带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置的制作方法

本发明属于岩石力学与岩石试验领域，具体涉及一种带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置。

背景技术：

岩石变形破裂的宏观现象背后隐藏着其细观机理，即在细观尺度上裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化过程，从细观层次探明裂纹的演化规律具有重要的理论意义和应用价值。目前，大多采用工业ct机配合自主研制的加载装置进行三轴压缩试验，观察岩石破坏过程中内部裂纹扩展演化过程，一定程度上实现了岩石破坏过程中细观结构的实时观察和分析。

申请号为：201510577392.2，专利名称为《一种带ct实时扫描系统的岩石真三轴试验系统及方法》公开了一种可以进行ct实时扫描的真三轴试验装置，该装置解决了x射线无法穿透传统真三轴试验机的难题，实现了岩石破坏过程中细观结构的实时观察和分析，但由于压力盒、立柱以及反力装置均采用碳纤维材料制成，其强度以及装置尺寸相比传统真三轴装置小很多，无法对大试样以及强度高的试样进行实验。

此外，部分仪器采用声发射技术，观察岩石破坏过程中内部裂纹扩展演化过程。但声发射技术一方面需要在试样上安装若干个探头，不利于荷载的施加。一方面需要由探头的空间位置以及声波到达探头的时差经计算得到岩石裂纹的位置，结果不够直观，且误差大；另一方面，声发射技术只能给出声发射源的位置、活性、强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，即只能给出裂纹的大体位置，无法得到裂纹的形状以及大小。

现亟需一种分辨率较高、信噪比较好，能清楚地观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程且能对强度高、尺寸大的试样进行实验的岩石真三轴细观结构实时成像测试分析装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置，实验人员在实验过程中可以实时观测岩石试样在加载过程中裂纹的萌生、扩展、贯通至试样破坏的演化过程。

为了实现上述本发明的目的，本发明的技术方案为：带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置，包括真三轴加载系统和超声相控阵列检测系统；其特征在于：所述真三轴加载系统包括x方向加载系统、y方向加载系统、z方向加载系统，x方向加载系统、y方向加载系统、z方向加载系统各自独立,x方向加载系统包括：手动操作加载部分7、泵动加载部分和水平压头；y方向加载系统包括：围压加压系统排气口，围压加压系统进油口、围压加压系统出油口；z方向加载系统包括：轴压室、垂直加载活塞、正方形上压头、正方形下压头；正方形上压头和正方形下压头均设置于围压室内,轴压室安装在围压室正上方，垂直加载活塞位于正方形上压头正上方，正方形上压头和下正方形压头分别设置于试样的上、下两端；所述轴压室下端面设置有通孔，轴压室与围压室通过通孔连通；垂直加载活塞包括垂直加载活塞横向部分和垂直加载活塞纵向部分，垂直加载活塞纵向部分与垂直加载活塞横向部分垂直，垂直加载活塞纵向部分位于垂直加载活塞横向部分下端的中心，垂直加载活塞横向部分位于轴压室内，垂直加载活塞纵向部分下端位于通孔内或向下伸出轴压室进入围压室，垂直加载活塞横向部分与垂直加载活塞纵向部分为一体式结构；有左轴杆、右轴杆分别以轴对称形式设置于围压室两侧,且分别穿过围压室外壁；泵动加载部分右端连接于左轴杆左端，手动操作加载部分左端连接于右轴杆右端；围压加压系统进油口、围压加压系统出油口分别以轴对称形式设置于围压室外壁下端的左、右两侧，围压加压系统排气口设置于围压室外壁上端的右侧；有底座垂直连接于围压室下端；试样为底面为正方形的矩形体，水平压头有两个，分别位于试样左、右两端，水平压头为长方体，且与试样接触的截面与试样形状及尺寸相同；正方形上压头和正方形下压头的底面形状均为正方形、且与所述试样底面尺寸相同；所述z方向加载系统还包括轴向加载系统进油口、轴向加载系统出油口和轴向加载系统排气口，轴向加载系统进油口和轴向加载系统出油口,轴向加载系统进油口、轴向加载系统出油口分别以轴对称形式设置于轴压室外壁上端的左、右两侧，轴向加载系统排气口设置于轴压室外壁下端的右侧；所述超声相控阵列检测系统包括上位机、超声触发/接收板和超声相控阵换能器，所述上位机与超声触发/接收板连接，超声相控阵换能器声波发射面通过耦合剂耦合在试样的前方或后方，所述超声触发/接收板和上位机均设置于围压室外。

在上述技术方案中，所述超声触发/接收板包括阵元切换电路、信号放大调整电路、数模转换器、超声阵元触发电路、触发延迟电路、数据采集器和微处理器；所述阵元切换电路分别与信号放大调整电路、超声阵元触发电路和超声相控阵换能器连接，信号放大调整电路通过数模转换器与数据采集器连接，超声阵元触发电路通过触发延迟电路与数据采集器连接，数据采集器连接通过微处理器与上位机连接。

在上述技术方案中，所述轴向加载系统进油口与轴向加载系统出油口连接轴压伺服泵，轴向加载系统排气口与大气连接；所述围压加压系统进油口与围压加压系统出油口连接围压伺服泵，围压加压系统排气口通过围压伺服阀与大气连接。

在上述技术方案中，所述围压室外壁下端有usb接口,超声触发/接收板通过usb接口与超声相控阵换能器连接。

本发明有益效果如下：

1)本发明的超声相控阵换能器尺寸小、探测范围大、具有动态聚焦能力，可以应用于小型乃至大型真三轴加载装置；

2)本发明是一种带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置，具有信噪比好、分辨率高、对大而厚的试样内部进行检测获得的结果比较直观、可以清楚的观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程，具有动态聚焦能力，不需要移动探头即可完成一定范围内试样的扫描工作、使用方便的优势；

3)本发明具有轴向加载系统排气口和围压加压系统排气口，轴向加载系统排气口可以保证垂直加载活塞在给试样施加力时不会因轴压室内空气压缩对实验产生干扰；围压加压系统排气口可以排除围压室内的空气，即本发明可以避免空气压缩对实验产生干扰；

4)超声相控阵换能器通过耦合剂耦合至试样前方或后方，一方面用于固定试样与超声相控阵换能器的相对位置，防止在检测过程中试样与超声相控阵换能器发生相对位移；另一方面隔绝围压室内液压油，防止液压油对超声相控阵换能器声波发射面产生影响，影响检测结果。

附图说明

图1为本发明主视图。

图2为本发明侧视图。

图3为本发明试样、水平压头、超声相控阵换能器的平面位置示意图。

图4为本发明的超声相控阵检测系统结构示意图。

图中1-垂直加载活塞，1.1-垂直加载活塞横向部分，1.2-垂直加载活塞纵向部分，2-轴向加载系统进油口，3-轴向加载系统出油口，4-轴向加载系统排气口，5-正方形上压头，6-正方形下压头，7-手动操作加载部分，8-泵动加载部分，9-水平压头，10-围压加压系统排气口，11-围压加压系统进油口，12-围压加压系统出油口，13-试样，14-左轴杆，15-右轴杆，16-围压室，17-底座，18-超声相控阵换能器，19-usb接口，20-超声触发/接收板，20.1-阵元切换电路，20.2-信号放大调整电路，20.3-数模转换器，20.4-超声阵元触发电路，20.5-触发延迟电路，20.6-数据采集器，20.7-微处理器，21-上位机，22-轴压室。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置，其特征在于：包括真三轴加载系统和超声相控阵列检测系统；

所述真三轴加载系统包括x方向加载系统、y方向加载系统、z方向加载系统，x方向加载系统、y方向加载系统、z方向加载系统各自独立,x方向加载系统包括：手动操作加载部分7、泵动加载部分8和水平压头9；y方向加载系统包括：围压加压系统排气口10，围压加压系统进油口11、围压加压系统出油口12；z方向加载系统包括：轴压室22、垂直加载活塞1、正方形上压头5、正方形下压头6；正方形上压头5和正方形下压头6均设置于围压室16内,轴压室22安装在围压室16正上方，垂直加载活塞1位于正方形上压头5正上方，正方形上压头5和下正方形压头6分别设置于试样13的上、下两端；所述轴压室22下端面设置有通孔，轴压室22与围压室16通过通孔连通；垂直加载活塞1包括垂直加载活塞横向部分1.1和垂直加载活塞纵向部分1.2，垂直加载活塞纵向部分1.2与垂直加载活塞横向部分1.1垂直，垂直加载活塞纵向部分1.2位于垂直加载活塞横向部分1.1下端的中心，垂直加载活塞横向部分1.1位于轴压室22内，垂直加载活塞纵向部分1.2下端位于通孔内或向下伸出轴压室22进入围压室16，垂直加载活塞横向部分1.1与垂直加载活塞纵向部分1.2为一体式结构；有左轴杆14、右轴杆15分别以轴对称形式设置于围压室16两侧,且分别穿过围压室16外壁；泵动加载部分8右端连接于左轴杆14左端，手动操作加载部分7左端连接于右轴杆15右端；围压加压系统进油口11、围压加压系统出油口12分别以轴对称形式设置于围压室16外壁下端的左、右两侧，围压加压系统排气口10设置于围压室16外壁上端的右侧；有底座17垂直连接于围压室16下端；试样13为底面为正方形的矩形体，水平压头9有两个，分别位于试样13左、右两端，水平压头9为长方体，且与试样13接触的截面与试样13形状及尺寸相同；正方形上压头5和正方形下压头6的底面形状均为正方形、且与所述试样13底面尺寸相同；

所述z方向加载系统还包括轴向加载系统进油口2、轴向加载系统出油口3和轴向加载系统排气口4，轴向加载系统进油口2和轴向加载系统出油口3分别以轴对称形式设置于轴压室22外壁上端的左、右两侧，轴向加载系统排气口4设置于轴压室22外壁下端的右侧；

所述超声相控阵列检测系统包括上位机21、超声触发/接收板20和超声相控阵换能器18，所述上位机21与超声触发/接收板20连接，超声相控阵换能器18声波发射面通过耦合剂耦合在试样13的前方或后方，水平压头9及超声相控阵换能器18设置于胶套外侧，所述超声触发/接收板20和上位机21均设置于围压室16外。

优选的，所述超声触发/接收板20包括阵元切换电路20.1、信号放大调整电路20.2、数模转换器20.3、超声阵元触发电路20.4、触发延迟电路20.5、数据采集器20.6和微处理器20.7；所述阵元切换电路20.1分别与信号放大调整电路20.2、超声阵元触发电路20.4和超声相控阵换能器18连接，信号放大调整电路20.2通过数模转换器20.3与数据采集器20.6连接，超声阵元触发电路20.4通过触发延迟电路20.5与数据采集器20.6连接，数据采集器20.6连接通过微处理器20.7与上位机21连接。超声相控阵换能器18的长度、宽度以及组合形式有多种规格，具体使用规格依据成像效果以及经济性来决定。

优选的，所述轴向加载系统进油口2与轴向加载系统出油口3连接轴压伺服泵，轴向加载系统排气口4与大气连接；所述围压加压系统进油口11与围压加压系统出油口12连接围压伺服泵，围压加压系统排气口10通过围压伺服阀与大气连接；轴向加载系统排气口和围压加压系统排气口，轴向加载系统排气口可以保证垂直加载活塞在给试样施加力时不会因轴压室内空气压缩对实验产生干扰；围压加压系统排气口可以排除围压室内的空气，即本发明可以避免空气压缩对实验产生干扰；

优选的，所述围压室16外壁下端有usb接口19,超声触发/接收板20通过usb接口19与超声相控阵换能器18连接；使用usb接口连接使得安装和拆卸十分的方便。

实际使用时，将超声相控阵换能器18声波发射面与试样13接触，通过发射声波与接收声波来达到测量的目的；超声相控阵换能器18其余面用密封盒密封，只留下声波发射面用耦合剂与试样13耦合；密封盒为空心矩形，将超声相控阵换能器18置于密封盒中，通过螺丝、耦合剂等将密封盒与超声相控阵换能器18连接，达到隔绝液压油的目的。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于超声相控阵列的岩石真三轴细观结构实时成像测试分析系统与申请号为：201510577392.2，专利名称为《一种带ct实时扫描系统的岩石真三轴试验系统及方法》比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置与申请号为：201510577392.2，专利名称为《一种带ct实时扫描系统的岩石真三轴试验系统及方法》相比，本发明所述的带超声相控阵列实时成像系统的岩石真三轴试验装置的装置规模、强度能得到保证，可完成高强度岩石试样的真三轴实验，具有动态聚焦能力，不需要移动探头即可完成一定范围内试样的扫描工作，使用较方便，成像质量较好，能清楚地观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程。

其它未说明的部分均属于现有技术。