一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，對真三軸電液伺服誘變試驗系統(tǒng)中三個方向的巖石試樣夾具分別加工T字形空腔，使聲發(fā)射傳感器內置于其中，位于端部的橡膠塞對聲發(fā)射信號線進行固定，引出后的信號線接入帶有端子的BNC轉接頭，BNC接口直接與放大器相連，以形成完整的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。聲發(fā)射傳感器尾部通過磁鐵片與推桿固定，推桿、彈簧墊片、硬質彈簧與微型螺釘共同構成一傳力機構，通過該機構能實現(xiàn)聲發(fā)射傳感器與巖石試樣始終保持緊密接觸。本發(fā)明結構簡便，可操作性強，聲發(fā)射傳感器可重復使用，顯著降低了外置聲發(fā)射傳感器時所產(chǎn)生的諸多干擾信號，實現(xiàn)了聲發(fā)射采集信號的真實性與可靠性。
【專利說明】
一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于三軸加卸載的聲發(fā)射試驗裝置，特別是涉及一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置。
【背景技術】
[0002]深部巖石處于三維高應力狀態(tài)下，研究多維應力狀態(tài)下巖石的力學特性的方法主要包括常規(guī)三軸實驗(σι>σ2 = σ3在O)和真三軸實驗(01>02>03在O)。常規(guī)三軸實驗忽略了中間主應力對巖石力學特性的影響，不利于了解真實應力狀態(tài)下的巖石破裂機理。開展三維應力狀態(tài)巖石力學特性的研究需要利用真三軸實驗系統(tǒng)進行。
[0003]巖石材料受外力或內力作用時，由于其本身的彈性形變、裂紋擴展，造成脆性材料內局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象，稱為聲發(fā)射(Acoustic Emiss1n)，亦被稱為彈性波發(fā)射。聲發(fā)射特征參數(shù)蘊含著豐富的損傷漸進破壞的前兆信息。聲發(fā)射是研究脆性材料失穩(wěn)破裂演化過程的一個良好工具，能連續(xù)、實時地監(jiān)測載荷作用下脆性材料內部微裂紋的產(chǎn)生和擴展，并實現(xiàn)對其破壞位置的定位，這是其他任何試驗方法都不具有的特點，已被廣泛應用于研究巖石、混凝土等材料的破裂失穩(wěn)機制研究。然而，在現(xiàn)有技術條件下，對于巖石三軸加卸載聲發(fā)射及其定位技術的研究仍存在一些方面的不足與問題，主要表現(xiàn)如下:
[0004]以往大多數(shù)進行的巖石三軸試驗一般都將聲發(fā)射傳感器置于試驗系統(tǒng)的三軸室(亦或巖石試樣夾具)外壁。這種情況下，巖石試樣夾具(常規(guī)三軸中的液壓油與缸壁)會造成傳播距離增加，從而造成接收到的聲發(fā)射事件數(shù)與能量降低(對于常規(guī)三軸設備，其剪切脈沖波更是因為不能直接穿過伺服機三軸室內的液壓油而出現(xiàn)傳播路徑轉換)。另外，由于實驗室環(huán)境噪聲等的影響，聲發(fā)射傳感器置于三軸室外壁時也會受到諸多噪聲的影響，尤其是電磁信號的干擾，因此接收到的信號信噪比相對較低。目前，對于在真三軸室內監(jiān)測聲發(fā)射信號的研究及其相關設備的研制仍未見有報道。
[0005]綜上所述，有必要提出一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，以滿足在真三軸室內采集聲發(fā)射信號的技術要求。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能實現(xiàn)聲發(fā)射信號的真實性與可靠性且操作簡便、使用壽命長的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置。
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，包括6個巖石試樣夾具、聲發(fā)射前置放大器、聲發(fā)射傳感器和聲發(fā)射信號線，6個所述的巖石試樣夾具大小形狀均一致，分別沿X軸、y軸和z軸方向兩兩布置，每個所述的巖石試樣夾具均加工有T字形空腔，所述的T字形空腔的空腔長槽穿透所述的巖石試樣夾具的兩端面，一面為與巖石試樣接觸端面，另一面為加載端面;所述的聲發(fā)射傳感器內置于所述的T字形空腔內靠近巖石試樣一端與巖石試樣緊貼，所述的聲發(fā)射傳感器的另一端與傳力機構一端相連，所述的傳力機構的另一端與所述的巖石試樣夾具連接，所述的聲發(fā)射傳感器通過所述的傳力機構與巖石試樣始終保持接觸狀態(tài);所述的聲發(fā)射信號線穿過所述的T字形空腔的空腔短槽連接所述的聲發(fā)射傳感器與所述的聲發(fā)射前置放大器;還包括一根設置于巖石試樣與加載端面之間的擾動桿。
[0008]所述的傳力機構包括推桿、第一彈簧墊片、第二彈簧墊片、硬質彈簧和微型螺釘，所述的第二彈簧墊片通過兩根所述的微型螺釘固定于所述的巖石試樣夾具的受加載端面；所述的推桿的一端與所述的聲發(fā)射傳感器連接，所述的推桿另一端設有所述的第一彈簧墊片，所述的硬質彈簧設置在所述的第一彈簧墊片與所述的第二彈簧墊片之間。
[0009]所述的推桿的一端與所述的聲發(fā)射傳感器通過磁鐵片連接。
[0010]所述的T字形空腔的空腔長槽位于所述的巖石試樣夾具中央，所述的空腔短槽垂直于所述的空腔長槽，所述的空腔短槽位于所述的巖石試樣夾具的巖石試樣接觸端面與加載端面中部。
[0011]BNC轉接頭連有端子，所述的聲發(fā)射信號線通過所述的端子與所述的BNC轉接頭相連，所述的BNC轉接頭接入所述的聲發(fā)射前置放大器。
[0012]安裝在z軸方向下方的所述的T字形空腔內的所述的推桿的長度應略大于安裝在X軸和y軸方向的所述的T字形空腔內的所述的推桿的長度。
[0013]所述的T字形空腔的空腔短槽上設有橡皮塞，所述的橡皮塞上開有長方形切槽，所述的聲發(fā)射信號線塞入所述的橡膠塞內穿過所述的T字形空腔的空腔短槽。
[0014]巖石試樣與所述的巖石試樣夾具為分離式結構，所述的聲發(fā)射傳感器與傳力機構為分尚式結構。
[0015]所述的聲發(fā)射信號線與所述的BNC轉接頭為分離式結構，所述的BNC轉接頭與所述的聲發(fā)射前置放大器為分離式結構，所述的聲發(fā)射傳感器與所述的聲發(fā)射信號線為整體式結構，所述的BNC轉接頭與所述的端子為整體式結構。
[0016]所述的推桿、第一彈簧墊片、第二彈簧墊片和硬質彈簧之間為整體式結構。
[0017]采用上述技術方案的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，該真三軸試驗裝置能實現(xiàn)水平、垂直方向獨立加卸載，巖石試樣與油缸之間通過巖石試樣夾具傳力，巖石試樣與周圍6個巖石試樣夾具共同構成室體。6個巖石試樣夾具大小形狀均一致，分別沿X軸、y軸和z軸方向兩兩布置，尺寸為105mm X 105mm X 105mm，略大于巖石試樣尺寸，對巖石試樣夾具加工T字形空腔，其中，空腔長槽穿透夾具兩端面，一面為與巖石試樣接觸端面，另一面為加載端面，其尺寸為Φ 1mm X 105mm，空腔短槽沿平行于空腔長槽任一巖石試樣夾具端面加工，直至穿透空腔長槽時為止，尺寸為Φ 8mm X 50mm;聲發(fā)射系統(tǒng)采用PC1-2型，聲發(fā)射傳感器的探頭直徑為Φ 5.5mm，與聲發(fā)射傳感器相連的聲發(fā)射信號線米用側部出現(xiàn)方式，并與BNC轉接頭相分離，聲發(fā)射信號線直徑為Φ2_，將聲發(fā)射傳感器與聲發(fā)射信號線內置于各巖石試樣夾具的T字形空腔靠近巖石試樣處，聲發(fā)射信號線由空腔長槽拐入空腔短槽后，經(jīng)臨空端面處橡皮塞固定后引出，橡皮塞隨即塞入T字形空腔的空腔短槽內，弓丨出的聲發(fā)射信號線通過BNC轉接頭與聲發(fā)射前置放大器相連;BNC轉接頭端部接有一端子，能實現(xiàn)聲發(fā)射信號線與BNC轉接頭的即時分離與連接;聲發(fā)射傳感器通過磁鐵片與傳力機構(推桿)固定，傳力機構由推桿、第一彈簧墊片、第二彈簧墊片、硬質彈簧與微型螺釘構成，推桿尺寸為Φ6mmX 85mm，其另一端與第一彈簧墊片焊接牢固，第一彈簧墊片與第二彈簧墊片之間安裝有硬質彈簧，硬質彈簧需具有足夠的剛度以確保有足夠的推力使得聲發(fā)射傳感器與巖石試樣始終保持緊密接觸，聲發(fā)射傳感器與巖石試樣之間需涂抹一層凡士林，在安裝Z軸方向下方聲發(fā)射傳感器時應適當增加T字形空腔內推桿長度，使硬質彈簧接近極限壓縮狀態(tài)，以免造成聲發(fā)射傳感器無法與巖石試樣充分接觸;第二彈簧墊片通過兩根微型螺釘固定于巖石試樣夾具的加載端面。
[0018]綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019](I)本發(fā)明加工難度小、操作方便、靈活，探頭便于拆卸，可重復使用，能夠進行包括巖石在內的各種大型真三軸加卸載試驗的聲發(fā)射及其定位技術的研究，尤其適用于高圍壓條件下巖石等材料損傷破壞的聲發(fā)射研究。
[0020](2)該聲發(fā)射試驗裝置克服了以往將聲發(fā)射傳感器外置于真三軸室外的弊端，實現(xiàn)了將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸室內的合理加卸載試驗，確保聲發(fā)射采集信息的真實性與可靠性。
[0021](3)在采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)時通過內置的傳力機構能確保聲發(fā)射傳感器始終緊貼巖石試樣表面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的順利采集；同時，該裝置能準確獲得各聲發(fā)射傳感器的三維空間坐標，對于后續(xù)的定位算法確定裂紋擴展空間位置、擴展方向以及裂紋擴展的空間形態(tài)奠定基礎。
[0022]綜上所述，本發(fā)明克服了以往將聲發(fā)射傳感器外置于真三軸室外的弊端，在采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)時將聲發(fā)射傳感器緊貼巖石試樣表面，實現(xiàn)了聲發(fā)射信號的真實性與可靠性。該裝置操作簡便，聲發(fā)射傳感器可即時拆卸，提高其使用壽命。本發(fā)明能實現(xiàn)對巖石或類巖石材料在真三軸靜態(tài)、動態(tài)或動靜組合加卸載條件下?lián)p傷和破壞時的聲發(fā)射及其定位技術的研究。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0024]圖2為z軸方向巖石試樣上方夾具主視結構示意圖。
[0025]圖3為BNC轉接頭與端子結構示意圖。
[0026]圖4為聲發(fā)射信號線與橡膠塞安裝俯視結構圖。
[0027]圖5為聲發(fā)射信號線與橡膠塞安裝主視結構圖。
[0028]圖中:1-T字形空腔，2-橡膠塞，3-推桿，4-第一彈簧墊片，5_第二彈簧墊片，6_硬質彈簧，7-微型螺釘，8-BNC轉接頭，9-巖石試樣夾具，I O-磁鐵片，11-聲發(fā)射傳感器，12_聲發(fā)射信號線，13-前置放大器，14-巖石試樣，15-端子，16-油缸，17-擾動桿。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發(fā)明的實施做進一步描述:
[0030]由圖1可知，該裝置主要由T字形空腔1、橡皮塞2、推桿3、第一彈簧墊片4、第二彈簧墊片5、硬質彈簧6、微型螺釘7、BNC轉接頭8、巖石試樣夾具9、磁鐵片10、聲發(fā)射傳感器11、聲發(fā)射信號線12、聲發(fā)射前置放大器13、巖石試樣14、端子15、油缸16和擾動桿17構件構成。一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置是在真三軸電液伺服誘變試驗系統(tǒng)(TRW-3000型)上實現(xiàn)的，將巖石試樣14與巖石試樣夾具9共同視為真三軸壓力室。首先，6個巖石試樣夾具9大小形狀均一致，分別沿X軸、y軸和z軸方向兩兩布置，對該試驗系統(tǒng)中6個尺寸相同的巖石試樣夾具9分別加工T字形空腔I，巖石試樣夾具9的尺寸為105_X 105_X 105mm，T字形空腔I的空腔長槽穿透夾具兩端面，一面為與巖石試樣14接觸端面，另一面為加載端面，其尺寸為Φ10_Χ105_，Τ字形空腔I的空腔短槽沿平行于空腔長槽任一巖石試樣夾具9端面加工，直至穿透空腔長槽時為止，尺寸為Φ 8mm X 50mm;聲發(fā)射系統(tǒng)采用PC1-2型，其中，聲發(fā)射傳感器11尺寸為Φ 5.5mm，米用側部出現(xiàn)方式，聲發(fā)射信號線12的直徑為Φ2πιπι;其次，將聲發(fā)射傳感器11送入T字形空腔I的空腔長槽端面附近，聲發(fā)射信號線12由空腔長槽拐入空腔短槽后，經(jīng)臨空端面緩慢引出，并將其塞入橡膠塞2內，橡膠塞2事先已開長方形切槽，如圖4和圖5所示，隨后將塞入聲發(fā)射信號線12的橡皮塞2塞進T字形空腔I的空腔短槽內，以固定聲發(fā)射信號線12，如圖1所示;從橡皮塞2內引出的聲發(fā)射信號線12最終通過BNC轉接頭8與聲發(fā)射前置放大器13相連，已形成完整的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，BNC轉接頭8尾部連接有一端子15，其能實現(xiàn)聲發(fā)射信號線12與BNC轉接頭8的即時分離與連接，如圖3所不;再次，將傳力機構由巖石試樣夾具8加載端一端送入T字形空腔I內，傳力機構由推桿3、第一彈簧墊片4、第二彈簧墊片5、硬質彈簧6和微型螺釘7構成，第二彈簧墊片5通過兩根微型螺釘7固定于巖石試樣夾具9的受加載端面;推桿3另一端設有第一彈簧墊片4，硬質彈簧6設置在第一彈簧墊片4與第二彈簧墊片5之間。傳力機構為一整體，即上述構件兩兩之間通過焊接的方式進行固定，聲發(fā)射傳感器11通過一磁鐵片10與傳力機構的推桿3連接，以防止聲發(fā)射傳感器11與巖石試樣14產(chǎn)生滑落，硬質彈簧6應具有足夠高的剛度，以確保聲發(fā)射傳感器11始終與巖石試樣14緊密接觸，硬質彈簧6在工作時應確保處于壓縮狀態(tài)，以使聲發(fā)射傳感器11始終處于向巖石試樣14一方受壓狀態(tài)；由圖1所不，在安裝Z軸方向下方聲發(fā)射傳感器11時應適當增加T字形空腔I內推桿3的長度，使硬質彈簧6接近極限壓縮狀態(tài)，以防止聲發(fā)射傳感器11與巖石試樣14分離而造成無法接受聲發(fā)射信號的后果，聲發(fā)射傳感器11與巖石試樣14之間需涂抹一層凡士林;最后，將巖石試樣夾具9裝入真三軸電液伺服誘變試驗系統(tǒng)內，安裝時，由于不同方向作動器與油缸16位置不同，沿ζ軸方向的巖石試樣夾具9內T字形空腔I需呈側立式布置，沿X軸和y軸的巖石試樣夾具9內T字形空腔I需呈倒立式布置，如圖1和圖2所示。還包括一根設置于巖石試樣14與油缸16之間的擾動桿17。通過擾動桿17作用于試件表面用于模擬地下工程開挖過程中動載荷(包括爆破震動、沖擊載荷、列車震動等)對巖石的影響，擾動桿17—側連接有擾動連接桿與擾動作動器，其可以在巖石試樣某一方向或多個方向同時施加擾動荷載。
[0031]在本實施例中，巖石試樣14與巖石試樣夾具9為分離式結構，聲發(fā)射傳感器11、磁鐵片10與傳力機構三者為分離式結構，聲發(fā)射信號線12與BNC轉接頭8為分離式結構，BNC轉接頭8與前置放大器13為分離式結構，橡皮塞2與聲發(fā)射信號線12為分離式結構;而聲發(fā)射傳感器11與聲發(fā)射信號線12為整體式結構，推桿3、第一彈簧墊片4、第二彈簧墊片5和硬質彈簧6之間為整體式結構，BNC轉接頭8與端子15為整體式結構。
[0032]在對該裝置進行拆卸時，先將聲發(fā)射信號線12與端子15分離，再將聲發(fā)射傳感器11與傳力機構進行分離。由于聲發(fā)射傳感器11價格昂貴，通過與磁鐵片10相連接，其能即使拆卸，重復使用，避免了由于采用玻璃膠、結構膠水等對聲發(fā)射傳感器11的損傷與危害，極大地降低了試驗所需成本。
[0033]一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，在進行真三軸動、靜態(tài)或動靜組合加載實驗時，最多可實現(xiàn)6個聲發(fā)射通道的同時使用；在進行真三軸動、靜態(tài)或動靜組合卸載實驗時，最多能實現(xiàn)5個聲發(fā)射通道的同時使用，在后續(xù)進行定位算法以確定裂紋擴展空間位置、擴展方向以及裂紋擴展的空間形態(tài)時，至少需要安裝4個聲發(fā)射傳感器以滿足方程組的求解，因此，本發(fā)明能進行真三軸加卸載聲發(fā)射定位的巖石裂紋動態(tài)演化過程的研究。
【主權項】
1.一種將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，包括6個巖石試樣夾具(9)、聲發(fā)射前置放大器(13)、聲發(fā)射傳感器(11)和聲發(fā)射信號線(12)，其特征在于:6個所述的巖石試樣夾具(9)大小形狀均一致，分別沿X軸、y軸和z軸方向兩兩布置，每個所述的巖石試樣夾具(9)均加工有T字形空腔(I)，所述的T字形空腔(I)的空腔長槽穿透所述的巖石試樣夾具(9)的兩端面，一面為與巖石試樣接觸端面，另一面為加載端面;所述的聲發(fā)射傳感器(11)內置于所述的T字形空腔(I)內靠近巖石試樣一端與巖石試樣緊貼，所述的聲發(fā)射傳感器(11)的另一端與傳力機構一端相連，所述的傳力機構的另一端與所述的巖石試樣夾具(9)連接，所述的聲發(fā)射傳感器(11)通過所述的傳力機構與巖石試樣始終保持接觸狀態(tài)；所述的聲發(fā)射信號線(12)穿過所述的T字形空腔(I)的空腔短槽連接所述的聲發(fā)射傳感器(11)與所述的聲發(fā)射前置放大器(13);還包括一根設置于巖石試樣與加載裝置之間的擾動桿(17)。2.根據(jù)權利要求1所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:所述的傳力機構包括推桿(3)、第一彈簧墊片(4)、第二彈簧墊片(5)、硬質彈簧(6)和微型螺釘(7)，所述的第二彈簧墊片(5)通過所述的微型螺釘(7)固定于所述的巖石試樣夾具(9)的受加載端面;所述的推桿(3)的一端與所述的聲發(fā)射傳感器(11)連接，所述的推桿3另一端設有所述的第一彈簧墊片(4)，所述的硬質彈簧(6)設置在所述的第一彈簧墊片(4)與所述的第二彈簧墊片(5)之間。3.根據(jù)權利要求2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:所述的推桿(3)的一端與所述的聲發(fā)射傳感器(11)通過磁鐵片(10)連接。4.根據(jù)權利要求1或2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:所述的T字形空腔(I)的空腔長槽位于所述的巖石試樣夾具(9)中央，所述的空腔短槽垂直于所述的空腔長槽，所述的空腔短槽位于所述的巖石試樣夾具(9)的巖石試樣接觸端面與加載端面中部。5.根據(jù)權利要求1或2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:BNC轉接頭(8)連有端子(15)，所述的聲發(fā)射信號線(12)通過所述的端子(I 5)與所述的BNC轉接頭(8)相連，所述的BNC轉接頭(8)接入所述的聲發(fā)射前置放大器(13)。6.根據(jù)權利要求2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:安裝在z軸方向下方的所述的T字形空腔(I)內的所述的推桿(3)的長度大于安裝在X軸和y軸方向的所述的T字形空腔(I)內的所述的推桿(3)的長度。7.根據(jù)權利要求1或2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:所述的T字形空腔(I)的空腔短槽上設有橡皮塞(2)，所述的橡皮塞(2)上開有長方形切槽，所述的聲發(fā)射信號線(12)塞入所述的橡膠塞(2)內穿過所述的T字形空腔(I)的空腔短槽。8.根據(jù)權利要求1或2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:巖石試樣與所述的巖石試樣夾具(9)為分離式結構，所述的聲發(fā)射傳感器(11)與傳力機構為分離式結構。9.根據(jù)權利要求5所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:所述的聲發(fā)射信號線(12)與所述的BNC轉接頭(8)為分離式結構，所述的BNC轉接頭(8)與所述的聲發(fā)射前置放大器(13)為分離式結構，所述的聲發(fā)射傳感器(11)與所述的聲發(fā)射信號線(12)為整體式結構，所述的BNC轉接頭(8)與所述的端子(15)為整體式結構。10.根據(jù)權利要求2所述的將聲發(fā)射傳感器內置于真三軸腔室的聲發(fā)射試驗裝置，其特征在于:所述的推桿(3)、第一彈簧墊片(4)、第二彈簧墊片(5)和硬質彈簧(6)之間為整體式結構。
【文檔編號】G01N29/14GK105842343SQ201610155869
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】李地元, 李夕兵, 馮帆, 杜坤, 王少峰, 邱加冬
【申請人】中南大學