一种工业CT扫描试验系统及同步旋转装置的制作方法

本发明涉及试样扫描技术领域，特别涉及一种工业CT扫描试验系统及同步旋转装置。

背景技术：

工业CT(Computed Tomography)扫描技术为分析研究材料内部结构提供了有效的实验技术手段，在相关各个领域得到了广泛应用。

目前的工业CT通常是利用X射线穿透物体断面进行旋转扫描并借助高性能计算机系统实现内部图像的重建。其原理是通过特定的探测器测量X射线穿透被检物体以后的射线强度，同时完成X射线机、探测器与被检物体之间的扫描运动，从而获得重建CT图像所需的完整数据，最后按照一定的算法利用这些数据重建出物体的断面图像。

但由于工业CT扫描技术的本质特点，为了得到较好的分辨力，一方面需要尽可能减小射线束焦点大小，这就限制了射线的穿透能力；另一方面还需精心限制试样的尺寸并确保试样在扫描期间的稳定旋转，这就限制了扫描对象的尺寸规格。这些限制在很大程度上影响了CT技术在力学分析中的应用。因为力学实验离不开加载装置，而一般的加载装置通常具有比较大的体量及重量，很难直接置于工业CT机中进行扫描。

目前试样加载的方式主要有两种一者为外部加载，即加载装置设置于扫描系统的外部，试样加载完成后再放置到扫描系统中；另一者为扫描系统内部加载，即加载部件在试样台上完成对试样力的加载，并且在扫描过程中加载部件与试样共同置于试样台上。

因扫描过程中需要获取试样不同方位的图像，故试样台一般需要前后、左右和旋转动作，这样对于将加载部件放置于试样台的情况而言，因加载部件与外部连接有管路或线路，故在试样台动作过程中很容易出现线路或管路缠绕现象，容易出现机械故障，大大影响了试验 效率。

因此，如何解决现有技术中线路或管路的缠绕现象，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的为提供一种工业CT扫描试验系统及同步旋转装置，该同步旋转装置可以随试样台同步动作，滑块可以始终处于试样台的正上方，使介质管路或线路始终垂直于试样台，避免管路与试样台等部件缠绕现象的发生。

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于工业CT扫描试验系统的同步旋转装置，包括固定支架、悬臂支架，所述固定支架下端部支撑于所述试验基座上，所述固定支架的上端部与所述悬臂支架沿竖直方向转动连接；

所述悬臂支架上设置有导轨、与所述导轨配合滑动的滑块以及驱动所述滑块沿所述导轨运动的驱动部件；

连通工业CT扫描试验系统的流体压力加载装置的介质管路限位于所述滑块，并且自所述滑块位置向下延伸连接位于所述试样台的流体压力加载装置。

本发明本文可以根据不同大小的试样、不同放大倍率下试样台位置的不同，实时调节滑块位置，使定位于滑块上的介质管路始终垂直于试样台，避免管路与试样台或流体压力加载装置等部件缠绕，保障各试验部件正常动作。

可选的，所述悬臂支架包括水平延伸的两横梁以及连接于两所述横梁前端部之间的端板，所述导轨设置于两所述横梁上表面。

可选的，两所述横梁的后端部还设置有第三托板，所述驱动部件设置于所述第三托板。

可选的，两所述横梁的后端部还设置有两平行立板，两所述平行立板之间还连接有圆管，所述圆管与两所述平行立板周向转动连接。

可选的，所述圆管与所述平行立板之间设置有轴承，两者通过所 述轴承周向转动连接。

可选的，还包括设置于所述固定支架和所述悬臂支架之间的旋转支架，

所述固定支架包括立柱，所述立柱底部支撑于所述试验基座，所述立柱的上端部还设有水平托板；

所述旋转支架包括中心柱，所述中心柱的下端部与所述立柱的上端部套装且周向通过轴承转动连接，所述中心柱上还固定有齿轮，还包括驱动所述齿轮转动的电机，所述电机固定于所述水平托板；所述中心柱的上端部固定有第二托板，所述悬臂支架固定于所述第二托板上。

可选的，所述立柱的下端部还设置有底板，所述底板与所述立柱之间还设置有筋板。

可选的，还包括与所述滑块固连的多通道高压旋转器，所述多通道高压旋转器具体包括通过内部通道连通的固定端管接头和旋转端管接头，所述固定端管接头通过管路连通驱动源，所述旋转端管接头通过管路连通所述流体压力加载装置，所述旋转端管接头可随所述试样台同步转动。

可选的，驱动部件包括电机、丝杠与所述丝杠的螺纹端部配合的螺母座，所述丝杠的螺纹端部设于所述螺母座的内螺纹孔内，另一端固定连接所述滑块，所述电机驱动所述丝杠转动，从而实现所述丝杠带动所述滑块往复运动。

此外，本发明还提供了一种工业CT扫描试验系统，包括试验基座以及支撑于所述试验基座的多轴运动转台、射线发生装置、图像采集装置、流体压力加载装置、同步旋转装置；所述同步旋转装置为上述任一项所述的同步旋转装置。

附图说明

图1为本发明一种实施例中工业CT扫描试验系统的结构示意图；

图2为本发明一种具体实施例中流体压力加载装置的结构示意 图；

图3为本发明一种实施例中同步旋转装置的结构示意图；

图4为悬臂支架的结构示意图；

图5为固定支架的结构示意图；

图6为旋转支架的结构示意图；

图7为本发明一种实施例中自动绕线器的结构示意图；

图8为自动绕线器与试样台的装配示意图。

其中，图1至图8中部件名称与附图标记之间的一一对应关系如下所示：

射线发生装置1、高压发生器1b、多轴运动转台2、控制柜2e、图像采集装置3、流体压力加载装置4、本体41、第一活塞42、第一法兰43、第二法兰44、第二连接头45、连接孔45a、第一连接头46、第二活塞47、试样容置腔4a、流体介质腔4b、工艺孔4c、流体介质腔4d、通道4e、同步旋转装置5、多通道同步高压旋转器5a、悬臂支架5b、旋转支架5c、固定支架5d、横梁5b1、端板5b2、第三托板5b3、导轨5b4、滑块5b5、丝杠5b6、螺母座5b7、立板5b10、轴承5b11、圆管5b12、立柱5d1、底板5d2、肋板5d3、水平托板5d4、肋板5d5、电机5d7、中心柱5c1、第二托板5c2、肋板5c3、齿轮5c4、轴承5c5、轴承5c6、控制装置6、自动绕线器7、螺纹杆7a、螺母7b、滑块7c、绕线筒7d、轴承7e、导杆7f、联板7g、应力应变采集装置8、试验基座9、控制面板10。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种工业CT扫描试验系统及同步旋转装置，该同步旋转装置可以随试样台同步动作，滑块可以始终处于试样台的正上方，使介质管路或线路始终垂直于试样台，避免管路与试样台等部件缠绕现象的发生。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明一种实施例中工业CT扫描试验系统的结构示意图。

本发明提供了一种工业CT扫描试验系统，该系统包括试验基座9以及支撑于试验基座9上的多轴运动转台2、射线发生装置1、图像采集装置3、流体压力加载装置4、控制装置6。其中，多轴运动转台2设有用于放置试样的试样台，试样台可以根据试验需求相对试验基座9转动或沿预定方向运动，此处所述的预定方向可以为沿主射线束方向，即前后方向运动，也可以为水平面内垂直于主射线束方向，即左右方向运动，也可以为竖直面内垂直于主射线束方向，即上下方向；同理，试样台的转动可以为绕竖直方向的旋转，一般地，为了实现上述旋转、不同方向的直线运动功能，可以设置多个试样台，即试样台可以具体包括旋转试样台、前后方向移动平台、左右方向移动平台、上下方向移动平台。各试样台的动作可以由电机驱动，电机通过控制线(电源线和信号线)连接控制装置6，操作人员通过操作控制装置6控制电机，进而实现试样台的相应动作。

目前射线发生装置1发出射线的类型一般为X射线，当然也可以采用其他类射线，本文以X射线为例介绍技术方案，射线发生装置1可以包括射线管、高压发生器1b、控制柜2e，因X射线有辐射，故一般放置于屏蔽室内部，射线管通过高压电缆、控制线与高压发生器1b及控制柜连接，控制柜通过网线与控制装置6连接，控制装置6可调节产生射线的电压、电流等参数，并进行训机及校准。为了试验人员的安全考虑，X射线控制柜的出束控制开关与屏蔽室铅门触发器及指示灯连接，确保发射射线时，指示灯点亮，铅门打开时不会发射射线。

图像采集装置3设置于所述射线发生装置1的相对侧，用于采集所述射线发生装置1发出的所述射线，并根据采集到的所述射线完成所述试样的成像；图像采集装置3可以包括平板探测器、移动平台，平板探测器固定在移动平台上，移动平台沿主射线束发射方向可相对试验基座9移动，以实现不同放大倍率的成像。其中，移动平台的移 动可以由电机驱动实现，当然也可以为其他部件驱动实现移动。

移动平台可以采用铝合金型材加工制作，包括两根立柱、横梁、肋板等部件，只要能实现平板探测器的可靠支撑，移动平台的移动可以通过导轨与滑块的配合实现。平板探测器按所需型号购置，有效面积、像素数量、灰度级等参数根据需求选择。

需要说明的是，图像采集装置3中射线探测器不局限于上述平板探测器，也可以为其他类型的探测器，只要能实现上述功能即可。

流体压力加载装置4根据试验需求完成对试样进行不同方向载荷的实时加载，并且当进行扫描实验时，流体压力加载装置与试样共同置于多轴运动转台2的试样台上。流体可以为液体，即液压油或水等，也可以为气体。流体压力加载装置4可以包括至少一个加载缸，加载缸实现试样压力的加载。

本文中所述的试样可以为岩土类试样，也可以为其他类型的试样。本文以岩土类试样为例进行试验，具体说明本文所提供的试验系统的技术效果。

本文所提供的工业CT扫描试验系统采用流体压力加载装置4，尽可能降低了加载装置的自重并可提供较大的加载力，满足绝大数岩土类材料变形破坏试验的需求，另外，本试验系统中的加载装置与试样共同置于多轴运动转台2的试样台上，可以根据试验需求实时调节加载缸施加于岩土类试样上的加载力，从而实现试样加载力的实时调节，提高试验效率。

并且，根据设置加载缸的数量可以实现试样不同方向力的加载，例如设置两个加载缸，可实现试样两个方向力的加载；设置三个加载缸可实现试样三个不同方向，例如可实现三轴坐标系力记载的模拟实验。

请参考图3至图6，图3为本发明一种实施例中同步旋转装置的结构示意图；图4为悬臂支架的结构示意图；图5为固定支架的结构示意图；图6为旋转支架的结构示意图。

上述各实施例中的工业CT扫描试验系统还可以设置有同步旋转 装置5，同步旋转装置5包括固定支架5d、悬臂支架5b，悬臂支架5b置于加载缸的上方，固定支架5d下端部支撑于试验基座9上，固定支架5d的上端部与悬臂支架5b沿竖直方向转动连接，即悬臂支架5b可以绕竖直方向相对固定支架5d转动。

悬臂支架5b上设置有导轨5b4、与导轨5b4配合的滑块5b5以及驱动滑块5b5沿导轨5b4动作的驱动部件；连通位于试样台的流体压力加载装置的介质管路限位于滑块5b5上，以便介质管路可以随滑块5b5相对导轨5b4滑动，并且自滑块5b5位置向下延伸连接位于试样台的流体压力加载装置。控制装置6可以控制驱动部件动作，使滑块5b5始终位于加载缸的正上方，滑块5b5可以与流体压力加载装置同步动作。

这样可以根据不同大小的试样、不同放大倍率下试样台位置的不同，实时调节滑块位置，使定位于滑块5b5上的介质管路始终垂直于试样台，避免管路与试样台或流体压力加载装置等部件缠绕，保障各试验部件正常动作。

同步旋转装置5还可以包括与滑块5b5固连的多通道高压旋转器5a，多通道高压旋转器5a具体包括通过内部通道连通的固定端管接头和旋转端管接头，固定端管接头通过油管连通驱动源，旋转端管接头连通加载缸。旋转端管接头可以随样品台的旋转而同步转动，不会阻碍加载缸的旋转。

上述各实施例中，同步旋转装置5中的驱动部件可以包括电机、丝杠5b6与丝杠5b6的螺纹端部配合的螺母座5b7，丝杠5b6的螺纹端部设于螺母座5b7的内螺纹孔内，另一端固定连接滑块5b5，电机驱动丝杠5b6转动，从而实现丝杠5b6带动滑块5b5往复运动。

其中，上述各实施例的同步旋转装置5还可以包括设置于固定支架5d和悬臂支架5b之间的旋转支架5bc，固定支架5d包括立柱5d1，立柱5d1底部支撑于试验基座9，立柱5d1的上端部还设有水平托板5d4；为了增加连接的可靠性，水平托板5d4与立柱5d1之间还可以增加肋板5d5，立柱5d1的下端部还可以设置底板5d2，底板5d2与立柱 5d1之间增加肋板5d3。

旋转支架包括中心柱5c1，中心柱5c1的下端部与立柱5d1的上端部套装且周向通过轴承5c5转动连接，中心柱5c1上还固定有齿轮5c4，还包括驱动齿轮转动的电机5d7，电机5d7固定于水平托板5d4，电机5d7通过齿轮5c4驱动中心柱5c1相对立柱5d1转动；中心柱5c1的上端部固定有第二托板5c2，悬臂支架固定于第二托板5c2上。

为了第二托板5c2与中心柱固定的可靠性，还可以在中心柱与第二托板5c2之间增加肋板5c3，同时为了增加中心柱5c1转动灵活性，中心柱5c1上端部也可以增设定位轴承5c6。

悬臂支架包括水平延伸的两横梁5b1以及连接于两所述横梁5b1端部的端板5b2、第三托板5b3，所述驱动部件设于第三托板5b3上方，驱动部件设于第三托板5b3，所述导轨5b4设置于两所述横梁5b1上表面。

所述横梁5b1的后端部还设置有两平行立板5b10，两平行立板5b10之间还连接有圆管5b12，圆管5b12与两平行立板5b10通过轴承5b11转动连接，管线搭于圆管5b12表面，当滑块前后滑动时，管线可随圆管5b12滚动，减小两者之间的摩擦力。

以下给出了一种流体压力加载装置的结构示意图。

请结合参考图2，图2为本发明一种具体实施例中流体压力加载装置的结构示意图；其中，图2中仅示出了两个方向加载，竖直方向和水平方向。

具体地，在一种具体实施例中流体压力加载装置4包括本体41，本体41内部开设有试样容置腔4a、至少一个流体介质腔，试样容置腔4a用于容纳并固定试样；各流体介质腔的内部均置有活塞，活塞将相应流体介质腔隔离为两个腔室，其中一腔室通过本体41内部设置的油路连通外部液压介质，另一腔室连通试样容置腔4a，并且各活塞朝向试样容置腔4a的一端可伸至试样容置腔4a内部；流体介质腔与活塞形成加载缸。

该实施方式当对试样进行力加载时，首先将试样置于加载装置的 本体41的内部，然后驱动外部介质源向本体41内部的流体介质腔内部充流体介质，在流入流体介质腔流体介质的推动下，置于流体介质腔内部的活塞朝向试样容置腔4a移动，随流体介质的不断注入，活塞抵靠试样并施加一定的力于试样。操作人员可以根据管路中流体介质的压力、活塞面积、计算施加于试样上的力，从而实现试样力的加载。

该试样力加载方式通过嵌入式加载缸提供不同方向的压力，以液体介质为例，压力可以达到200MPa，并且可实现三轴、两轴、单轴加载试验，加载装置结构比较简单，体积可匹配试样设计。

其中，本体41可以采用高强轻质铝合金材料制造，既满足大载荷记载下本体41的强度要求，有满足CT扫描时射线穿透的要求，还降低了罐体自重以满足转台对扫描件重量限制的要求。

当施加于试样上的力为二维相互垂直方向力(两轴)时，流体介质腔相应的数量为两个，分别为第一流体介质腔4b和第二流体介质腔4d，相应所述活塞具体为第一活塞42和第二活塞47，第一活塞42置于第一流体介质腔4b的内部，第二活塞47置于第二流体介质腔4d的内部，并且第一活塞42轴向和第二活塞47轴向垂直布置。本文中第一活塞42沿水平方向，第二活塞47轴向沿竖直方向，当然，第一活塞42和第二活塞47的轴向可以根据实际加载力的需求设置。

当模拟三轴力时，流体介质腔还包括第三流体介质腔，所述第三流体介质腔的内部还置有第三活塞，所述第三活塞的轴向、所述第二活塞的轴向、所述第一活塞的轴向构成三轴坐标系。本文虽未给出第三流体介质腔的示意图，但是根据本文的文字描述，本领域内技术人员很容易理解并进行实施该技术方案。

进一步地，为了以较小的加载缸内部压力获取试样比较大的加载力，可以将活塞设计为变截面，即活塞的第一端面的横截面尺寸大于第二端面的横截面尺寸，所述第一端面为朝向流体介质端部的端面，所述第二端面为朝向所述试样容置腔4a端部的端面。

在实际试验中，加载缸内部的工作压力比较小，油管连接及泵的压力比较容易满足，而加到试样中的压力比较大，便于实现较大的加 载力，尤其对于Z方向(竖直方向)该部分不影响射线穿透，对于尺寸无特殊要求。

另外，对于X,Y两个方向加载，在保证加载力大小的前提下，还要尽量降低射线穿透时对试样产生的影响，因此本体41的外形尺寸要足够小，但必须要保证它的实验载荷，因此在加工中，本体41采用非对称加载方式，即纵截面内，本体41设置所述流体介质腔侧的壁厚大于相对侧的壁厚。从图2中也可以看出，设置第一流体介质腔4b侧的本体41厚度大于相对侧本体41的厚度。

同时与流体介质腔相对的本体41上还设置有工艺孔4c，所述工艺孔4c的径向尺寸小于流体介质腔的径向尺寸，工艺孔4c可降低流体介质腔的加工难度。当然，进行力加载实验时，工艺孔4c需要用堵塞堵住。

另外，为了确保流体介质腔内壁加工精度，为了保证加载油路对射线的影响，连通外部液压介质的油口均设置于本体41的上端面，通过内部通道连通各流体介质腔，采用在本体中直接加工出油路，这样可以避免因外接油管对射线的影响。

为了便于试样自外布置于试样容置腔4a的内部，本体41还设置有连通下表面与所述试样容置腔4a的通道4e，以便所述试样自所述通道4e置于所述试样容置腔4a的内部，并且通道4e的入口端还设置有堵塞。

为了便于本体41的安装及装配，本体41的上下两端部还可以设置法兰，连接头通过螺栓连接本体41两端部的法兰。下端部为第一法兰43与第一连接头46配合连接，上端部为第二法兰47与第二连接头45配合连接。连接头、法兰上可以设置连接孔，螺栓穿过两者的连接孔与配合螺母固定，从而实现连接头与法兰的连接。图2中给出了第二连接头45上连接孔45a。

另外，为了保证活塞与流体介质腔之间的密封，二者之间还可以设置有密封部件，密封部件可以为密封圈，活塞的周壁上加工有安装槽，密封圈置于安装槽的内部。

上述各实施例中的试样台可以相对于试验基座9运动或旋转，也就是说，上述各实施例中的本体41在试验过程中也随试验基座9相对动作。故为了保证连通本体41的外部油路的管路的干涉，可以进一步进行如下设置。

为了准确获取加载缸施加于试样上的加载力，在试验基座9上可以进一步设置应力应变采集装置8，用于采集所述试样不同方向上的应力应变参数；所述控制装置6根据所述应力应变参数控制所述流体压力加载装置4中流体介质的压力。其中应力应变采集装置8包括传感器和信号获取设备，传感器设置于本体上，信号获取设备一般设置于样品台的正下方的试验基座9上，信号获取设备与传感器之间通过信号线等连接，为了避免样品台转动时信号线缠绕，本文还进行了以下设置，具体描述如下。

请参考图7和图8，图7为本发明一种实施例中自动绕线器的结构示意图；图8为自动绕线器与试样台的装配示意图。

上述各实施例中的工业CT扫描设备还可以包括设置于试样台下方的自动绕线器7，自动绕线器7包括上端部与试样台固定连接的螺纹杆7a、螺母7b组件、绕线筒7d，螺纹杆7a的下端部穿过多轴运动转台22的穿线孔向下延伸，螺母7b组件包括螺母7b和将螺母7b与多轴运动转台22的固定架周向限位的定位部件，螺母7b设于螺纹杆7a的外螺纹部，绕线筒7d套设于螺纹杆7a且两者轴向活动连接，且绕线筒7d与螺母7b固定连接。

首先安装时，将试样台上加载装置中的信号线缠绕于绕线筒7d表面，使信号线经绕线筒7d表面缠绕后传递至其他连接部件。这样当试样台旋转时，螺纹杆7a也随试样台同步旋转，因螺母7b周向固定，故相对螺纹杆7a向上或向下运动，进而与螺母7b固定的绕线筒7d也随螺母7b向上或向下运动，这样从旋转试样台的边缘通孔传出来的信号线也随转台一起旋转，从而也就会围绕绕线筒7d旋转，信号线相对绕线筒7d边旋转边上下移动，形成螺旋运动，自动把信号线绕在绕线筒7d表面，避免信号线在试样台旋转时打结影响加载装置的旋转。

在一种具体的实施方式中，定位部件可以为分居于螺纹杆7a两侧的导杆7f以及套设于两导杆7f上且与导杆7f滑动连接的滑板7c，螺母7b固定于滑板7c。该结构比较简单，便于螺母7b的设置。

进一步地，两导杆7f的末端还连接有联板7g，联板7g上设置有轴承7e，螺纹杆7a的自由端部通过轴承7e连接联板7g；该结构中螺纹杆7a的自由端部也相对限位，有利于螺纹杆7a转动的稳定性。

当然，屏蔽室内还可以进一步设置控制面板10，控制面板10通过触摸屏界面可以设置加载装置的参数并显示试样的加载载荷，以便完成对试样的加载。具体控制面板的结构可以参考现有设备，在此不做详述。

需要说明的是，本文中所述的上、下等方位词均是以图1-图8中各部件之间的位置关系为参照而定义，仅是为了描述技术方案的简洁，不应限制本文的保护范围。

以上对本发明所提供的一种工业CT扫描试验系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。