岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，声电集成测试探头夹持装置上的声电集成测试探头前端的电极与岩样的钻孔连接，所述声发射采集模块和电阻率采集模块都与数据处理系统连接，所述数据处理系统与实时显示系统连接，所述岩样放置在刚性伺服压力机的两个承压板中间，所述应力采集模块和应变采集模块都与数据处理系统连接，实现了岩石单轴压缩试验过程中声发射、电阻率、应力-应变数据的同步实时采集，其中的电阻率采集模块实现了电阻率数据的超高频自动采集，接受反馈调节后自动提高电阻率采集频率，确保能够完整地采集到岩样破裂过程中的电阻率变化数据，从而能够对岩样破裂信息进行实时动态捕捉。
【专利说明】岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种声发射与电阻率的联合实时监测装置，特别涉及岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置。
【背景技术】
[0002]众所周知，岩石是一种在长期地质条件下形成的十分复杂的力学介质，具有弹塑性、非均匀性和各向异性的特点，其中赋存的大量原生裂隙更是对岩石力学性质有着十分显著的影响。而传统的岩石力学试验，如单轴压缩试验、剪切试验，只能够获得弹性模量、泊松比、抗压强度、抗剪强度等参数，这对于描述岩石的物理力学性质来说是远远不够的。因此，有学者引入电阻率和声发射技术来研究岩石的破裂过程。
[0003]作为岩石的基本物理参数，电阻率反映了岩石导电性能的好坏，其变化情况可以直接反映岩石内部的裂隙赋存状态，从而对岩石破坏状态进行监测。但之前的试验研究大都受到了仪器采集频率低的限制，难以捕捉到岩石破裂瞬间电阻率的变化情况，相比于全应力-应变曲线，电阻率数据的不完整性显得更加明显。一方面，这可能会导致关键信息的丢失，给试验分析带来困难；另一方面，不完整的数据可能会将试验结论引入歧途，有些时候甚至会得出完全相反的结果。
[0004]当岩石发生变形或断裂时，产生的应变能将会以弹性波形式释放出来，引起声发射现象。声发射信号中包含了大量信息参数，在一定程度上反映了岩石的应力状态和能量释放情况，与岩石受力破坏过程息息相关。但之前的试验研究大都停留在对声发射结果的描述上，缺乏与其他监测手段的对比分析，而现有的声发射技术抵抗外界环境噪音的能力较弱，容易受到周围噪声的干扰，这样就往往导致监测结果存在误差。同时，试验过程中粘贴声发射探头费时费力，使得试验效率较低。
[0005]综上所述，现有的岩石破裂过程监测手段存在如下问题:①传统的岩石单轴压缩试验所获得的力学参数对岩石破裂过程的描述不够精确，而现有的监测手段，如电阻率和声发射监测方法，都具有各自的局限性，因而仅仅采用单一的监测手段对岩石破裂过程的判断分析并不准确现有的电阻率监测方法大都受到仪器采样频率低的限制，不能够完整记录岩石破裂瞬间的电阻率变化情况，可能会导致关键信息的丢失，影响分析结果；③现有的声发射监测方法，抵抗外界环境噪音的能力较弱，容易受到周围噪声的干扰，导致监测结果存在误差，同时，试验过程中声发射探头的布设费时费力，使得试验效率很低。为此，发明一种联合监测装置，实现对单轴压缩试验条件下、岩样破裂过程中声发射与电阻率的同步实时监测，为岩石破裂过程的试验研究提供一条可行的途径。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，可以同时进行声发射和电阻率的测量工作，方便快捷，特别适用于小尺寸岩样表面狭小空间条件下的联合监测，解决了由于岩样表面空间狭小，声发射探头和电极布置受限的难题。
[0007]为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0008]一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，包括:声发射-电阻率联合测量系统、应力-应变测量系统、数据处理系统和实时显示系统；
[0009]所述声发射-电阻率联合测量系统的声发射采集模块和电阻率采集模块与若干声电集成测试探头连接，声发射采集模块和电阻率采集模块将采集到的数据上传给数据处理系统；声电集成测试探头安装在声电集成测试探头夹持装置上，电阻率采集模块还能够接收来自数据处理系统的反馈调节，声发射采集模块和电阻率采集模块通过供电模块供电；
[0010]所述应力-应变测量系统的应力采集模块与刚性伺服压力机上承压板连接，应变采集模块与下承压板连接；所述应力采集模块与应变采集模块采集到的数据都上传给数据处理系统；
[0011]数据处理系统将数据处理后通过实时显示系统显示出来。
[0012]所述声电集成测试探头夹持装置上设有若干个声电集成测试探头，声电集成测试探头前端的电极与岩样的钻孔连接，所述声电集成测试探头的后端通过电缆连接到声发射采集模块和电阻率采集模块，所述声发射采集模块和电阻率采集模块都与数据处理系统连接，所述数据处理系统与实时显示系统连接，所述岩样放置在刚性伺服压力机的两个承压板中间，其中上承压板与应力采集模块连接，下承压板与应变采集模块连接，所述应力采集模块和应变采集模块都与数据处理系统连接，所述声发射采集模块、电阻率采集模块通过供电模块供电。
[0013]所述声电集成测试探头由电极、电极套管、压电元件、压电元件套管、壳体、低噪音电缆、导线、前置放大器和电缆组成，所述壳体为圆柱形，所述壳体设置在声电集成测试探头的最外层，壳体上端开口中心部位是电极，所述电极套装在电极套管中，所述电极套管外围是压电元件，所述压电元件外围是压电元件套管，压电元件套管外围是壳体，所述压电元件通过低噪音电缆与壳体内底部的前置放大器连接，所述电极通过穿过电极套管底部中间孔的导线与前置放大器连接，电极的信号由导线导出，所述前置放大器通过穿过壳体底部中间孔的电缆将前置放大器处理后的信号和导线传递过来的信号导出，传送给后续的采集
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[0014]所述声电集成测试探头特别适用于在小尺寸岩样表面狭小空间条件下的联合监测。
[0015]所述壳体是金属制成，一方面可以增加探头强度，另一方面还可以对外界高频信号起到屏蔽作用。
[0016]所述压电元件前端设计成圆弧状，与圆柱体标准岩样表面更好地接触，方便声发射耦合，所述压电元件制作成空心的圆柱体，电极从压电元件中间的孔中伸出。
[0017]所述电极套管由绝缘材料制作而成，用来防止电极中的电流对压电元件造成干扰。
[0018]所述压电元件套管是由吸声材料制成的空心圆柱体。
[0019]所述压电元件套管和电极套管都起到吸收外界噪声的作用，防止对压电元件产生的信号造成干扰。[0020]所述声电集成测试探头夹持装置由探头夹、滑杆、转动机构、主支杆、铰链和底座组成，所述主支杆焊接在底座上，底座起支撑作用，主支杆又分为上下两段，上下两段之间通过铰链相连接，所述主支杆上通过转动机构固定一根滑杆，所述滑杆的一端设有探头夹，所述探头夹用于夹持探头。
[0021]所述转动机构包括第一螺丝、第一夹具、第一旋钮、锁紧滑块和固定端；其中，第一螺丝的一端与固定端的顶面焊接，第一螺丝的另外一端与第一旋钮旋合，在第一螺丝上还设有锁紧滑块和第一夹具，所述锁紧滑块靠近固定端，所述第一夹具靠近第一旋钮，所述固定端为实心圆柱，所述固定端的曲面部分设有圆孔，圆孔的直径与滑杆的直径一致，所述锁紧滑块套在固定端上，锁紧滑块曲面部分设有两个对称半圆弧，半圆弧的直径与固定端的圆孔的直径一致，第一夹具的固定通过第一螺丝与第一旋钮的旋合来实现。
[0022]所述探头夹包括第二螺丝、第二夹具、第二旋钮，滑杆与第二螺丝焊接，第二夹具的固定通过第二螺丝与第二旋钮之间的旋合来实现。
[0023]所述铰链包括螺母和第三旋钮，螺母与第三螺丝焊接，主支杆上下两段的连接通过第三螺丝与第三旋钮的配合来实现。
[0024]实际使用时通过不断旋转调整铰链、转动机构和探头夹，来实现声电集成测试探头多角度、多方位的自由安装，大大提高了试验效率。
[0025]所述声发射采集模块负责采集岩样破裂过程中的声发射信号，经过处理后再传输到声发射处理模块。
[0026]所述电阻率采集模块负责采集试验过程中岩样的电阻率信号，再将数据传输到电阻率处理模块。所述电阻率采集模块实现了电阻率数据的超高频自动采集，最高频率可达250KHZ。同时，所述电阻率采集模块还能够接受来自声发射处理模块的反馈调节，依据岩石破裂前声发射数急剧增长的规律，自动提高电阻率采集频率，确保能够完整地采集到岩样破裂过程中的电阻率变化数据。
[0027]所述供电模块的功能即为整个声发射-电阻率联合测量系统供电。
[0028]所述应力采集模块与刚性伺服压力机相连接，负责采集试验过程中压力机所施加的压力及其对应的时间，并将这些数据实时传输到应力处理模块。
[0029]所述应变采集模块与刚性伺服压力机相连接，负责采集试验过程中压力机上承压板向下的位移及其对应的时间，并将这些数据实时传输到应变处理模块。
[0030]所述应力处理模块可以接受来自应力采集模块的数据，经过运算处理后得到岩样所受应力，之后再将数据以表格的形式实时记录下来。
[0031]所述应变处理模块可以接受来自应变采集模块的数据，经过运算处理后得到岩样所受应变，之后再将数据以表格的形式实时记录下来。
[0032]所述声发射处理模块可以将来自声发射采集模块的数据进行分析整合，从中挑选出振铃计数、能量数及其对应时间，并记录成表。
[0033]所述电阻率处理模块可以接受来自电阻率采集模块的数据，经过运算处理后得到岩样每一时刻的电阻率，并将数据以表格的形式实时记录下来。
[0034]所述实时显示系统主要负责将来自数据处理系统的结果实时绘制成关系曲线，如应力-应变关系曲线、应力-时间关系曲线、应变-时间关系曲线、声发射振铃计数-时间关系曲线、声发射振铃计数-应力-应变关系曲线、声发射能量数-时间关系曲线、声发射能量数-应力-应变关系曲线、电阻率-时间关系曲线、电阻率-应力-应变关系曲线等。并能够把其中任意四种曲线在同一屏幕内分屏动态显示，从而能够更加直观地观测到声发射、电阻率同应力-应变之间的关系。
[0035]本实用新型的有益效果是:
[0036](I)本实用新型提出的声发射与电阻率联合实时监测装置首次实现了岩石单轴压缩试验过程中声发射、电阻率、应力-应变数据的同步实时采集，从而能够对岩样破裂信息进行实时动态捕捉；
[0037]( 2)本实用新型提出的声发射与电阻率联合实时监测装置中的电阻率采集模块实现了电阻率数据的超高频自动采集，最高频率可达250KHZ，能够完整的采集到岩样破裂瞬间电阻率变化情况；
[0038]( 3)本实用新型提出的声发射与电阻率联合实时监测装置中的电阻率采集模块还能够接受来自声发射处理模块的反馈调节，依据岩石破裂前声发射数急剧增长的规律，自动提高电阻率采集频率，确保能够完整地采集到岩样破裂过程中的电阻率变化数据；
[0039](4)本实用新型提出了一种声电集成测试探头，可以同时进行声发射和电阻率的测量工作，方便快捷，特别适用于小尺寸岩样表面狭小空间条件下的联合监测，解决了由于岩样表面空间狭小，声发射探头和电极布置受限的难题；
[0040](5)本实用新型还提出了一种改进的声电集成测试探头夹持装置，可以自由调整探头的角度、位置，方便探头的安装，从而大大提高了试验效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本实用新型实施例1中声发射与电阻率联合实时监测装置的整体布置图；
[0042]图2是本实用新型各模块之间的工作流程图；
[0043]图3是本实用新型声发射处理模块对电阻率采集模块反馈调节的过程图；
[0044]图4是声电集成测试探头剖面示意图；
[0045]图5是声电集成测试探头夹持装置的三维效果图；
[0046]图6是声电集成测试探头夹持装置中铰链的三维效果图；
[0047]图7是声电集成测试探头夹持装置中转动机构的三维效果图；
[0048]图8是声电集成测试探头夹持装置中探头夹的三维效果图；
[0049]其中，1.刚性伺服压力机，2.岩样，3.上承压板，4.下承压板，5.涂有绝缘漆的塑料薄膜，6.钻孔，7.第一声电集成测试探头，8.第二声电集成测试探头，9.第三声电集成测试探头，10.第四声电集成测试探头，11.声发射采集模块，12.电阻率采集模块，13.供电模块，14.声电集成测试探头夹持装置，15.应力采集模块，16.应变采集模块，17.数据处理系统，18.实时显示系统，19.电极，20.压电元件，21.压电元件套管，22.电极套管，23.低噪音电缆，24.壳体，25.导线，26.前置放大器，27.电缆，28.探头夹，29.转动机构，30.滑杆，31.主支杆，32.铰链，33.底座，34.固定端，35.锁紧滑块，36.第一夹具，37.第一旋钮，38.第一螺丝，39.第三旋钮，40.螺母，41.第二夹具，42.第二旋钮，43.第二螺丝。
【具体实施方式】
[0050]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。[0051]实施例1使用实施例2所述声电集成测试探头以及实施例3所述声电集成测试探头夹持装置14的声发射与电阻率联合实时监测装置的使用方法。
[0052]实施例1
[0053]如图1-图7所示，在刚性伺服压力机I上，放置有岩样2，岩样2为常规的圆柱体标准试件，其尺寸为Φ50πιπιΧ100πιπι，符合《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》的要求。岩样2与上承压板3、下承压板4之间粘贴着一层涂有绝缘漆的塑料薄膜5，用来防止电阻率测量过程中电流直接通过刚性伺服压力机I传导。
[0054]岩样2的电阻率测量采用四极法，因而需要事先在岩样2 —侧同一直线上布置四个钻孔6,相邻钻孔6间距从上到下依次为15mm、50mm、15mm,每个钻孔6直径约3mm,孔深约8_，尽量减小钻孔6对试件力学性能的影响。试验时需要将四个钻孔6附近清理干净，然后利用声电集成测试探头夹持装置14来实现第一声电集成测试探头7、第二声电集成测试探头8、第三声电集成测试探头9、第四声电集成测试探头10的安装定位。以第一声电集成测试探头7的安装为例进行说明:首先将第一声电集成测试探头7安放在第二夹具41上，拧紧第二旋钮42将其夹紧，之后就不断调整探头夹28、转动机构29和铰链32，将第一声电集成测试探头7固定在合适的位置，使得电极19可以恰好伸进钻孔6中，同时又能使第一声电集成测试探头7的前端弧面与岩样2表面紧密接触。为减小电阻率测量时的接地电阻，四个钻孔6中都充填有耦合剂；同时，为了保证第一声电集成测试探头7、第二声电集成测试探头8、第三声电集成测试探头9、第四声电集成测试探头10与岩样2之间紧密接触，获得理想的声发射测试结果，需要在第一声电集成测试探头7、第二声电集成测试探头8、第三声电集成测试探头9、第四声电集成测试探头10前端弧面与岩样2之间涂抹低强度硅胶作为耦合剂，这样不会对岩样2的力学性质造成影响，而且在试验结束后也容易将声电集成测试探头与岩样2分离。最后把声发射采集模块11、电阻率采集模块12分别与供电模块13相连接，组成完整的声发射-电阻率联合测量系统，并将声发射采集模块11和电阻率采集模块12都与数据处理系统17相连，实现两者之间的数据传输。
[0055]应力-应变测量系统由应力采集模块15和应变采集模块16组成，两者都与刚性伺服压力机I相连接，其中刚性伺服压力机I的上承压板3与应力采集模块15连接，刚性伺服压力机I的下承压板4与应变采集模块16连接，并通过数据线实现应力采集模块15和应变采集模块16与数据处理系统17之间的信息传输。最后再连接数据处理系统17与实时显示系统18，这样声发射与电阻率联合实时监测装置各模块之间的连接就基本完成了。
[0056]各模块连接完成后，还需要检查相互之间的连线，确保无误后，接通电源、并开启各个模块。在数据处理系统17中，依次输入岩样2的直径D (mm)、高度h (mm)、第二声电集成测试探头8、第三声电集成测试探头9之间的距离L (mm)，作为岩样2的基本参数进行保存，方便后续的数据处理。
[0057]然后分别对声发射与电阻率联合测量系统和应力-应变测量系统进行调试:正常情况下，实时显示系统18中显示的电阻率-时间关系曲线应该接近一条直线，如果没有读数或者读数过高，则应检查导线25是否断开或者短路、第一声电集成测试探头7、第二声电集成测试探头8、第三声电集成测试探头9、第四声电集成测试探头10的电极19与岩样2之间是否接触良好、涂有绝缘漆的塑料薄膜5是否完整等等；实时显示系统18中显示的声发射振铃计数-时间关系曲线和声发射能量数-时间关系曲线，都应该表现为数值很小的直线，并且敲打岩样2时，数值会突然升高，如果发现声发射振铃计数和能量数都不稳定，则应检查第一声电集成测试探头7、第二声电集成测试探头8、第三声电集成测试探头9、第四声电集成测试探头10与岩样2之间是否接触紧密、硅胶是否起到了耦合作用等等；应力-应变测量系统的正常与否可以根据实时显示系统18中显示的应力-应变关系曲线来判断，控制上承压板3向下缓慢移动，在与岩样2接触前，应力-应变关系曲线应该是数值为O的一条直线，当两者相接触时应力值会突然上升。
[0058]经过检查，确保各模块工作正常后，控制上承压板3缓缓下降，与岩样2的上表面恰好接触，试验正式开始，在刚性伺服压力机I开始对岩样2施加压力的同时开始声发射和电阻率数据的采集，直至最终破裂。
[0059]试验过程中，联合实时监测装置的具体工作流程如图2所示。
[0060]应力采集模块I5采集试验过程中刚性伺服压力机I所施加的压力F (KN)及其对应的时间t (S)，并将这些数据实时传输到数据处理系统17中的应力处理模块。然后应力处理模块根据事先输入的岩样2的直径D (mm),按照公式
【权利要求】
1.一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，其特征是，包括:声发射-电阻率联合测量系统、应力-应变测量系统、数据处理系统和实时显示系统； 所述声发射-电阻率联合测量系统的声发射采集模块和电阻率采集模块与若干声电集成测试探头连接，声电集成测试探头用于测试被夹持在刚性伺服压力机的岩样的各种信息，声发射采集模块和电阻率采集模块将采集到的数据上传给数据处理系统；声电集成测试探头安装在声电集成测试探头夹持装置上，电阻率采集模块还能够接收来自数据处理系统的反馈调节，声发射采集模块和电阻率采集模块通过供电模块供电； 所述应力-应变测量系统的应力采集模块与刚性伺服压力机上承压板连接，应变采集模块与下承压板连接；所述应力采集模块与应变采集模块采集到的数据都上传给数据处理系统； 数据处理系统将数据处理后通过实时显示系统显示出来。
2.如权利要求1所述的一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，其特征是，所述声电集成测试探头由电极、电极套管、压电元件、压电元件套管、壳体、低噪音电缆、导线、前置放大器和电缆组成，所述壳体为圆柱形，所述壳体设置在声电集成测试探头的最外层，壳体上端开口中心部位是电极，所述电极套装在电极套管中，所述电极套管外围是压电元件,所述压电元件外围是压电元件套管,压电元件套管外围是壳体，所述压电元件通过低噪音电缆与壳体内底部的前置放大器连接，所述电极通过穿过电极套管底部中间孔的导线与前置放大器连接，电极的信号由导线导出，所述前置放大器通过穿过壳体底部中间孔的电缆将前置放大器处理后的信号和导线传递过来的信号导出，传送给后续的采集装置。
3.如权利要求2所述的一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，其特征是，所述压电元件前端成圆弧状，与圆柱体标准岩样表面更好地接触，所述压电元件制作成空心的圆柱体，电极从压电元件中间的孔中伸出；所述电极套管由绝缘材料制作而成；所述压电元件套管是由吸声材料制成的空心圆柱体。
4.如权利要求1所述的一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，其特征是，所述声电集成测试探头夹持装置由探头夹、滑杆、转动机构、主支杆、铰链和底座组成，所述主支杆焊接在底座上，底座起支撑作用，主支杆又分为上下两段，上下两段之间通过铰链相连接，所述主支杆上通过转动机构固定一根滑杆，所述滑杆的一端设有探头夹，所述探头夹用于夹持探头。
5.如权利要求4所述的一种岩样破裂过程的声发射与电阻率联合监测装置，其特征是，所述转动机构包括第一螺丝、第一夹具、第一旋钮、锁紧滑块和固定端；其中，第一螺丝的一端与固定端的顶面焊接，第一螺丝的另外一端与第一旋钮旋合，在第一螺丝上还设有锁紧滑块和第一夹具，所述锁紧滑块靠近固定端，所述第一夹具靠近第一旋钮，所述固定端为实心圆柱，所述固定端的曲面部分设有圆孔，圆孔的直径与滑杆的直径一致，所述锁紧滑块套在固定端上，锁紧滑块曲面部分设有两个对称半圆弧，半圆弧的直径与固定端的圆孔的直径一致，第一夹具的固定通过第一螺丝与第一旋钮的旋合来实现；所述探头夹包括第二螺丝、第二夹具、第二旋钮，滑杆与第二螺丝焊接，第二夹具的固定通过第二螺丝与第二旋钮之间的旋合来实现；所述铰链包括螺母和第三旋钮，螺母与第三螺丝焊接，主支杆上下两段的连接通过第三螺丝与第三旋钮的配合来实现。
【文档编号】G01N29/14GK203414442SQ201220672025
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】刘斌, 李术才, 许新骥, 刘征宇, 聂利超, 王静, 宋杰, 孙怀凤, 徐磊, 王传武, 郝亭宇, 周浩, 林春金 申请人:山东大学