一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，对真三轴电液伺服诱变试验系统中三个方向的岩石试样夹具分别加工T字形空腔，使声发射传感器内置于其中，位于端部的橡胶塞对声发射信号线进行固定，引出后的信号线接入带有端子的BNC转接头，BNC接口直接与放大器相连，以形成完整的声发射监测系统。声发射传感器尾部通过磁铁片与推杆固定，推杆、弹簧垫片、硬质弹簧与微型螺钉共同构成一传力机构，通过该机构能实现声发射传感器与岩石试样始终保持紧密接触。本发明结构简便，可操作性强，声发射传感器可重复使用，显著降低了外置声发射传感器时所产生的诸多干扰信号，实现了声发射采集信号的真实性与可靠性。
【专利说明】
一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于三轴加卸载的声发射试验装置，特别是涉及一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置。
【背景技术】
[0002]深部岩石处于三维高应力状态下，研究多维应力状态下岩石的力学特性的方法主要包括常规三轴实验(σι>σ2 = σ3在O)和真三轴实验(01>02>03在O)。常规三轴实验忽略了中间主应力对岩石力学特性的影响，不利于了解真实应力状态下的岩石破裂机理。开展三维应力状态岩石力学特性的研究需要利用真三轴实验系统进行。
[0003]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(Acoustic Emiss1n)，亦被称为弹性波发射。声发射特征参数蕴含着丰富的损伤渐进破坏的前兆信息。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。然而，在现有技术条件下，对于岩石三轴加卸载声发射及其定位技术的研究仍存在一些方面的不足与问题，主要表现如下:
[0004]以往大多数进行的岩石三轴试验一般都将声发射传感器置于试验系统的三轴室(亦或岩石试样夹具)外壁。这种情况下，岩石试样夹具(常规三轴中的液压油与缸壁)会造成传播距离增加，从而造成接收到的声发射事件数与能量降低(对于常规三轴设备，其剪切脉冲波更是因为不能直接穿过伺服机三轴室内的液压油而出现传播路径转换)。另外，由于实验室环境噪声等的影响，声发射传感器置于三轴室外壁时也会受到诸多噪声的影响，尤其是电磁信号的干扰，因此接收到的信号信噪比相对较低。目前，对于在真三轴室内监测声发射信号的研究及其相关设备的研制仍未见有报道。
[0005]综上所述，有必要提出一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，以满足在真三轴室内采集声发射信号的技术要求。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现声发射信号的真实性与可靠性且操作简便、使用寿命长的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，包括6个岩石试样夹具、声发射前置放大器、声发射传感器和声发射信号线，6个所述的岩石试样夹具大小形状均一致，分别沿X轴、y轴和z轴方向两两布置，每个所述的岩石试样夹具均加工有T字形空腔，所述的T字形空腔的空腔长槽穿透所述的岩石试样夹具的两端面，一面为与岩石试样接触端面，另一面为加载端面;所述的声发射传感器内置于所述的T字形空腔内靠近岩石试样一端与岩石试样紧贴，所述的声发射传感器的另一端与传力机构一端相连，所述的传力机构的另一端与所述的岩石试样夹具连接，所述的声发射传感器通过所述的传力机构与岩石试样始终保持接触状态;所述的声发射信号线穿过所述的T字形空腔的空腔短槽连接所述的声发射传感器与所述的声发射前置放大器;还包括一根设置于岩石试样与加载端面之间的扰动杆。
[0008]所述的传力机构包括推杆、第一弹簧垫片、第二弹簧垫片、硬质弹簧和微型螺钉，所述的第二弹簧垫片通过两根所述的微型螺钉固定于所述的岩石试样夹具的受加载端面；所述的推杆的一端与所述的声发射传感器连接，所述的推杆另一端设有所述的第一弹簧垫片，所述的硬质弹簧设置在所述的第一弹簧垫片与所述的第二弹簧垫片之间。
[0009]所述的推杆的一端与所述的声发射传感器通过磁铁片连接。
[0010]所述的T字形空腔的空腔长槽位于所述的岩石试样夹具中央，所述的空腔短槽垂直于所述的空腔长槽，所述的空腔短槽位于所述的岩石试样夹具的岩石试样接触端面与加载端面中部。
[0011]BNC转接头连有端子，所述的声发射信号线通过所述的端子与所述的BNC转接头相连，所述的BNC转接头接入所述的声发射前置放大器。
[0012]安装在z轴方向下方的所述的T字形空腔内的所述的推杆的长度应略大于安装在X轴和y轴方向的所述的T字形空腔内的所述的推杆的长度。
[0013]所述的T字形空腔的空腔短槽上设有橡皮塞，所述的橡皮塞上开有长方形切槽，所述的声发射信号线塞入所述的橡胶塞内穿过所述的T字形空腔的空腔短槽。
[0014]岩石试样与所述的岩石试样夹具为分离式结构，所述的声发射传感器与传力机构为分尚式结构。
[0015]所述的声发射信号线与所述的BNC转接头为分离式结构，所述的BNC转接头与所述的声发射前置放大器为分离式结构，所述的声发射传感器与所述的声发射信号线为整体式结构，所述的BNC转接头与所述的端子为整体式结构。
[0016]所述的推杆、第一弹簧垫片、第二弹簧垫片和硬质弹簧之间为整体式结构。
[0017]采用上述技术方案的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，该真三轴试验装置能实现水平、垂直方向独立加卸载，岩石试样与油缸之间通过岩石试样夹具传力，岩石试样与周围6个岩石试样夹具共同构成室体。6个岩石试样夹具大小形状均一致，分别沿X轴、y轴和z轴方向两两布置，尺寸为105mm X 105mm X 105mm，略大于岩石试样尺寸，对岩石试样夹具加工T字形空腔，其中，空腔长槽穿透夹具两端面，一面为与岩石试样接触端面，另一面为加载端面，其尺寸为Φ 1mm X 105mm，空腔短槽沿平行于空腔长槽任一岩石试样夹具端面加工，直至穿透空腔长槽时为止，尺寸为Φ 8mm X 50mm;声发射系统采用PC1-2型，声发射传感器的探头直径为Φ 5.5mm，与声发射传感器相连的声发射信号线米用侧部出现方式，并与BNC转接头相分离，声发射信号线直径为Φ2_，将声发射传感器与声发射信号线内置于各岩石试样夹具的T字形空腔靠近岩石试样处，声发射信号线由空腔长槽拐入空腔短槽后，经临空端面处橡皮塞固定后引出，橡皮塞随即塞入T字形空腔的空腔短槽内，弓丨出的声发射信号线通过BNC转接头与声发射前置放大器相连;BNC转接头端部接有一端子，能实现声发射信号线与BNC转接头的即时分离与连接;声发射传感器通过磁铁片与传力机构(推杆)固定，传力机构由推杆、第一弹簧垫片、第二弹簧垫片、硬质弹簧与微型螺钉构成，推杆尺寸为Φ6mmX 85mm，其另一端与第一弹簧垫片焊接牢固，第一弹簧垫片与第二弹簧垫片之间安装有硬质弹簧，硬质弹簧需具有足够的刚度以确保有足够的推力使得声发射传感器与岩石试样始终保持紧密接触，声发射传感器与岩石试样之间需涂抹一层凡士林，在安装Z轴方向下方声发射传感器时应适当增加T字形空腔内推杆长度，使硬质弹簧接近极限压缩状态，以免造成声发射传感器无法与岩石试样充分接触;第二弹簧垫片通过两根微型螺钉固定于岩石试样夹具的加载端面。
[0018]综上所述，本发明具有以下有益效果:
[0019](I)本发明加工难度小、操作方便、灵活，探头便于拆卸，可重复使用，能够进行包括岩石在内的各种大型真三轴加卸载试验的声发射及其定位技术的研究，尤其适用于高围压条件下岩石等材料损伤破坏的声发射研究。
[0020](2)该声发射试验装置克服了以往将声发射传感器外置于真三轴室外的弊端，实现了将声发射传感器内置于真三轴室内的合理加卸载试验，确保声发射采集信息的真实性与可靠性。
[0021](3)在采集声发射数据时通过内置的传力机构能确保声发射传感器始终紧贴岩石试样表面，实现数据的顺利采集；同时，该装置能准确获得各声发射传感器的三维空间坐标，对于后续的定位算法确定裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间形态奠定基础。
[0022]综上所述，本发明克服了以往将声发射传感器外置于真三轴室外的弊端，在采集声发射数据时将声发射传感器紧贴岩石试样表面，实现了声发射信号的真实性与可靠性。该装置操作简便，声发射传感器可即时拆卸，提高其使用寿命。本发明能实现对岩石或类岩石材料在真三轴静态、动态或动静组合加卸载条件下损伤和破坏时的声发射及其定位技术的研究。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的结构示意图。
[0024]图2为z轴方向岩石试样上方夹具主视结构示意图。
[0025]图3为BNC转接头与端子结构示意图。
[0026]图4为声发射信号线与橡胶塞安装俯视结构图。
[0027]图5为声发射信号线与橡胶塞安装主视结构图。
[0028]图中:1-T字形空腔，2-橡胶塞，3-推杆，4-第一弹簧垫片，5_第二弹簧垫片，6_硬质弹簧，7-微型螺钉，8-BNC转接头，9-岩石试样夹具，I O-磁铁片，11-声发射传感器，12_声发射信号线，13-前置放大器，14-岩石试样，15-端子，16-油缸，17-扰动杆。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的实施做进一步描述:
[0030]由图1可知，该装置主要由T字形空腔1、橡皮塞2、推杆3、第一弹簧垫片4、第二弹簧垫片5、硬质弹簧6、微型螺钉7、BNC转接头8、岩石试样夹具9、磁铁片10、声发射传感器11、声发射信号线12、声发射前置放大器13、岩石试样14、端子15、油缸16和扰动杆17构件构成。一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置是在真三轴电液伺服诱变试验系统(TRW-3000型)上实现的，将岩石试样14与岩石试样夹具9共同视为真三轴压力室。首先，6个岩石试样夹具9大小形状均一致，分别沿X轴、y轴和z轴方向两两布置，对该试验系统中6个尺寸相同的岩石试样夹具9分别加工T字形空腔I，岩石试样夹具9的尺寸为105_X 105_X 105mm，T字形空腔I的空腔长槽穿透夹具两端面，一面为与岩石试样14接触端面，另一面为加载端面，其尺寸为Φ10_Χ105_，Τ字形空腔I的空腔短槽沿平行于空腔长槽任一岩石试样夹具9端面加工，直至穿透空腔长槽时为止，尺寸为Φ 8mm X 50mm;声发射系统采用PC1-2型，其中，声发射传感器11尺寸为Φ 5.5mm，米用侧部出现方式，声发射信号线12的直径为Φ2πιπι;其次，将声发射传感器11送入T字形空腔I的空腔长槽端面附近，声发射信号线12由空腔长槽拐入空腔短槽后，经临空端面缓慢引出，并将其塞入橡胶塞2内，橡胶塞2事先已开长方形切槽，如图4和图5所示，随后将塞入声发射信号线12的橡皮塞2塞进T字形空腔I的空腔短槽内，以固定声发射信号线12，如图1所示;从橡皮塞2内引出的声发射信号线12最终通过BNC转接头8与声发射前置放大器13相连，已形成完整的声发射监测系统，BNC转接头8尾部连接有一端子15，其能实现声发射信号线12与BNC转接头8的即时分离与连接，如图3所不;再次，将传力机构由岩石试样夹具8加载端一端送入T字形空腔I内，传力机构由推杆3、第一弹簧垫片4、第二弹簧垫片5、硬质弹簧6和微型螺钉7构成，第二弹簧垫片5通过两根微型螺钉7固定于岩石试样夹具9的受加载端面;推杆3另一端设有第一弹簧垫片4，硬质弹簧6设置在第一弹簧垫片4与第二弹簧垫片5之间。传力机构为一整体，即上述构件两两之间通过焊接的方式进行固定，声发射传感器11通过一磁铁片10与传力机构的推杆3连接，以防止声发射传感器11与岩石试样14产生滑落，硬质弹簧6应具有足够高的刚度，以确保声发射传感器11始终与岩石试样14紧密接触，硬质弹簧6在工作时应确保处于压缩状态，以使声发射传感器11始终处于向岩石试样14一方受压状态；由图1所不，在安装Z轴方向下方声发射传感器11时应适当增加T字形空腔I内推杆3的长度，使硬质弹簧6接近极限压缩状态，以防止声发射传感器11与岩石试样14分离而造成无法接受声发射信号的后果，声发射传感器11与岩石试样14之间需涂抹一层凡士林;最后，将岩石试样夹具9装入真三轴电液伺服诱变试验系统内，安装时，由于不同方向作动器与油缸16位置不同，沿ζ轴方向的岩石试样夹具9内T字形空腔I需呈侧立式布置，沿X轴和y轴的岩石试样夹具9内T字形空腔I需呈倒立式布置，如图1和图2所示。还包括一根设置于岩石试样14与油缸16之间的扰动杆17。通过扰动杆17作用于试件表面用于模拟地下工程开挖过程中动载荷(包括爆破震动、冲击载荷、列车震动等)对岩石的影响，扰动杆17—侧连接有扰动连接杆与扰动作动器，其可以在岩石试样某一方向或多个方向同时施加扰动荷载。
[0031]在本实施例中，岩石试样14与岩石试样夹具9为分离式结构，声发射传感器11、磁铁片10与传力机构三者为分离式结构，声发射信号线12与BNC转接头8为分离式结构，BNC转接头8与前置放大器13为分离式结构，橡皮塞2与声发射信号线12为分离式结构;而声发射传感器11与声发射信号线12为整体式结构，推杆3、第一弹簧垫片4、第二弹簧垫片5和硬质弹簧6之间为整体式结构，BNC转接头8与端子15为整体式结构。
[0032]在对该装置进行拆卸时，先将声发射信号线12与端子15分离，再将声发射传感器11与传力机构进行分离。由于声发射传感器11价格昂贵，通过与磁铁片10相连接，其能即使拆卸，重复使用，避免了由于采用玻璃胶、结构胶水等对声发射传感器11的损伤与危害，极大地降低了试验所需成本。
[0033]一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，在进行真三轴动、静态或动静组合加载实验时，最多可实现6个声发射通道的同时使用；在进行真三轴动、静态或动静组合卸载实验时，最多能实现5个声发射通道的同时使用，在后续进行定位算法以确定裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间形态时，至少需要安装4个声发射传感器以满足方程组的求解，因此，本发明能进行真三轴加卸载声发射定位的岩石裂纹动态演化过程的研究。
【主权项】
1.一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，包括6个岩石试样夹具(9)、声发射前置放大器(13)、声发射传感器(11)和声发射信号线(12)，其特征在于:6个所述的岩石试样夹具(9)大小形状均一致，分别沿X轴、y轴和z轴方向两两布置，每个所述的岩石试样夹具(9)均加工有T字形空腔(I)，所述的T字形空腔(I)的空腔长槽穿透所述的岩石试样夹具(9)的两端面，一面为与岩石试样接触端面，另一面为加载端面;所述的声发射传感器(11)内置于所述的T字形空腔(I)内靠近岩石试样一端与岩石试样紧贴，所述的声发射传感器(11)的另一端与传力机构一端相连，所述的传力机构的另一端与所述的岩石试样夹具(9)连接，所述的声发射传感器(11)通过所述的传力机构与岩石试样始终保持接触状态；所述的声发射信号线(12)穿过所述的T字形空腔(I)的空腔短槽连接所述的声发射传感器(11)与所述的声发射前置放大器(13);还包括一根设置于岩石试样与加载装置之间的扰动杆(17)。2.根据权利要求1所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:所述的传力机构包括推杆(3)、第一弹簧垫片(4)、第二弹簧垫片(5)、硬质弹簧(6)和微型螺钉(7)，所述的第二弹簧垫片(5)通过所述的微型螺钉(7)固定于所述的岩石试样夹具(9)的受加载端面;所述的推杆(3)的一端与所述的声发射传感器(11)连接，所述的推杆3另一端设有所述的第一弹簧垫片(4)，所述的硬质弹簧(6)设置在所述的第一弹簧垫片(4)与所述的第二弹簧垫片(5)之间。3.根据权利要求2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:所述的推杆(3)的一端与所述的声发射传感器(11)通过磁铁片(10)连接。4.根据权利要求1或2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:所述的T字形空腔(I)的空腔长槽位于所述的岩石试样夹具(9)中央，所述的空腔短槽垂直于所述的空腔长槽，所述的空腔短槽位于所述的岩石试样夹具(9)的岩石试样接触端面与加载端面中部。5.根据权利要求1或2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:BNC转接头(8)连有端子(15)，所述的声发射信号线(12)通过所述的端子(I 5)与所述的BNC转接头(8)相连，所述的BNC转接头(8)接入所述的声发射前置放大器(13)。6.根据权利要求2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:安装在z轴方向下方的所述的T字形空腔(I)内的所述的推杆(3)的长度大于安装在X轴和y轴方向的所述的T字形空腔(I)内的所述的推杆(3)的长度。7.根据权利要求1或2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:所述的T字形空腔(I)的空腔短槽上设有橡皮塞(2)，所述的橡皮塞(2)上开有长方形切槽，所述的声发射信号线(12)塞入所述的橡胶塞(2)内穿过所述的T字形空腔(I)的空腔短槽。8.根据权利要求1或2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:岩石试样与所述的岩石试样夹具(9)为分离式结构，所述的声发射传感器(11)与传力机构为分离式结构。9.根据权利要求5所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:所述的声发射信号线(12)与所述的BNC转接头(8)为分离式结构，所述的BNC转接头(8)与所述的声发射前置放大器(13)为分离式结构，所述的声发射传感器(11)与所述的声发射信号线(12)为整体式结构，所述的BNC转接头(8)与所述的端子(15)为整体式结构。10.根据权利要求2所述的将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置，其特征在于:所述的推杆(3)、第一弹簧垫片(4)、第二弹簧垫片(5)和硬质弹簧(6)之间为整体式结构。
【文档编号】G01N29/14GK105842343SQ201610155869
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】李地元, 李夕兵, 冯帆, 杜坤, 王少峰, 邱加冬
【申请人】中南大学