真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置的制作方法

本发明涉及深部岩石测试技术领域，尤其涉及一种真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置。

背景技术：

随着对矿产资源需求量的增加和浅部资源的不断消耗，我国未来矿产资源开发将全面进入第二深度空间(1000～2000m)范围内的深部矿床，矿山深部开采将成为常态。在不同工程活动扰动诱发下，深部应力场、温度场、渗压场等多场耦合作用下岩体能量的积聚与释放是深部开采灾害频发的根源。深部各种灾害，如非均匀高初始应力下岩石动力扰动能量释放、采动岩体裂隙动态演化和水力渗流突变、温压耦合状态下的岩石动静力学破坏特性，演化过程复杂，影响因素众多。

深部多场耦合环境下的岩体在动力扰动作用下，其灾害现象的演化过程往往表现出快速、突变特点。现有的深部多场物理试验系统，往往开展静态或准静态的试验研究，系统的控制与监测系统对深部岩体的瞬态灾变过程的参数捕捉，还难以满足高精度定量分析的要求。例如，现有的真三轴加载平台的数据监测系统对试验过程中的应力、应变、温度、压力、流量、声学和影像等数据多采用相互独立采集仪器，各数据间还难以实现时间上的高精度同步匹配，严重影响了对试验现象的综合性分析。

因而，为了能够满足岩石多场耦合与动力扰动真三轴平台对深部岩石赋存的多场耦合环境与工程动力扰动的模拟，并高精度捕捉灾害现象的演化过程，必须对试验过程中涉及的应力、应变、温度、压力、流量、声学、影像等参数实施多通道的同步监测、高速采集和快速分析，以精准的多手段同步监测技术实现试验结果的定量化分析。

技术实现要素：

本发明提供了一种真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置，以解决现有的数据检测系统难以实现各参数采集在时间上的高精度同步匹配。

一种真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置，包括加载控制系统和数据同步监测装置；

所述加载控制系统包括工控机，以及均与所述工控机连接的应力加载控制机构、渗流加载控制机构、温度加载控制机构和动力扰动加载控制机构；

所述数据同步监测装置包括同步触发器、监测数据采集机构、数据存储与分析工作站和监测传感器；所述监测传感器、监测数据采集机构、数据存储与分析工作站依次连接，所述工控机、监测数据采集机构均与所述同步触发器连接；

所述应力加载控制机构、渗流加载控制机构、温度加载控制机构、动力扰动加载控制机构7均与所述监测数据采集机构连接，所述数据存储与分析工作站与所述工控机连接。

进一步地，所述监测传感器包括设置于受测试件内的压力盒，设置于受测试件外表面静态应变片、第二动态应变片、声发射压电传感器、数字图像传感器，设置于受测试件渗流输入端的第一压力传感器、第一质量流量传感器、第一测温传感器，设置于受测试件渗流输出端的第二压力传感器、第二质量流量传感器、第二测温传感器；

所述压力盒、静态应变片、第二动态应变片、声发射压电传感器、数字图像传感器、第一压力传感器、第一质量流量传感器、第一测温传感器、第二压力传感器、第二质量流量传感器、第二测温传感器还均与所述监测数据采集机构连接。

进一步地，所述监测数据采集机构包括多通道模拟信号高速采集器、动静态应变仪、超动态应变仪、声发射采集仪和高速数字图像采集仪；

所述多通道模拟信号高速采集器、动静态应变仪、超动态应变仪、声发射采集仪和高速数字图像采集仪的数据输出端均与所述数据存储与分析工作站连接；

所述多通道模拟信号高速采集器的信号输入端与所述压力盒、第一压力传感器、第一质量流量传感器、第一测温传感器、第二压力传感器、第二质量流量传感器、第二测温传感器、应力加载控制机构、渗流加载控制机构、温度加载控制机构连接；所述超动态应变仪的信号输入端与所述动力扰动加载控制机构和第二动态应变片连接；所述动静态应变仪的信号输入端与所述静态应变片连接；所述声发射采集仪的信号输入端与所述声发射压电传感器连接；所述高速数字图像采集仪的信号输入端与所述数字图像传感器连接；

所述同步触发器的触发指令接收端与所述工控机连接，所述同步触发器的触发信号输出端与所述多通道模拟信号高速采集器、动静态应变仪、超动态应变仪、声发射采集仪和高速数字图像采集仪的触发信号接收端并联。

进一步地，所述超动态应变仪还设置有波形模拟电信号输出端83，所述波形模拟信号输出端连接有示波器。

进一步地，所述高速数字图像采集仪的触发信号接收端还用于与所述超动态应变仪的波形模拟电信号输出端连接。

进一步地，所述应力加载控制机构包括多通道应力加载控制器，以及均与所述多通道应力加载控制器连接的多组静态液压执行机构、多组动态液压执行机构、静态载荷传感器、静态位移传感器、静态应变传感器、动态载荷传感器、动态位移传感器和动态应变传感器；

所述多通道应力加载控制器还与所述工控机连接，所述静态载荷传感器静态位移传感器、静态应变传感器、动态载荷传感器、动态位移传感器和动态应变传感器还均与所述多通道模拟信号高速采集器连接。

进一步地，所述静态载荷传感器还与所述声发射采集仪连接。

所述的静态载荷传感器能同步将静载荷信号供多通道模拟信号高速采集器和声发射采集仪执行数据采集。以静态载荷为纽带，多通道模拟信号高速采集器所采集的各类数据与声发射采集仪采集的声发射数据能够在数据分析无时差进行分析校验，进一步提高了数据分析的同步化精度。

进一步地，所述渗流加载控制机构包括渗流加载控制器，以及均与所述渗流加载控制器37连接的渗流加载执行机构、渗流压力传感器、渗流流量传感器；

所述渗流加载控制器还与所述工控机连接，所述渗流压力传感器、渗流流量传感器还均与所述多通道模拟信号高速采集器连接。

进一步地，所述温度加载控制机构包括温度加载控制器，以及均与所述温度加载控制器连接的温度加载执行机构、测温传感器；

所述温度加载控制器还与所述工控机连接，所述测温传感器还与所述多通道模拟信号高速采集器连接。

进一步地，所述动力扰动加载控制机构包括动力扰动加载控制器，以及均与所述动力扰动加载控制器连接的气动动力扰动加载执行机构和气压传感器；

所述气动动力扰动加载执行机构上还设置有监测扰动加载波形用的第一动态应变片；所述动力扰动加载控制器还与所述工控机连接，所述第一动态应变片还与所述超动态应变仪连接。

有益效果

本发明提出了一种真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置，具有如下优点：

1.本发明在其数据同步监测装置中引入同步触发器，在试验前或试验开始同时，通过加载控制系统的工控机终端，控制同步触发器施加同步触发信号，进而使数据同步监测装置的所有数据采集装置在同一时刻执行数据采集指令，从而使应力、应变、温度、压力、流量、声学和数字图像等数据在同一时间点同步采集，从而实现了各数据在时间上的一一对应关系；

2.本发明在其加载控制系统的应力加载控制机构、渗流加载控制机构、温度加载控制机构和动力扰动加载控制机构所涉及的传感器，都设置有不少于两组并联的信号输出端，各传感器在给加载控制系统反馈信号的同时，也将加载状态参数同步输出给数据同步监测装置用于与试件状态参数联合采集，从而有效克服了现有真三轴加载平台其控制系统与监测系统的多类数据难以同步耦合的缺陷。

3.本发明数据采样频率能匹配微秒级的破坏过程的采集频率要求，可实现对微秒级动力破坏过程现象的捕获。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，提供了一种岩石多场耦合与动力扰动真三轴平台的加载控制与数据同步监测装置，包括加载控制系统1和数据同步监测装置2；

所述加载控制系统1包括工控机3、应力加载控制机构4、渗流加载控制机构5、温度加载控制机构6和动力扰动加载控制机构7；

所述数据同步监测装置2包括同步触发器8、监测数据采集机构9、数据存储与分析工作站10和监测传感器11。

参见图1，所述应力加载控制机构4包括多通道应力加载控制器12、多组静态液压执行机构13、多组动态液压执行机构14、静态载荷传感器15、静态位移传感器16、静态应变传感器17、动态载荷传感器18、动态位移传感器19和动态应变传感器20；所述各组静态液压执行机构13与静态载荷传感器15、静态位移传感器16和静态应变传感器17匹配使用，所述各组动态液压执行机构14与动态载荷传感器18、动态位移传感器19和动态应变传感器20匹配使用。

所述静态载荷传感器15设置有并联输出的第一静载荷信号输出端21、第二静载荷信号输出端22、和第三静载荷信号输出端23；所述静态位移传感器16设置有并联输出的第一静位移信号输出端24和第二静位移信号输出端25；所述静态应变传感器17设置有并联输出的第一静应变信号输出端26和第二静应变信号输出端27；所述动态载荷传感器18设置有并联输出的第一动载荷信号输出端28和第二动载荷信号输出端29；所述动态位移传感器19设置有并联输出的第一动位移信号输出端30和第二动位移信号输出端31；所述动态应变传感器20设置有并联输出的第一动应变信号输出端32和第二动应变信号输出端33；所述多通道应力加载控制器12信号输出端34与所述各组静态液压执行机构13和各组动态液压执行机构14电性连接；所述多通道应力加载控制器12指令接收端35与所述工控机3电性连接；所述第一静载荷信号输出端21、第一静位移信号输出端24、第一静应变信号输出端26、第一动载荷信号输出端28、第一动位移信号输出端30和第一动应变信号输出端32与所述多通道应力加载控制器12信号反馈端36对应的通道电性连接。

所述渗流加载控制机构5包括渗流加载控制器37、渗流加载执行机构38、渗流压力传感器39和渗流流量传感器40；所述渗流压力传感器39设置有并联输出的第一压力信号输出端41和第二压力信号输出端42；所述渗流流量传感器40设置有并联输出的第一流量信号输出端43和第二流量信号输出端44；所述渗流加载控制器37指令接收端45与所述工控机3电性连接，所述渗流加载控制器37信号输出端46与所述渗流加载执行机构38电性连接，所述渗流加载控制器37信号反馈端47与第一压力信号输出端41和第一流量信号输出端43电性连接。

所述温度加载控制机构6包括温度加载控制器48、温度加载执行机构49和测温传感器50；所述测温传感器50设置有并联输出的第一温度信号输出端51和第二温度信号输出端52；所述温度加载控制器48指令接收端53与所述工控机3电性连接，所述温度加载控制器48信号输出端54与所述温度加载执行机构49电性连接，所述温度加载控制器48信号反馈端55与第一温度信号输出端51电性连接。

所述动力扰动加载控制机构7包括动力扰动加载控制器56、气动动力扰动加载执行机构57和气压传感器58；所述动力扰动加载控制器56指令接收端59与所述工控机3电性连接，所述动力扰动加载控制器56信号输出端60与所述气动动力扰动加载执行机构57电性连接，所述动力扰动加载控制器56信号反馈端61与气压传感器58输出端电性连接；所述气动动力扰动加载执行机构57上还设置有监测扰动加载波形用的第一动态应变片62。

参见图1，所述监测传感器11包括设置于受测试件63内的压力盒64，设置于受测试件63外表面静态应变片65、第二动态应变片66、声发射压电传感器67、数字图像传感器68，设置于受测试件63渗流输入端的第一压力传感器69、第一质量流量传感器70、第一测温传感器71，设置于受测试件63渗流输出端的第二压力传感器72、第二质量流量传感器73和第二测温传感器74。

所述监测数据采集机构9包括多通道模拟信号高速采集器75、动静态应变仪76、超动态应变仪77、声发射采集仪78和高速数字图像采集仪79；所述多通道模拟信号高速采集器75、动静态应变仪76、超动态应变仪77、声发射采集仪78和高速数字图像采集仪79都设置有信号输入端80、触发信号接收端81和数据输出端82；所述超动态应变仪77还设置有波形模拟电信号输出端83，所述波形模拟信号输出端83还电性连接有示波器84；

所述同步触发器8设置有触发指令接收端85和触发信号输出端86，所述触发指令接收端85与所述工控机3电性连接，所述触发信号输出端86与多通道模拟信号高速采集器75、动静态应变仪76、超动态应变仪77、声发射采集仪78和高速数字图像采集仪79的触发信号接收端81电性并联；所述高速数字图像采集仪79的触发信号接收端81还可与所述超动态应变仪77的波形模拟电信号输出端83电性连接。

所述多通道模拟信号高速采集器75的信号输入端80与压力盒64、第一压力传感器69、第一质量流量传感器70、第一测温传感器71、第二压力传感器72、第二质量流量传感器73和第二测温传感器74电性连接；所述多通道模拟信号高速采集器75的信号输入端80还与所述第二静载荷信号输出端22、第二静位移信号输出端25、第二静应变信号输出端27、第二动载荷信号输出端29、第二动位移信号输出端31、第二动应变信号输出端33、第二压力信号输出端42、第二流量信号输出端44和第二温度信号输出端52电性连接；所述超动态应变仪77的信号输入端80与所述第一动态应变片62和第二动态应变片66电性连接；所述动静态应变仪76的信号输入端80与所述静态应变片65电性连接；所述声发射采集仪78的信号输入端80与所述第三静载荷信号输出端23和声发射压电传感器67电性连接；所述高速数字图像采集仪79的信号输入端80与所述数字图像传感器68电性连接；

所述数据存储与分析工作站10的信号输入端与所述多通道模拟信号高速采集器75、动静态应变仪76、超动态应变仪77、声发射采集仪78和高速数字图像采集仪79的数据通信端82电性连接；所述数据存储与分析工作站10还设置有反馈信号输出端87与所述工控机3电性连接。

为进一步理解本发明的技术方案，下面结合实例说明岩石多场耦合与动力扰动真三轴平台的加载控制与数据同步监测装置试验应用过程。

实施例1、岩石的应力-温度-渗流-强动力扰动耦合试验数据监测：

步骤一：将方形受测试件63装载入岩石多场耦合与动力扰动真三轴平台的压力室，并完成各管路和传感器与试件的连接。

步骤二：通过工控机3操控界面，设置所述应力加载控制机构4的三向应力载荷、应力路径和加载方式；然后工控机3施加加载指令，控制所述多通道应力加载控制器12输出加载信号，各静态液压执行机构13执行静态应力加载动作；进而，所述多通道应力加载控制器12根据静态载荷传感器15的第一静载荷信号输出端21、静态位移传感器16的第一静位移信号输出端24和静态应变传感器17的第一静应变信号输出端26的反馈信号进行伺服加载控制，从而使受测试件63完成静应力加载，并保持。

步骤三：通过工控机3操控界面，设置所述温度加载控制机构6的温度载荷和加温速率；然后工控机3施加加温指令，控制所述温度加载控制器48输出加温信号，所述温度加载执行机构49对受测试件63执行温度加载动作；进而，所述温度加载控制器48根据试件内和加载板上的测温传感器50的第一温度信号输出端51的信号反馈进行伺服加温控制，从而使受测试件63达到所需的温度场条件，并保持。

步骤四：通过工控机3操控界面，设置所述渗流加载控制机构5的渗流压力和流量载荷；然后工控机3施加注液指令，控制所述渗流加载控制器37输出注液信号，所述渗流加载执行机构38对受测试件63执行渗流注液加载动作；进而，所述渗流加载控制器37根据渗流压力传感器39和渗流流量传感器40的第一压力信号输出端41和第一流量信号输出端43的信号反馈进行伺服注液控制，并保持。

步骤五：将所述高速数字图像采集仪79的触发信号接收端81与所述超动态应变仪77的波形模拟电信号输出端连接，而断开与所述同步触发器8之间的连接，然后启动数据同步监测装置2，进入待触发状态；进一步的，通过工控机3操控界面，对所述同步触发器8施加触发指令，同步触发器8触发信号输出端对多通道模拟信号高速采集器75、动静态应变仪76、超动态应变仪77和声发射采集仪78施加同步触发信号，各监测数据采集机构9同步执行高速数据采集动作；所述多通道模拟信号高速采集器75同步采集压力盒64、第一压力传感器69、第一质量流量传感器70、第一测温传感器71、第二压力传感器72、第二质量流量传感器73和第二测温传感器74的初始模拟电压信号，并同步采集第二静载荷信号输出端22、第二静位移信号输出端25、第二静应变信号输出端27、第二动载荷信号输出端29、第二动位移信号输出端31、第二动应变信号输出端33、第二压力信号输出端42、第二流量信号输出端44和第二温度信号输出端52的初始模拟电压信号；所述动静态应变仪76采集所述静态应变片65的应变信号，所述超动态应变仪77采集所述第一动态应变片62和第二动态应变片66的动态应变信号，所述声发射采集仪78同步采集第三静载荷信号输出端23和声发射压电传感器67的数据信号，所述高速数字图像采集仪79处于等待超动态应变仪77将其触发的状态；此时，所述数据存储与分析工作站10存储监测数据采集机构9所输出的各类数据信号，并根据第一压力传感器69、第一质量流量传感器70、第二压力传感器72和第二质量流量传感器73采集的数据，计算受测试件63的初始渗透率。

步骤六：通过工控机3操控界面，设置所述动力扰动加载控制机构7的扰动发生气压；然后工控机3施加注气指令，控制所述动力扰动加载控制器56输出注气信号，所述气动动力扰动加载执行机构57进行充气；进而，所述动力扰动加载控制器56根据气压传感器58的信号反馈进行伺服充气控制；待完成充气动作后，动力扰动加载控制器56控制气动动力扰动加载执行机构57快速泄压施加动力扰动，并作用于受测试件63。

步骤七：同步的，第一动态应变片62接收到扰动信号后被超动态应变仪77采集，超动态应变仪77波形模拟电信号输出端同步给予高速数字图像采集仪79触发信号，高速数字图像采集仪79采集设置于加载板内的数字图像传感器68的图像数据；所述数据存储与分析工作站10继续存储监测数据采集机构9所输出的各类数据信号直至试验结束。

实施例2、岩石的应力-温度-渗流-低频动力扰动耦合试验数据监测：

步骤一：与实施例1步骤一相同的方式执行。

步骤二：与实施例1步骤二相同的方式执行。

步骤三：与实施例1步骤三相同的方式执行。

步骤四：与实施例1步骤四相同的方式执行。

步骤五：将所述高速数字图像采集仪79的触发信号接收端81与所述同步触发器8连接，而断开与所述超动态应变仪77的波形模拟电信号输出端83的连接，并调整高速数字图像采集仪79的采集频率；进一步的，通过工控机3操控界面，对所述同步触发器8施加触发指令，同步触发器8触发信号输出端对多通道模拟信号高速采集器75、动静态应变仪76、超动态应变仪77、声发射采集仪78和高速数字图像采集仪79施加同步触发信号，各监测数据采集机构9同步执行高速数据采集动作；所述多通道模拟信号高速采集器75同步采集压力盒64、第一压力传感器69、第一质量流量传感器70、第一测温传感器71、第二压力传感器72、第二质量流量传感器73和第二测温传感器74的初始模拟电压信号，并同步采集第二静载荷信号输出端22、第二静位移信号输出端25、第二静应变信号输出端27、第二动载荷信号输出端29、第二动位移信号输出端31、第二动应变信号输出端33、第二压力信号输出端42、第二流量信号输出端44和第二温度信号输出端52的初始模拟电压信号；所述动静态应变仪76采集所述静态应变片65的应变信号，所述超动态应变仪77采集第二动态应变片66的动态应变信号，所述声发射采集仪78同步采集第三静载荷信号输出端23和声发射压电传感器67的数据信号，所述高速数字图像采集仪79采集数字图像信号；此时，所述数据存储与分析工作站10存储监测数据采集机构9所输出的各类数据信号，并根据第一压力传感器69、第一质量流量传感器70、第二压力传感器72和第二质量流量传感器73采集的数据，计算受测试件63的初始渗透率。

步骤六：通过工控机3操控界面，设置所述应力加载控制机构4的动态作动器加载顺序、加载波形、加载频率和加载时间；然后工控机3施加加载指令，控制所述多通道应力加载控制器12输出加载信号，各动态液压执行机构14执行动态应力加载动作；进而，所述多通道应力加载控制器12根据动态载荷传感器18的第一动载荷信号输出端28、动态位移传感器19的第一动位移信号输出端30和动态应变传感器20的第一动应变信号输出端32的反馈信号进行伺服加载控制，从而使受测试件63进行动态低频扰动加载，并保持。

步骤七：同步的，所述数据存储与分析工作站10继续存储监测数据采集机构9所输出的各类数据信号直至试验结束。

本发明提出了一种真三轴多场耦合与动力扰动平台的加载控制与数据同步监测装置，具有如下优点：

1.本发明在所述数据同步监测装置中引入同步触发器，在试验前或试验开始同时，通过加载控制系统的工控机终端，控制同步触发器施加同步触发信号，进而使数据同步监测装置的所有数据采集装置，如，多通道模拟信号高速采集器、动静态应变仪、超动态应变仪、声发射采集仪和高速数字图像采集仪等，在同一时刻执行数据采集指令，从而使应力、应变、温度、压力、流量、声学和数字图像等数据在同一时间点同步采集，从而实现了各数据在时间上的一一对应关系；

2.本发明所述加载控制系统的应力加载控制机构、渗流加载控制机构、温度加载控制机构和动力扰动加载控制机构所涉及的传感器，都设置有不少于两组并联的信号输出端，各传感器在给加载控制系统反馈信号的同时，也将加载状态参数同步输出给同步监测装置用于与试件状态参数联合采集。从而有效克服了现有真三轴加载平台其控制系统与监测系统的多类数据难以同步耦合的缺陷。

3.本发明所述的静态载荷传感器设置有第三静载荷信号输出端，能同步将静载荷信号供多通道模拟信号高速采集器和声发射采集仪执行数据采集。以静态载荷为纽带，多通道模拟信号高速采集器所采集的各类数据与声发射采集仪采集的声发射数据能够在数据分析无时差进行分析校验，进一步提高了数据分析的同步化精度。

4.本发明数据采样频率能匹配微秒级的破坏过程的采集频率要求，可实现对微秒级动力破坏过程现象的捕获。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。