的激光破岩效果，增强了实验测试范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光破岩技术领域，具体为一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置。
背景技术
地下储藏的油气资源十分丰富，然而随着长时间的开采，对地下矿产资源的开发逐渐走向深部化，面对深部地层高地应力、岩石高硬度、地层复杂等特点，传统的钻探技术难以有效解决深部复杂地层的钻探问题。激光破岩技术也因其低成本、高效率、高可靠性等的优势在深部资源开采中展现了良好的应用前景，成为近年来研究的热点。此外，激光作为一种高能量密度的破岩利器，不同的参数如功率、功率密度等对于不同岩石样品的破坏机理均不相同，而现有技术并没有一套完整的用于研究不同激光参数下岩石样品破坏机理的实验装置，导致不能对实际激光破岩上提供理论与数据支持，从而影响激光破岩技术的发展，因此，建立一套可以用来研究不同参数和条件下激光破岩过程和效果的激光破岩装置，对后期的工程化应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，研究激光在不同重复频率、不同脉冲宽度、不同功率作用下的破岩过程和机制，观察不同条件下的激光破岩效果，具有功能性强和使用安全的特性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，包括激光发生装置、吹气装置、实验腔体和光学平台，所述光学平台上设置有夹具，所述夹具用于夹持岩石样品，所述实验腔体设置在所述光学平台上并使岩石样品位于实验腔体内，所述激光发生装置包括光纤激光器以及与光纤激光器连接的光纤准直聚焦头，所述光纤激光器用于发射不同功率的激光，所述光纤准直聚焦头设置在所述实验腔体内，所述光学平台可控制夹具上下移动、左右移动及旋转运动，所述光学平台用于改变光纤准直聚焦头的离焦量，所述吹气装置用于破岩的过程中进行杂质清理，所述实验腔体内设置有成像相机和功率测试探头，所述成像相机用于拍摄岩石样品表面破岩形态，所述功率测试探头用于测量岩石样品表面的反射功率。
进一步地，所述实验腔体内设置有玻璃板，所述玻璃板将所述实验腔体从上至下分隔为检测腔和实验腔，所述成像相机设置在所述检测腔内，所述功率测试探头设置在所述实验腔内，所述玻璃板上开设有供激光穿过的通孔。
进一步地，所述检测腔内设置有距离传感器，所述距离传感器用于检测岩石样品与光纤准直聚焦头之间的破岩间距。
进一步地，所述检测腔内设置有红外测温仪和两组红外成像仪，所述成像相机、红外测温仪和两组红外成像仪呈圆周均布。
进一步地，所述吹气装置包括气体罐和吹气管，所述吹气管的一端与所述气体罐连接，另一端与所述光纤准直聚焦头连接。
进一步地，所述实验腔体上设置有排气管，所述排气管与所述实验腔连通。
进一步地，所述激光发生装置还包括激光器水冷机，所述激光器水冷机与所述光纤激光器连接用于对所述光纤激光器进行冷却。
本发明的有益效果是：
1、一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，通过光纤激光器改变光纤准直聚焦头的输出频率、脉冲宽度和输出功率，从而研究不同重复频率、不同脉冲宽度、不同功率作用下的激光破岩过程和机制，为激光破岩提供数据支持。
2、通过光学平台可控制岩石样品上下移动、左右移动或者旋转运动，以改变岩石样品与光纤准直聚焦头之间的位置关系，实现对不同离焦量以及岩样旋转半径及转速的破岩机制的研究。
3、通过距离传感器用于检测岩石样品与光纤准直聚焦头之间的破岩间距，在破岩的过程中，通过距离传感器的反馈使光学平台向上移动，保证在破岩的过程中破岩间距保持不变，进而使光纤准直聚焦头保持不变的离焦量对岩石样品进行破岩实验，研究光纤准直聚焦头保持离焦量不变的情况下对破岩机制的研究。
4、通过成像相机实时对破岩过程中的实验条件进行检测和记录，光纤准直聚焦头输出破岩功率，通过功率测试探头测量岩石样品的反射功率，从而得到岩石样品的吸收能量，从而得到光纤准直聚焦头在不同功率下岩石样品的能量吸收情况。
5、通过吹气装置将破岩过程中的杂质吹走，防止杂质对实验过程造成影响，同时避免破岩杂质遮挡岩石样品影响成像相机的拍摄效果以及红外测温设备的检测结果，保证激光破岩过程中各个检测结果的准确性。
附图说明
图1为本发明一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置中检测腔的俯视图；
图中，1-光学平台，2-夹具，3-光纤激光器，4-光纤准直聚焦头，5-实验腔体，6-成像相机，7-功率测试探头，8-玻璃板，9-检测腔，10-实验腔，11-通孔，12-距离传感器，13-红外测温仪，14-红外成像仪，15-气体罐，16-吹气管，17-排气管，18-激光器水冷机。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1和图2所示，一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，包括激光发生装置、吹气装置、实验腔体5和光学平台1，光学平台1上设置有夹具2，夹具2用于夹持岩石样品，实验腔体5设置在光学平台1上并使岩石样品位于实验腔体5内，激光发生装置包括光纤激光器3以及与光纤激光器3连接的光纤准直聚焦头4，光纤激光器3用于发射不同功率的激光，光纤准直聚焦头4设置在实验腔体5内，光学平台1可控制夹具2上下移动、左右移动及旋转运动，所述光学平台1用于改变光纤准直聚焦头4的离焦量，吹气装置用于破岩的过程中进行杂质清理，实验腔体5内设置有成像相机6和功率测试探头7，成像相机6用于拍摄岩石样品表面破岩形态，功率测试探头7用于测量岩石样品表面的反射功率；实验过程为：将准备好的岩石样品放置在夹具2上，并通过夹具2对岩石进行夹持，然后将实验腔体5放置在光学平台1上，并使岩石样品位于实验腔体5内，然后通过光学平台1控制夹具移动，调节岩石样品与光纤准直聚焦头4的位置方向，使光纤准直聚焦头4的输出激光正对岩石样品，其次通过光学平台1带动岩石样品上下移动，用于调节光纤准直聚焦头4的离焦量，实现对不同离焦量以及岩样旋转半径及转速的破岩机制的研究，通过光纤激光器3改变光纤准直聚焦头的输出频率、脉冲宽度和输出功率，从而研究不同重复频率、不同脉冲宽度、不同功率作用下的激光破岩过程和机制，最后通过成像相机6对激光的破岩过程进行拍摄，得到岩石样品表面的破岩形态，通过功率测试探头7测量岩石样品的反射功率，从而得到岩石样品的吸收能量，从而得到光纤准直聚焦头4在不同功率下岩石样品的能量吸收情况，从而使实验装置可研究激光的不同参数对破岩的影响，为实际破岩提供实验数据支持，便于实际破岩过程中根据激光的破岩实验参数选择合适参数的激光，保证具有较高的破岩效果。具体实施时，光纤激光器3采用高功率激光器，高功率激光器具备CW/QCW两种工作模式，功率2000W@CW模式，≥150@QCW模式；可以实现输出功率、输出时间、脉冲宽度、样品表面光斑大小的控制。吹气装置具有氧气、氮气气体输出功能，与光纤准直聚焦头的激光输出同轴，能够及时清理杂质；实验腔体5底部设有开口，光学平台1包括固定高度平台、电控升降台、电控平移台、电控旋转台以及角位移台，电控升降台设置在固定高度平台上，电控平移台设置在电控升降台上，电控旋转台设置在电控平移台上，角位移台设置在电控旋转台上，夹具2设置在角位移台上，实验腔体5设置在固定高度平台上，具体为，固定高度平台上对称固定有两组T型滑轨，实验腔体5底部开设有与T型滑轨相适配的T型滑槽，安装实验腔体5时，直接将实验腔体5从T型滑轨的一端滑入至固定高度平台上，使实验装置的组装和拆卸变得简单快捷，然后电控升降台升高岩石样品，使岩石样品位于实验腔体5内，通过电控平移台带动岩石样品水平移动，通过电控旋转台带动岩石样品转动，通过角位移台对岩石样品的安装角度进行微调，从而实现不同要求情况下的激光破岩技术的研究。
进一步地，实验腔体5内设置有玻璃板8，玻璃板8将实验腔体5从上至下分隔为检测腔9和实验腔10，成像相机6设置在检测腔9内，功率测试探头7设置在实验腔10内，玻璃板8上开设有供激光穿过的通孔11，光纤准直聚焦头4发发射的激光从通孔11穿过作用在岩石样品上，检测腔9内设置有距离传感器12，距离传感器12用于检测岩石样品与光纤准直聚焦头4之间的破岩间距，通过距离传感器12用于检测岩石样品与光纤准直聚焦头4之间的破岩间距，在破岩的过程中，将距离传感器12固定在光纤准直聚焦头4上，通过距离传感器12的反馈使光学平台1向上移动，具体为，当光纤准直聚焦头4的离焦量确定后，通过距离传感器12检测此离焦量下光纤准直聚焦头4与岩石样品的距离，当激光破岩实验开始后，随着激光破岩会使光纤准直聚焦头4与岩石样品的距离增大，此时距离传感器12反馈此变化使电控升降台动作带动岩石样品上升，保证在破岩的过程中破岩间距保持不变，进而使光纤准直聚焦头4保持不变的离焦量对岩石样品进行破岩实验，研究光纤准直聚焦头4保持离焦量不变的情况下对破岩机制的研究；检测腔9内设置有红外测温仪13和两组红外成像仪14，成像相机6、红外测温仪13和两组红外成像仪14呈圆周均布；通过玻璃板8对实验腔体5进行分隔，将成像相机6、红外测温仪13和红外成像仪14设置在检测腔9内，防止实验过程中产生的水蒸气进入到设备内对实验仪器和测量结果造成影响。
进一步地，吹气装置包括气体罐15和吹气管16，吹气管16的一端与气体罐15连接，另一端与光纤准直聚焦头4连接，实验腔体5上设置有排气管17，排气管17与实验腔10连通。气体罐15上设有压力阀和流量阀，可调节吹出气体的气压和吹气量，吹气管16可通过绑丝固定在光纤准直聚焦头4上，排气管16可及时排出气体，避免气体完成激光破岩后对实验腔体环境造成影响。
进一步地，激光发生装置还包括激光器水冷机18，激光器水冷机18与光纤激光器3连接用于对光纤激光器3进行冷却。
综上所述，本发明的实验装置可以观察到光纤激光器3在不同功率模式下产生的激光对激光破岩效果的影响、研究不同离焦量以及岩样旋转半径及转速对激光破岩效果的影响、研究光纤准直聚焦头4保持离焦量不变的情况下对破岩机制的研究和研究岩石样品与光纤准直聚焦头4不同位置关系下对激光破岩效果的影响，因此，能够在室内模拟激光破岩过程,可以观察到不同条件下的激光破岩效果，具有功能性强和使用安全的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，包括激光发生装置、吹气装置、实验腔体（5）和光学平台（1），所述光学平台（1）上设置有夹具（2），所述夹具（2）用于夹持岩石样品，所述实验腔体（5）设置在所述光学平台（1）上并使岩石样品位于实验腔体（5）内，所述激光发生装置包括光纤激光器（3）以及与光纤激光器（3）连接的光纤准直聚焦头（4），所述光纤激光器（3）用于发射不同功率的激光，所述光纤准直聚焦头（4）设置在所述实验腔体（5）内，所述光学平台（1）可控制夹具（2）上下移动、左右移动及旋转运动，所述光学平台（1）用于改变光纤准直聚焦头（4）的离焦量，所述吹气装置用于破岩的过程中进行杂质清理，所述实验腔体（5）内设置有成像相机（6）和功率测试探头（7），所述成像相机（6）用于拍摄岩石样品表面破岩形态，所述功率测试探头（7）用于测量岩石样品表面的反射功率。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，所述实验腔体（5）内设置有玻璃板（8），所述玻璃板（8）将所述实验腔体（5）从上至下分隔为检测腔（9）和实验腔（10），所述成像相机（6）设置在所述检测腔（9）内，所述功率测试探头（7）设置在所述实验腔（10）内，所述玻璃板（8）上开设有供激光穿过的通孔（11）。
3.根据权利要求2所述的一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，所述检测腔（9）内设置有距离传感器（12），所述距离传感器（12）用于检测岩石样品与光纤准直聚焦头（4）之间的破岩间距。
4.根据权利要求2所述的一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，所述检测腔（9）内设置有红外测温仪（13）和两组红外成像仪（14），所述成像相机（6）、红外测温仪（13）和两组红外成像仪（14）呈圆周均布。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，所述吹气装置包括气体罐（15）和吹气管（16），所述吹气管（16）的一端与所述气体罐（15）连接，另一端与所述光纤准直聚焦头（4）连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，所述实验腔体（5）上设置有排气管（17），所述排气管（17）与所述实验腔（10）连通。
7.根据权利要求1所述的一种用于研究激光破岩技术的室内实验装置，其特征在于，所述激光发生装置还包括激光器水冷机（18），所述激光器水冷机（18）与所述光纤激光器（3）连接用于对所述光纤激光器（3）进行冷却。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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