CN116609203B - 一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法，涉及力学测试领域，系统包括：控制及采集模块、加载模块、真空模块和观测模块；加载模块和观测模块均与控制及采集模块连接；加载模块，用于对细观待测样品施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至所述控制及采集模块；真空模块，用于向细观待测样品提供实时加热和力学测试的真空空间；观测模块，用于采集细观待测样品在力学测试过程中的影像数据，并将影像数据传输至所述控制及采集模块。本发明克服了现有技术中无法同时进行实时加热、力学加载和同步观测的缺陷，能更精确地掌握细观待测样品在实时高温条件下力学加载过程中的持续动态变化过程。

Description

一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法

技术领域

本发明涉及力学测试领域，特别是涉及一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法。

背景技术

随着世界各国经济的不断发展，地下资源逐渐成为未来能源结构中的主力。我国工程建设也正向地球深部进军，包括地热能开采、高温引水隧道施工和超深井钻探等地下工程。在这些工程中，地层温度通常较高，高温环境对岩石材料的物理力学性质的影响，一直是工程实践中不可避免的问题。

在地下工程中，处于不同深度或不同开发环境中的地层温度不同，对应岩石材料的力学参数和变形破坏规律也存在差异，这直接影响着工程的施工安全和施工进度。前人针对不同温度条件下岩石材料的物理力学性质开展了大量研究，但受研究技术手段的限制，通常对岩石材料先进行高温处理，待冷却至常温后再开展传统岩石力学测试。这种高温处理后的岩石力学测试方法在一定程度上可反映温度对岩石力学特性的影响，但因无法排除冷却过程对其力学特性的作用，所获取的力学特性无法代表真实地层温度下的岩石力学特性。为解决这类问题，一些学者研发了可在实时高温作用下进行力学加载的测试系统，但通常缺乏配套的同步观测模块，无法对岩石变形破坏过程进行同步观测，难以揭示高温作用下岩石材料的裂缝扩展规律。对此有学者尝试采用CT扫描技术获取加载过程中的影像数据，但因CT扫描通常在指定点位进行且扫描需要一定时间，无法真正实现对变形破坏过程的同步观测。此外，传统的岩石力学测试要求制备宏观尺度的标准样品，对于样品有限不满足标准力学试验要求的岩石材料并不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法，能够获取细观待测样品在实时高温作用下的力学性能并同步观测其裂缝扩展过程。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统，所述系统包括：控制及采集模块、加载模块、真空模块和观测模块；

所述加载模块和所述观测模块均与所述控制及采集模块连接；

所述真空模块，用于向细观待测样品提供实时加热和力学测试的真空空间；

所述加载模块，用于对处于所述真空空间的所述细观待测样品施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至所述控制及采集模块；

所述观测模块，用于采集所述细观待测样品在力学测试过程中的影像数据，并将所述影像数据传输至所述控制及采集模块。

可选的，所述加载模块包括微型拉伸台和自动伺服器；

所述细观待测样品设于所述微型拉伸台的夹具上；

所述自动伺服器，与所述微型拉伸台连接，用于接收所述控制及采集模块发送的载荷指令，并控制所述微型拉伸台向所述细观待测样品施加测试载荷；还用于将设于所述微型拉伸台上的载荷传感器和位移传感器采集的信息发送给所述控制及采集模块。

可选的，所述真空模块包括真空箱、机械泵和分子泵；所述微型拉伸台和所述细观待测样品均位于所述真空箱内；

所述机械泵和所述分子泵均连接所述真空箱；

所述机械泵用于抽取所述真空箱内的空气至第一真空度状态；

所述分子泵用于当所述真空箱处于所述第一真空度状态时，抽取所述真空箱内的空气至第二真空度状态。

可选的，所述系统还包括真空检测模块；所述真空检测模块包括真空规和真空度显示单元；

所述真空规，用于监测所述真空模块的运行参数；

所述真空度显示单元，用于显示监测到的所述真空模块的运行参数。

可选的，所述观测模块包括体视显微镜；所述体视显微镜设于所述真空箱的观察窗上方；所述体视显微镜的物镜中心、所述观察窗的中心和所述细观待测样品的观测区域中心在一条直线上。

可选的，所述观测模块还包括环形灯；所述环形灯套设于所述体视显微镜的物镜镜筒的外围。

可选的，所述真空模块还包括加热单元；所述加热单元包括加热台、温度控制器和温度显示器；

所述加热台设于所述细观待测样品的下方；所述温度控制器与所述加热台连接；所述温度显示器与所述温度控制器连接。

可选的，所述系统还包括冷却模块；所述冷却模块用于对所述加热台周围的温度进行降温；所述加热台周围的温度为除所述加热台与所述细观待测样品接触区域之外的空间的温度。

可选的，所述细观待测样品与所述微型拉伸台的夹具之间设有隔热瓷片。

本发明还提供一种集加热与观测于一体的细观力学测试方法，所述方法基于集加热与观测于一体的细观力学测试系统实现，所述方法包括：

利用真空模块向细观待测样品提供进行实时加热和力学测试的真空空间；

当所述真空空间的真空度达到第二真空度状态时，利用所述真空模块中的加热单元对所述细观待测样品进行加热；

当所述细观待测样品的温度达到目标温度时，利用加载模块向所述细观待测样品施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至控制及采集模块；

利用观测模块采集所述细观待测样品在力学测试过程中的影像数据，并将影像数据传输至所述控制及采集模块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法，该测试系统可以同时获取实时高温作用下细观待测样品加载的载荷-位移数据和同步影像数据。这一发明克服了现有技术中无法同时进行实时加热、力学加载和同步观测的缺陷，能更精确地掌握细观待测样品在实时高温条件下力学加载过程中的持续动态变化过程，以揭示热力耦合作用下细观待测样品力学特性及裂缝演化规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的真空箱的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的体视显微镜、观察窗和微型拉伸台的位置关系示意图；

图4为本发明实施例1提供的测试系统的原理示意图。

符号说明：

1.控制及采集模块；2.自动伺服器；3.微型拉伸台；4.夹具；5.氧化锆陶瓷片；6.待测岩石样品；7.真空箱；8.观察窗；9.分子泵转接口；10.分子泵；11.真空规；12.机械泵；13.波纹管；14.DCU真空度显示单元；15.体视显微镜；16.环形灯；17.加热台；18.温度控制器；19.温度显示器；20.小型蠕动泵；21.硅胶管；22.蒸馏水；23.伺服信号传输系统；24.载荷传感器；25.位移传感器；26.法兰。

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。

本发明的目的是提供一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统及方法，能够获取细观待测样品在实时高温作用下的力学性能并同步观测其裂缝扩展过程。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

实施例1

如图1所示，本实施例以岩石力学测试为例，提供一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统，所述系统包括：控制及采集模块1、加载模块、真空模块和观测模块。本实施例提供的力学测试系统不仅可实现岩石的力学测试，还能实现其他材料的力学测试，这里的岩石仅仅是作为一种示例，不具有限定作用。

所述控制及采集模块1，分别与所述加载模块和所述观测模块连接，用于向各模块提供相应的控制指令并接收各模块采集的相关信息。

控制及采集模块1通过发送指令控制加载模块和观测模块，使样品在指定的条件下进行加载，并确保样品变化过程可以被同步观测。控制及采集模块1接收加载模块传回的力学参数信息和观测模块传回的影像数据。

控制及采集模块1包括控制子模块和采集子模块，由控制子模块控制加载模块和观测模块的相关参数，由采集模块采集力学参数和影像数据。

控制及采集模块1由计算机控制实现，由与加载模块配套的软件发出指令并保存信息。

所述加载模块，用于对处于真空模块的真空空间的待测岩石样品6施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至所述控制及采集模块1。待测岩石样品6可以为细观尺度的岩石样品，其中细观尺度是指样品的待测部位的尺寸（例如高度、长度、直径或厚度）处于0.1–10 mm。另外，待测样品6要保证能够被微型拉伸台3的夹具4进行稳固夹住以完成测试。

所述加载模块包括微型拉伸台3和自动伺服器2。

所述待测岩石样品6设于所述微型拉伸台3的夹具4上。微型拉伸台3可以通过更换夹具4的方式，对不同岩石材料样品进行不同形式的加载，快速、准确地测试材料的拉伸、压缩、弯曲、蠕变和疲劳等性能。

所述待测岩石样品6与所述微型拉伸台3的夹具4之间设有隔热瓷片。例如，微型拉伸台3的夹具4与样品之间可放置氧化锆陶瓷片5进行隔热，可以进一步避免样品热量传导至仪器。

所述自动伺服器2，与所述微型拉伸台3连接，用于接收所述控制及采集模块1发送的载荷指令，并控制所述微型拉伸台3向所述待测岩石样品6施加测试载荷；还用于将设于所述微型拉伸台3上的载荷传感器24和位移传感器25采集的信息发送给所述控制及采集模块1。其中，微型拉伸台3通过数据传输线将载荷数据和位移数据传输给自动伺服器2进而再传输给控制及采集模块1。微型拉伸台3和自动伺服器2之间的数据传输线贯穿真空模块的真空箱7。

本实施例中，可以通过载荷更改指令和更换夹具4实现不同的加载行为。

所述真空模块，用于向所述待测岩石样品6提供实时加热和力学测试的真空空间。

所述真空模块包括真空箱7、机械泵12和分子泵10；所述微型拉伸台3、所述加热台17和所述待测岩石样品6均位于所述真空箱7内。真空箱7利用密封条与真空硅脂进行密封，避免因密封性差而导致机械泵12和分子泵10无法将箱体内部的气体抽取至目标真空度（第二真空度状态）。

所述机械泵12和所述分子泵10均连接所述真空箱7，均为将真空箱7内部气体抽取至高真空状态服务；

所述机械泵12用于抽取所述真空箱7内的空气至第一真空度状态；

所述分子泵10用于当所述真空箱7处于所述第一真空度状态时，抽取所述真空箱7内的空气至第二真空度状态。

如图2所示，真空箱7需保证：

（1）内部需有足够的空间放置微型拉伸台3。

（2）留有接口安装法兰26，法兰保证伺服信号传输系统23、载荷传感器24、位移传感器25与箱体内部的微型拉伸台3和箱体外部的自动伺服器2连接。

（3）留有接口安装法兰26，法兰保证箱体内部的加热台17可与箱体外部的温度控制器18和冷却模块连接。

（4）留有分子泵转接口9与分子泵10连接。

（5）留有观察窗8。

（6）留有接口连接真空规11。

（7）箱体总体（包括观察窗8）密封后需保证可在内部高真空条件下承受外部大气压。

（8）所述观察窗8的位置需保证待测岩石样品6的观测区域中心、观察窗8的中心和体视显微镜15的物镜中心三点在一条直线上；所述观察窗8的高度需保证观察窗8到待测岩石样品6的距离小于体视显微镜15观察待测岩石样品6所需的焦距，如图3所示，h₁为观察窗8到待测岩石样品6底部的距离，h₂为体视显微镜15的物镜的最底端到待测岩石样品6底部的距离。

所述系统还包括真空检测模块；所述真空检测模块包括真空规11和DCU真空度显示单元14。

所述真空规11，用于监测所述真空模块的运行参数，例如实时监测真空箱7内部的真空度和分子泵10的运转状态（转速、工作电流等）或者机械泵12的运转状态等。

所述DCU真空度显示单元14，用于显示监测到的所述真空模块的运行参数。

所述观测模块，用于采集所述待测岩石样品6在力学测试过程中的影像数据，并将所述影像数据传输至所述控制及采集模块1。

所述观测模块包括体视显微镜15；所述体视显微镜15设于所述真空箱7的观察窗8上方，体视显微镜15与控制及采集模块1连接，体视显微镜15用于观测加载模块中的样品在加载过程中的影像数据，由控制及采集模块1记录并保存。

所述观测模块还包括环形灯16；所述环形灯16套设于所述体视显微镜15的物镜镜筒的外围。

体视显微镜15经由观察窗8摄取真空箱7内部微型拉伸台3上的所述待测岩石样品6的影像数据（包括加载前样品的形态特征、加载过程中的样品变化情况和样品破坏后的形态特征），体视显微镜15物镜镜筒外围安装的环形灯16，用于减少样品阴影，使光线均匀散布在所述待测岩石样品6上，所摄取的影像资料由控制及采集模块1保存。

为了便于力学测试过程中向待测岩石样品6提供实时加热条件，所述真空模块还包括加热单元；所述加热单元包括加热台17、温度控制器18和温度显示器19。

所述加热台17设于所述待测岩石样品6的下方；所述温度控制器18与所述加热台17连接，通过控制电压和电流进行升温和降温；所述温度显示器19与所述温度控制器18连接，显示当前电压和电流条件下的温度。

加热台17与加载模块连接，加热台17位于真空箱7内，对样品直接进行接触式加热，加热台17通过法兰26与真空箱7外部的温度控制器18和温度显示器19连接，温度控制器18和温度显示器19用于调控并监测加热台17的温度。

所述系统还包括冷却模块；所述冷却模块用于对所述加热台17周围的温度进行降温；所述加热台17周围的温度为除所述加热台17与所述待测岩石样品6接触区域之外的空间的温度。

所述冷却模块通过硅胶管21连接蒸馏水22与加热台17，带走加热台17周围的热量，避免加热台17累积的热量传导至仪器造成损坏。冷却模块可以利用小型蠕动泵20进行水循环，避免水压不够无法及时带走加热台17的热量。

本实施例的方案，可以对微小的岩石样品进行实时加热、力学测试与同步观测，有效获取岩石在实时高温作用下的力学特性及裂缝扩展规律。

结合图4示出的测试系统的主要原理，具体说明应用本实施的测试系统进行实时高温力学性能测试以及同步观测的实施过程：

步骤S100，将待测岩石样品6安装在微型拉伸台3上，并与加热台17直接接触，通过控制及采集模块1设置加载模块和观测模块的参数至试验要求，随后密封真空箱7。

步骤S200，开启机械泵12，将真空箱7内部的空气抽取至适宜分子泵10运行的气压，然后开启分子泵10，观测DCU真空度显示单元14至箱体内部达到试验要求的真空度。

步骤S300，开启冷却模块，开启温度显示器19设置目标温度，开启温度控制器18调控用于实时加热的电压和电流，观察温度显示器19显示的温度，调控至试验要求的指定温度后，维持恒温。

步骤S400，恒温一段时间后，通过控制及采集模块1开启加载模块和观测模块，对岩石样品进行力学加载试验，力学加载试验结束后由控制及采集模块1导出所采集的力学测试数据和影像数据。

步骤S500，力学加载试验结束后，将温度控制器18的电压和电流旋调至0，待温度显示器19显示温度降至常温后，关闭加热单元，关闭分子泵10，等待分子泵10转速降低后，关闭机械泵12，至真空箱7内气压升高至大气压强后，开启真空箱7，卸载并取出岩石碎样，关闭真空箱7。

步骤S600，将破坏后的样品取出，利用观测模块进行观察，并计算样品破裂面的粗糙度。

步骤S700，试验结束关闭各模块并还原至初始位置。

下面以在200℃下进行页岩加载为例，具体操作步骤如下：

（1）安装样品。将直径为3mm、高度为6mm的页岩样品安装于加热台17上，预设加载速率0.036mm/min。样品尺寸为细观尺度，样品形状和加载速率可根据试验方案调整。随后密封真空箱7。调整体视显微镜15的位置及焦距，保证观测模块可以正常观测样品，并拍照记录。

（2）抽取真空。启动DCU真空度显示单元14，调至真空度显示界面，实时观察箱体内部的真空度。启动机械泵12，待真空箱7内部的真空度降低至1hPa后，启动分子泵10。

（3）加热升温。当箱体内部的真空度达到1×10^-5hPa时，开启小型蠕动泵20，待蒸馏水22填满硅胶管21后，依次开启温度显示器19和温度控制器18，利用温度显示器19预设温度，通过温度控制器18调节电压和电流，直至温度达到指定温度200℃，随后恒温0.5-1h。温度控制器18需缓慢调节，升温速率不超过50℃/min，避免加热过快损坏元器件。

（4）力学试验。完成上述步骤后，开启观测和加载模块，同步采集样品在加载过程中的位移、载荷信息和影像数据，至样品破坏，当载荷出现明显下降时停止加载和记录（或根据其他试验要求停止加载）。

（5）恢复常压。将温度控制器18的电流和电压旋调至零，待温度显示器19显示温度降至常温后，关闭加热单元。关闭分子泵10，调节DCU真空度显示单元14至分子泵10转速显示界面，待转速降低至300Hz后，关闭机械泵12。调节DCU真空度显示单元14至真空度显示界面，观察箱体内部气压，至箱体内部气压升至一个大气压后，开启真空箱7。

（6）卸载样品。确保仪器完全冷却至常温后，关闭冷却模块。通过控制及采集模块1控制微型拉伸台3卸载样品，用镊子取出岩石碎块后，关闭加载模块。将取出的岩石碎块放置在体视显微镜15下方观察，获取破裂面粗糙度信息。

（7）结束试验。关闭所有模块，还原至初始状态。

实施例2

本实施例提供一种集加热与观测于一体的细观力学测试方法，所述方法基于实施例1提供的所述的集加热与观测于一体的细观力学测试系统实现，所述方法包括：

利用真空模块向待测岩石样品6提供进行实时加热和力学测试的真空空间。

当所述真空空间的真空度达到第二真空度状态时，利用加热单元对所述待测岩石样品6进行加热。

当所述待测岩石样品6的温度达到目标温度时，利用所述加载模块向所述待测岩石样品6施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至控制及采集模块。

利用所述观测模块采集所述待测岩石样品6在力学测试过程中的影像数据，并将影像数据传输至所述控制及采集模块。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种集加热与观测于一体的细观力学测试系统，其特征在于，所述系统包括：控制及采集模块、加载模块、真空模块和观测模块；

所述加载模块和所述观测模块均与所述控制及采集模块连接；

所述真空模块，用于向细观待测样品提供实时加热和力学测试的真空空间；所述细观待测样品为细观尺度的岩石样品；所述细观尺度指样品的待测部位的尺寸处于0.1-10mm；所述真空模块包括真空箱；

所述加载模块，用于对处于所述真空空间的所述细观待测样品施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至所述控制及采集模块；

所述观测模块，用于采集所述细观待测样品在力学测试过程中的影像数据，并将所述影像数据传输至所述控制及采集模块；

所述观测模块包括体视显微镜和环形灯；所述体视显微镜设于所述真空箱的观察窗上方；所述体视显微镜的物镜中心、所述观察窗的中心和所述细观待测样品的观测区域中心在一条直线上；所述环形灯套设于所述体视显微镜的物镜镜筒的外围；

所述真空模块还包括加热单元；所述加热单元包括加热台、温度控制器和温度显示器；所述加热台，设于所述细观待测样品的下方，用于对所述细观待测样品进行接触式加热；所述温度控制器与所述加热台连接；所述温度显示器与所述温度控制器连接；

所述细观待测样品与所述加载模块中的微型拉伸台的夹具之间设有隔热瓷片。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加载模块包括微型拉伸台和自动伺服器；

所述细观待测样品设于所述微型拉伸台的夹具上；

所述自动伺服器，与所述微型拉伸台连接，用于接收所述控制及采集模块发送的载荷指令，并控制所述微型拉伸台向所述细观待测样品施加测试载荷；还用于将设于所述微型拉伸台上的载荷传感器和位移传感器采集的信息发送给所述控制及采集模块。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述真空模块还包括机械泵和分子泵；所述微型拉伸台和所述细观待测样品均位于所述真空箱内；

所述机械泵和所述分子泵均连接所述真空箱；

所述机械泵用于抽取所述真空箱内的空气至第一真空度状态；

所述分子泵用于当所述真空箱处于所述第一真空度状态时，抽取所述真空箱内的空气至第二真空度状态。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括真空检测模块；所述真空检测模块包括真空规和真空度显示单元；

所述真空规，用于监测所述真空模块的运行参数；

所述真空度显示单元，用于显示监测到的所述真空模块的运行参数。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括冷却模块；所述冷却模块用于对所述加热台周围的温度进行降温；所述加热台周围的温度为除所述加热台与所述细观待测样品接触区域之外的空间的温度。

6.一种集加热与观测于一体的细观力学测试方法，所述方法基于权利要求1至5任一项所述的集加热与观测于一体的细观力学测试系统实现，其特征在于，所述方法包括：

利用真空模块向细观待测样品提供进行实时加热和力学测试的真空空间；

当所述真空空间的真空度达到第二真空度状态时，利用所述真空模块中的加热单元对所述细观待测样品进行加热；

当所述细观待测样品的温度达到目标温度时，利用加载模块向所述细观待测样品施加力学测试所需的载荷，并将力学测试数据传输至控制及采集模块；

利用观测模块采集所述细观待测样品在力学测试过程中的影像数据，并将影像数据传输至所述控制及采集模块。