CN209542329U - 一种多场多参量同步监测动态加载实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多场多参量同步监测动态加载实验装置。所述多场多参量同步监测动态加载实验装置，包括岩石试样、加热炉、气室、冲头、发射腔、入射杆、应变片、透射杆、吸收杆、高速相机、信号线、非接触全场应变控制系统、测速系统、声发射传感器、声发射信号线、端子、BNC转接头、前置放大器、微处理器、温度信号线、电信号线、数据采集系统、热电偶、调节滑道、定位螺柱、找平螺栓、可调保温仓门、热电偶插入孔、加热腔、高强度透明石英筒。本实用新型在微处理器控制下，通过接收温度反馈信号并发射电信号至气室和传感监测设备，最终实现试样多场多参数实时同步监测，解决岩石动力学实验中的多参量监测延迟和记录时间不一致问题。

Description

一种多场多参量同步监测动态加载实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种多场多参量动态加载岩石力学实验装置。

背景技术

岩石作为地球形成、地壳地质活动衍化的产物，被广泛应用于各类建筑物地基、围岩或建筑材料等工程建设领域。岩石破裂失稳问题一直是国内外岩石力学工作者研究的热点和难点。由于诸多岩体工程灾害的发生(如岩爆、岩质边坡失稳等)均和岩石破裂失稳过程有关，因而如何采取有效的研究手段和研究方法，系统地研究岩石破裂失稳过程中其内部裂纹的演化过程，这对进一步理解岩石破裂失稳机制无疑是十分有意义的工作。岩石材料受外力或内力作用时，由于其本身的弹性形变、裂纹扩展，造成脆性材料内局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波现象，称为声发射。声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，能连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，这是其他任何试验方法都不具有的特点，已被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制研究。

另一方面，数字图像相关技术（DIC），即一种通过图像相关点进行对比的算法，可计算出物体表面位移及应变分布，整个测量过程，只需以一台图像采集器，拍摄变形前后待测物图像，经运算后3D全场应变数据分布即可一目了然。不像应变片需花费大量时间做表面的磨平及黏贴，同时也只能测量到一个点某个方向的应变数据。也不像条纹干涉法对环境要求严格。而数字图像相关技术获得数据为全场范围内的3D数据。该技术被广泛应用于固体材料变形破坏过程中的位移及应变场测量，具有便携、非接触、速度快、精度高和易操作的特点。

然而，在传统的岩石动态加载实验过程中，很难同时应用声发射测试技术和数字图像相关技术进行高温条件下岩石试样变形破坏过程的多参量监测，这是由于当加热装置将试样加热至预定温度时，加热装置外部难以感知温度信息，常造成声发射测试或数字图像相关技术测试时间的延迟，而数字图像相关技术中的高速相机对试样拍摄时间以微秒计，在如此精确短暂的拍摄时间中，很容易发生高速相机拍摄不到预定温度试样的变形破坏过程的问题。即便高速相机和声发射传感器监测到了试样的变形和声发射信息，也难于进行参数之间的对标和校准，不能在同一精确时间轴上进行对比分析。

因此，如何改进动态加载过程中的监测方法以实现岩石试样动态加载的温度-声发射-应变场多参量同步监测成为重要的研究内容。

发明内容

本实用新型根据传统的岩石动态加载实验过程中高速相机拍摄不到预定温度试样的变形破坏过程的问题，以及难于进行参数之间的对标和校准而不能在同一精确时间轴上进行多参数的对比分析难题，提供一种多场多参量同步监测动态加载实验装置及应用方法，有效解决了岩石动力学实验中的多参量监测延迟和记录时间不一致问题。 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多场多参量同步监测动态加载实验装置，包括：

岩石试样、加热炉、气室、冲头、发射腔、入射杆、应变片、透射杆、吸收杆、高速相机、信号线、非接触全场应变控制系统、测速系统、声发射传感器、声发射信号线、端子、BNC转接头、前置放大器、微处理器、温度信号线、电信号线、数据采集系统、热电偶、调节滑道、定位螺柱、找平螺栓、可调保温仓门、热电偶插入孔、加热腔、高强度透明石英筒，所述可调保温仓门能够沿调节滑道向上提起，并用定位螺柱固定，所述岩石试样置于加热炉中的加热腔内，加热腔外包裹有高强度透明石英筒，加热炉放置入射杆和透射杆中间，加热炉下部支架设置四个找平螺栓；冲头在气室中加压由发射腔发射，冲头发射速度由测速系统监测记录，冲头发射后撞击入射杆产生应力波，入射杆撞击试样将应力波传播至透射杆中，透射杆尾部与吸收杆连接，数据采集系统与两个应变片连接，两个应变片分别布设于入射杆和透射杆中部；所述BNC转接头两端分别与端子及前置放大器连接，端子通过声发射信号线与声发射传感器连接；所述微处理器通过电信号线分别与气室、声发射传感器、非接触全场应变控制系统连接，并通过温度信号线与加热腔中热电偶插入孔中的热电偶连接，所述非接触全场应变控制系统通过信号线和高速相机连接；

在上述一种多场多参量同步监测动态加载实验装置及应用方法中，优选所述热电偶的一端通过所述热电偶插入孔进入所述加热腔进行腔内温度感应，另一端与所述温度信号线连接，通过所述温度信号线将温度信息反馈至所述微处理器；

在上述一种多场多参量同步监测动态加载实验装置及应用方法中，优选所述数据采集系统，其两端通过所述应变片分别与所述入射杆和所述透射杆连接，用于采集所述入射杆和所述透射杆中的应力波信号；

相对于现有技术中，本实用新型具有如下有益效果：

通过设置所述加热炉对所述试样进行加热，当达到预定温度时所述加热炉内的所述热电偶将温度信号反馈至所述微处理器，所述微处理器将同时发射电信号至气室、所述非接触全场应变控制系统和所述声发射传感器，所述气室迅速发射冲头，所述非接触全场应变控制系统即时启动所述高速相机进行所述试样破坏过程图像拍摄，所述声发射传感器即开始监测记录所述试样在动态加载破坏时的声发射信号，最终实现所述岩石试样在动态冲击加载条件下的温度-声发射-应变场的多参数实时同步监测。所述加热腔外部为具有透明、耐冲击和耐高温特性的高强度透明石英筒，一方面可以有效防止高温岩石试样在冲击作用下破碎块体的高速冲撞，另一方面有利于外部所述高速相机对所述试样破坏过程进行图像拍摄。本实用新型可以同步精确获取岩石试样在动态加载破坏时的温度、声发射和应力应变力学参数变化特征，有效解决了岩石动力学实验中的多参量监测延迟和记录时间不一致问题，为作业形式和监测手段等关键技术的研究开发提供了有利的条件。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本实用新型以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，其中：

图1为本实用新型实验系统结构示意图；

图2为热电偶示意图；

图3为岩石力学动态加载实验的试样加热炉主视结构图；

图4为岩石力学动态加载实验的试样加热炉侧视结构图；

图5为本实用新型同步监测方法的流程示意图；

图6为声发射系统监测结果示意图；

图7为随机散斑处理后的试样表面示意图；

图8为试样特征点应变场云图。

附图标记说明：1-岩石试样；2-加热炉；3-气室；4-冲头；5-发射腔；6-入射杆；7-应变片；8-透射杆；9-吸收杆；10-高速相机；11-信号线；12-非接触全场应变控制系统；13-测速系统；14-声发射传感器；15-声发射信号线；16-端子；17-BNC转接头；18-前置放大器；19-微处理器；20-温度信号线；21-电信号线；22-数据采集系统；23-热电偶；24-调节滑道；25-定位螺柱；26-找平螺栓；27-可调保温仓门；28-热电偶插入孔；29-加热腔；30-高强度透明石英筒。

具体实施方式

本实用新型的一种多场多参量同步监测动态加载实验装置及应用方法，主要运用在实验室内岩石试样的动态加载力学性能测试中，以期实现岩石试样在动态冲击加载条件下的温度-声发射-应变场的多参数实时同步监测，下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的描述。

结合图1、图2、图3、图4所示，一种多场多参量动态加载岩石力学实验装置，包括加热炉2，气室3，冲头4，发射腔5，入射杆6，应变片7和8，透射杆9，吸收杆10、高速相机11、非接触全场应变控制系统13、声发射传感器15、BNC转接头18、前置放大器19、微处理器20、热电偶26、加热腔35、高强度透明石英筒36、保温仓37，所述加热炉2与所述入射杆6和所述透射杆9连接，将所述岩石试样1装卡到所述加热炉2中，通过所述加热炉2对所述试样1进行加热，当达到预定温度时所述加热炉2内的所述热电偶26将温度信号通过温度信号线21反馈至所述微处理器20，所述微处理器20将通过电信号线22、23、24同时发射电信号至气室3、所述非接触全场应变控制系统13和所述声发射传感器15，所述气室3迅速发射冲头4，所述非接触全场应变控制系统13通过信号线12即时启动所述高速相机11进行所述试样1的破坏过程图像拍摄，所述声发射传感器15即开始监测记录所述试样1在动态加载破坏时的声发射信号，最终实现所述岩石试样1在动态冲击加载条件下的温度-声发射-应变场的多参数实时同步监测记录。

其中，岩石试样1可为实际岩石材料，或者为模拟岩石材料；岩石试样1尺寸为：直径50mm，高度为100mm的圆柱体；冲头4为直径50mm，高度400mm的圆柱体；入射杆6和透射杆9为直径50mm，长度2000mm的圆柱体；应变片7和8分别布设于入射杆6和透射杆9的中间部位；声发射系统采用PCI-2型，其中，声发射传感器15尺寸为Ф5.5mm，采用侧部出现方式，声发射信号线16的直径为Ф2mm；高速相机11最小拍摄图像间隔约为11μs。

其实验步骤大致如下：

a、将试样加热炉2与入射杆6和透射杆9连接，将可调保温仓门33沿调节滑道27向上提起，用定位螺柱28固定；

b、将制作完成数字散斑的岩石试样1（如图7所示）放入加热腔35的中部，调节入射杆6和透射杆9的位置，使其与试样1的端部初步对齐，然后通过调节加热炉2下部支架上的四个找平螺栓30，达到试样1与入射杆6和透射杆9的精确对齐和完好接触；

c、松开定位螺柱28，放下可调保温仓门33，使其口部尽可能接近入射杆6、透射杆9的顶部，但又不影响两个杆的来回自由移动，标记出此时可调保温仓门33的高度，退出入射杆6和透射杆9，关闭可调保温仓门33，通过热电偶插入孔34插入热电偶26，同时打开SHPB动态加载装置上的数据采集系统25，以采集入射杆6和透射杆9中的应力波信号；

d、试样1在加热炉2中加热至预定温度时，加热炉2内的热电偶26将温度信号通过温度信号线21反馈至微处理器20，微处理器20接收后将通过电信号线22、23和24同时发射电信号至气室3、非接触全场应变控制系统13和声发射传感器15；

e、气室1的开关装置接收到电信号后迅速在发射腔5内发射冲头4，冲头4撞击入射杆6产生应力波，应力波通过入射杆6传播到岩石试样1中，一部分应力波反射回入射杆6中，另一部分应力波传入透射杆9并传入吸收杆10，数据采集系统25通过入射杆6和透射杆9的应变片7和8采集应力波信号，将采集到的数据信号进行数据处理，得到岩石试样1的动态力学特性曲线；

f、当微处理器20发射的电信号同时传播至非接触全场应变控制系统13时，非接触全场应变控制系统13即时通过信号线12启动高速相机11进行试样1的破坏过程图像拍摄，拍摄的图像通过信号线12实时传输至非接触全场应变控制系统13，得到试样1的特征点应变场如图8所示。

g、当微处理器20发射的电信号同时传播至声发射传感器15时，声发射传感器15即开始监测记录试样1在动态加载破坏时的声发射信号，采集到的声发射信号通过声发射信号线16传输至端子17、BNC转接头18和前置放大器19中，采集到的声发射信号如图6所示。

h、最终通过所述微处理器20连接加热炉2内的热电偶26、声发射传感器15和非接触全场应变控制系统13进行信号的同步传输和反馈，以实现岩石试样1在动态冲击加载条件下的温度-声发射-应变场的多参数实时同步监测记录。本实用新型同步监测方法的流程示意图如图5所示。

以上的各实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多场多参量同步监测动态加载实验装置，其特征在于：所述多场多参量同步监测动态加载实验装置包括：

岩石试样、加热炉、气室、冲头、发射腔、入射杆、应变片、透射杆、吸收杆、高速相机、信号线、非接触全场应变控制系统、测速系统、声发射传感器、声发射信号线、端子、BNC转接头、前置放大器、微处理器、温度信号线、电信号线、数据采集系统、热电偶、调节滑道、定位螺柱、找平螺栓、可调保温仓门、热电偶插入孔、加热腔、高强度透明石英筒，所述可调保温仓门能够沿调节滑道向上提起，并用定位螺柱固定，所述岩石试样置于加热炉中的加热腔内，加热腔外包裹有高强度透明石英筒，加热炉放置入射杆和透射杆中间，加热炉下部支架设置四个找平螺栓；冲头在气室中加压由发射腔发射，冲头发射速度由测速系统监测记录，冲头发射后撞击入射杆产生应力波，入射杆撞击试样将应力波传播至透射杆中，透射杆尾部与吸收杆连接，数据采集系统与两个应变片连接，两个应变片分别布设于入射杆和透射杆中部；所述BNC转接头两端分别与端子及前置放大器连接，端子通过声发射信号线与声发射传感器连接；所述微处理器通过电信号线分别与气室、声发射传感器、非接触全场应变控制系统连接，并通过温度信号线与加热腔中热电偶插入孔中的热电偶连接，所述非接触全场应变控制系统通过信号线和高速相机连接。

2.根据权利要求1所述的多场多参量同步监测动态加载实验装置，其特征在于：所述热电偶端头与温度信号线连接，并通过热电偶插入孔内置于加热腔内。

3.根据权利要求1所述的多场多参量同步监测动态加载实验装置，其特征在于：所述数据采集系统两端通过应变片分别与入射杆和透射杆连接。