本发明涉及岩土工程室内试验技术，具体涉及一种用于圆柱形岩石试样的自动化检测装置及方法。
背景技术：
岩石试样的制备和选取工作是室内岩石试验的重要步骤。岩石试样端面平整度、垂直度、平行度及岩石试样尺寸等对试验结果影响重大，如因不符合标准而出现的偏心受压、应力集中等问题会造成整个试验的失败。对于圆柱形岩石试件，多是通过对原岩取芯、端面磨平加工而成。
根据《2001水利水电工程岩石试验规程》的内容，室内试验要求所采用的岩石试件高度为48-54mm，试件高度与直径之比宜为2.0-2.5；高度、直径或者边长允许偏差±0.3mm；试件端面不平整度允许偏差±0.05mm；端面应垂直于端面轴线，允许偏差为0.25°。在岩石试样加工制备过程中，由于加工精度、制备磨具不规整以及由于检测方法不当引发的人为误差，导致部分岩石试样不符合标准，所以除在制备环节进行高标准要求外，对岩石试样进行严格的筛选工作也十分必要。
目前，通常采用直尺、刀口形直角尺、游标卡尺等多种工具组合进行检测，检测过程繁琐；同时，所涉及垂直度检测(光隙法)等过程，检测精度较差，因此，有必要对现有技术进行改进。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种检测精度高、操作简单的用于圆柱形岩石试样的自动化检测装置及方法。
本发明采用的技术方案为：一种用于圆柱形岩石试样的自动化检测装置，主要包括底座、垂直侧板单元a、垂直侧板单元b、试样基座、滑动测试平台单元及控制处理器，所述垂直侧板单元a、垂直侧板单元b和试样基座均安装于底座上，垂直侧板单元a和垂直侧板单元b正对布置于试样基座的两侧；所述滑动测试平台水平设于试样基座的上方，垂直侧板单元a和垂直侧板单元b通过滑动测试平台相连；所述控制处理器分别与垂直侧板单元a、垂直侧板单元b、滑动测试平台及试样基座相连。
按上述方案，所述垂直侧板单元a包括铁板体a、推杆a和推杆作动器a，铁板体a的底部与底座固连，铁板体a的顶部预留凹槽；所述铁板体a内设有安装孔a，安装孔a内置激光位移传感器a，激光位移传感器a固定在推杆a上，推杆a与推杆作动器a相连；所述推杆作动器a上设有拉绳编码器a，激光位移传感器a和拉绳编码器a均与控制处理器相连。
按上述方案，所述垂直侧板单元b包括铁板体b、推杆b和推杆作动器b，铁板体b的底部与底座固连，铁板体b的顶部预留凹槽；所述铁板体b内设有安装孔b，安装孔b内置激光位移传感器b，激光位移传感器b固定在推杆b上，推杆b与推杆作动器b相连；所述推杆作动器b上设有拉绳编码器b，激光位移传感器b和拉绳编码器b均与控制处理器相连。
按上述方案，所述滑动测试平台单元包含轨道、固定盒、激光位移传感器c、推杆装置和磁性吸座；所述轨道由两条与底座表面平行的导轨组成，导轨两端固结的磁性吸座内置于垂直侧板单元a和垂直侧板单元b的顶部；所述固定盒与推动装置相连，固定盒内安装激光位移传感器c，固定盒卡嵌在轨道上，并在推动装置的作用下沿轨道的长度方向滑动。
按上述方案，所述推杆装置包括安装在轨道上的推杆作动器c和推杆c，推杆c与固定盒相连；所述拉绳编码器c固定于推杆作动器c上，所述激光位移传感器c和拉绳编码器c均分别与控制处理器相连。
按上述方案，所述试样基座包括转盘，转盘的中心设有与控制处理器相连的旋转编码器，所述转盘上部安装有称重仪，称重仪的板面中心设置有通过试样标记线分隔的试样区，岩石试样放置于试样区内。
按上述方案，所述试样标记线外侧的称重仪板面上设有两组正对的夹紧机构，夹紧机构用于在旋转过程中夹紧岩石试样。
按上述方案，所述夹紧机构包括固定于称重仪上的夹紧基座、穿过夹紧基座的连杆、固定于连杆端头的挡板，以及设于夹紧基座顶部的锁紧螺栓；所述锁紧螺栓伸入夹紧基座的顶端，与连杆顶紧固定。
按上述方案，所述转盘包括转盘外圈、转盘内圈，以及设于转盘内圈和转盘外圈之间的滚珠，转盘外圈和转盘内圈相对转动；所述转盘的底部附有磁性限位板，磁性限位板与设于底座上的铁挡板吸附锁定；所述铁挡板包括铁挡板一和铁挡板二，铁挡板一和铁挡板二位于转盘底面圆的直径所在直线上。
本发明还提供了一种圆柱形岩石试样自动化检测方法，包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述自动化检测装置；
步骤二、通过试样基座的试样标记线对岩石试样进行定位，保证岩石试样的下端面圆心与试样区的中心重合；
步骤三、同步推动两个夹紧机构固定岩石试样；
步骤四、旋转试样基座，使底座上的磁性限位板与铁质挡板一吸附固定，记录试样基座上的称重仪读数；
步骤五、将轨道两端方形的磁性吸座对应放置于垂直侧板单元a和垂直侧板单元b顶部的凹槽内，并通过磁性吸座将滑动平台单元吸附固定；
步骤六、通过控制处理器同步启动推杆a、推杆b和推杆c，并通过激光位移传感器a测量测量岩石试样的外壁至垂直侧板单元a的距离，通过激光位移传感器b测量岩石试样的外壁至垂直侧板单元b的距离，通过激光位移传感器c测量岩石试样顶部端面与滑动测试平台单元的距离；控制处理器接收以上三组距离数据并分析处理，获得岩石试样的直径及相对高度参数；
步骤七、通过控制处理器计算分析，获取岩石试样的垂直度参数；
步骤八、将试样基座旋转设定的角度，重复步骤五～步骤七；
步骤九、重复第八步，直至磁性限位板与铁质挡板二吸附固定；
步骤十、控制处理器使各推杆复位，关闭各激光位移传感器；
步骤十一、控制处理器通过以上参数检测岩石试样的平整度、平行度、垂直度指标并得到密度参数，同时基于测取数据进行拟合，建立岩石试样的立体模型。
本发明的有益效果为：
1.本发明结合激光位移测试技术、电动伸缩装置系统和计算机技术，通过一次放样，同时测得岩石试样平整度、垂直度、平行度、试样尺寸、密度等多种参数，自动化程度高，操作简单，使用方便，进一步减少了人为因素(如光隙法等)对检测结果的影响，检测结果更加精确；且本发明采用多角度、多测点方法，记录特征点，测取参数代表性更强，方法更合理，完善和简化室内岩石试验试样测试和选取工作；
2.本发明采用激光位移传感器(测量精度可达0.01mm)，拉绳编码器(测量精度0.05mm)等测量精度高，满足室内圆柱形岩石试样的检测工作；
3.本发明装置和方法结合激光位移传感器、拉绳编码器及旋转编码器读取参数，通过数据拟合建立较为精确的岩石试样立体模型，为后期岩石试验的对比分析提供了宝贵的三维数字模型，同时对数值试验具有较大意义。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中底座、垂直侧板单元a、垂直侧板单元b、试样基座和滑动测试平台单元的连接正视图。
图3为图2的俯视图。
图4为本实施例中滑动测试平台单元的正视图。
图5为本实施例中滑动测试平台单元的俯视图。
图6为本实施例中图5中的a-a剖视图。
图7为本实施例中试样基座的转盘结构示意图。
图8为本实施例中称重仪和转盘的连接示意图。
图9为本实施例中垂直侧板单元a的结构示意图。
图10为本实施例中垂直侧板单元b的结构示意图。
图中：1-底座；2-垂直侧板单元a；201-激光位移传感器a；202-推杆a；203-拉绳编码器a；204-推杆作动器a；205-连接基座；206-铁板体a；3-滑动平台单元；301-插头；302-电源线c；303-信号传输线c；304-推杆作动器c；305-推杆c；306-固定盒；307-轨道；308-磁性吸座；309-激光位移传感器c；310-拉绳编码器c；4-垂直侧板单元b；401-激光位移传感器b；402-推杆b；403-拉绳编码器b；404-推杆作动器b；405-铁板体b；5-试样基座；501-固定螺孔；502-转盘外圈；503-旋转编码器；504-转盘内圈；505-滚珠；506-信号传输线d；507-试样标记线；508-固定螺栓；509-锁紧螺栓；510-连杆；511-夹紧装置；512-称重仪；513-液晶显示屏；514-挡板；515-铁挡板二；516-铁挡板一；517-磁性限位板；6-岩石试样；7-控制处理器；701-处理中枢平台；702-便携式控制器；703-电源线；704-信号传输线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1～3所示的一种用于圆柱形岩石试样的自动化检测装置，主要包括底座1、垂直侧板单元a2、垂直侧板单元b4、试样基座5、滑动测试平台单元3及控制处理器7，所述垂直侧板单元a2、垂直侧板单元b4和试样基座5均安装于底座1上，垂直侧板单元a2和垂直侧板单元b4正对布置于试样基座5的两侧；所述滑动测试平台3水平设于试样基座5的上方，垂直侧板单元a2和垂直侧板单元b4通过滑动测试平台3相连；所述控制处理器7分别通过信号传输线、电源线与垂直侧板单元a2、垂直侧板单元b4、滑动测试平台3进行信号传送与动力供应，通过信号传输线与试样基座5进行信号传送。
本发明中，所述底座1为扁平空心箱结构，底座1内部布置各信号传输线和电源线；底座1具有一定壁厚和较大刚度，可防止形变引起误差；底座1表面平整光滑，满足室内精密试验需求。
本发明中，所述垂直侧板单元a2包括平整光滑且规则的铁铁板体a206，铁板体a206的底部与底座1固连，铁板体a206的顶部预留凹槽a(可为方形凹槽)；所述铁板体a206内设有安装孔a，安装孔a内置有高精度的激光位移传感器a201，激光位移传感器a201固定在推杆a202上，推杆a202与推杆作动器a204相连，激光位移传感器a201在推杆a202和推杆作动器a204的作用下可沿垂直方向移动；所述推杆作动器a204上设有拉绳编码器a203，其作用是精确定位、测量激光位移传感器a201的位移量；激光位移传感器a201和拉绳编码器a203均通过信号传输线a与控制处理器7进行信号传送。垂直侧板单元b4与垂直侧板单元a2结构相同，其包括平整光滑且规则的铁板体b405，铁板体b405的底部与底座1固连，铁板体b405的顶部预留凹槽b(可为方形凹槽)；所述铁板体b405内设有安装孔b，安装孔b内置有高精度的激光位移传感器b401，激光位移传感器b401固定在推杆b402上，推杆b402与推杆作动器b404相连，激光位移传感器b401在推杆b402和推杆作动器b404的作用下可沿垂直方向移动；所述推杆作动器b404上设有拉绳编码器b403，其作用是精确定位与测量激光位移传感器b401的位移量；激光位移传感器b401和拉绳编码器b403均通过信号传输线b与控制处理器7进行信号传送。本实施例中，所述铁板体a206和铁板体b405的高度均为150mm，两者之间的间隔为200mm；拉绳编码器a203量程0-500mm，测量精度0.05mm。
本发明中，所述滑动测试平台单元3包含轨道307、固定盒306、高精度的激光位移传感器c309、推杆装置、拉绳编码器c310、方形的磁性吸座308、信号传输线c303及电源线302；所述轨道307由两条与底座1表面平行的导轨组成，导轨两端固结的磁性吸座308可内置于垂直侧板单元a2和垂直侧板单元b4顶部的凹槽内并与其吸附固定(磁力作用)；所述固定盒306与推动装置相连，固定盒306内安装高精度的激光位移传感器c309，固定盒306卡嵌在轨道307上，并在推动装置的作用下沿轨道307的长度方向滑动；所述推杆装置包括安装在轨道上的推杆作动器c304和推杆c305，推杆c305与固定盒306相连；所述拉绳编码器c310通过主座固定于推杆作动器c304上，拉线端口一端固定于固定盒；所述信号传输线303和电源线302均经推杆作动器c304引出，另一端通过插头301与铁板体a206顶部连接的基座205活动连接；所述激光位移传感器c309和拉绳编码器c310均通过信号传输线c303与控制处理器7进行信号传送。
本发明中，所述试样基座5包括水平接触球式的转盘，转盘的中心设有通过信号传输线d506与控制处理器7相连的旋转编码器503，旋转编码器503的作用是准确测量试样基座5旋转角度；所述转盘上部安装有高精度的称重仪512(可为带液晶显示屏513的电子式称重仪)，称重仪512的板面中心设置有通过试样标记线507分隔的试样区，岩石试样6放置于试样区内，岩石试样6的中心与激光位移传感器a201、激光位移传感器b401、激光位移传感器c309共面；试样标记线507外侧的称重仪512上设有两组正对的夹紧机构，夹紧机构用于在旋转过程中夹紧岩石试样6。优选地，所述夹紧机构包括固定于称重仪512上的夹紧基座511、穿过夹紧基座511的连杆510、固定于连杆510端头的挡板514，以及设于夹紧基座511顶部的锁紧螺栓509；所述锁紧螺栓509伸入夹紧基座511的顶端，与连杆510顶紧固定；所述挡板514为弧形板，用于岩石试样6的夹紧。优选地，所述转盘包括转盘外圈502、转盘内圈504，以及设于转盘内圈504和转盘外圈502之间的滚珠505，转盘外圈502和转盘内圈504可相对转动。优选地，所述转盘的底部附有磁性限位板517，磁性限位板517与设于底座1上的铁挡板吸附锁定；所述铁挡板为两片(包括铁挡板一516和铁挡板二515)，两片铁挡板位于转盘底面圆的一直径所在直线上，从而保证试样基座5可旋转角度范围为0-180°。本实施例中，所述转盘通过固定螺栓508与称重仪512相连；所述称重仪512为高精度的电子式称重仪(电源由内置电池提供)，其测量精度达0.01g；称重仪512表面的试样标记线507为
本发明中，所述控制处理器7包含相连的处理中枢平台701和便携式控制器702，处理中枢平台701通过信号传输线与各传感器相连；所述便携式控制器702也可进行类似于中枢平台701对各推杆作动器的驱动操作，增加操作便捷性。本实施例中，所述控制处理器7可进行数据的储存、处理和检测过程的控制。
本发明还提供了一种圆柱形岩石试样检测方法，具体包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述自动化检测装置；
步骤二、通过试样基座5的试样标记线507，即
步骤三、同步推动两个夹紧机构的连杆510，使连杆510端头的挡板514夹紧岩石试样6后，通过锁定螺栓509锁紧连杆510，固定岩石试样6；
步骤四、旋转试样基座5，使底座1上的磁性限位板517与铁质挡板一516吸附固定，记录试样基座5上的称重仪512的读数；
步骤五、将轨道307两端方形的磁性吸座308对应放置于垂直侧板单元a2和垂直侧板单元b4顶部的凹槽内，并通过磁性吸座308的磁性吸附作用将滑动平台单元3吸附固定；将插头301插入连接基座205内，接通滑动平台单元3的电源线302和信号传输线303；
步骤六、通过控制处理器7同步启动推杆a202、推杆b402和推杆c305，并通过激光位移传感器a201测量测量岩石试样6的外壁至垂直侧板单元a2的距离，通过激光位移传感器b401测量岩石试样6的外壁至垂直侧板单元b4的距离，通过激光位移传感器c309测量岩石试样6顶部端面与滑动测试平台单元3的距离，其中，激光位移传感器a201测取的距离读数为a1、a2……an；激光位移传感器b401测取的距离读数为b1、b2……bn；激光位移传感器c309测取的岩石试样顶部多测点相对高度值为h1、h2、h3……hm；控制处理器7接收以上三组数据并分析处理，获得岩石试样6的直径参数及相对高度参数；控制处理器7的计算过程为：
1)激光位移传感器a201与激光位移传感器b401之间的距离为l1＝200mm，控制处理器7内置计算程序d1＝1/n{(l1-a1-b1)+(l1-a2-b2)+……+(l1-an-bn)}其中d1为岩石试样6的平均直径；dmax1＝max|l1-ai-bi|,(i＝1,2......n)，dmax1为岩石试样6直径的最大值；dmin1＝min|l1-ai-bi|,(i＝1,2......n)，dmin1为岩石试样6直径的最小值；通过计算程序得到岩石试样6的平均直径d1及岩石试样6直径的最大偏差值(dmax1-dmin1)，当岩石试样6的直径偏差小于0.3mm时，表示该岩石试样6的直径符合规范标准；
2)激光位移传感器c309测得称重仪512面板与滑动测试平台单元3之间的距离为l2＝150mm，控制处理器7内置计算程序：h1＝1/m{(l2-h1)+(l2-h2)++……+(l2-hm)}，其中，h1为岩石试样6的平均高度；hmax1＝max|(hi-hj)|,(i,j＝1,2.....m,i≠j)(m值可自行选取，如当m＝5时，即测点为对应直径的起始端点，1/4点，圆心，3/4点，终止端点)，hmax1为岩石试样6高度的最大偏差值；通过计算程序得到岩石试样6的平均高度h1及岩石试样高度的最大偏差值hmax1，当岩石试样6的高度偏差小于0.3mm时，表示该岩石试样6的高度符合规范标准；
步骤七、通过控制处理器7计算分析，获取岩石试样6的垂直度参数(面与线夹角)α1和α2；控制处理器7内置计算程序a1＝arctan[|a1-an|/h1]a2＝arctan[|b1-bn|/h1]，其中h1为岩石试样6的平均高度；当α1和α2均小于0.25°时，表示岩石试样6的垂直度符合规范标准；
步骤八、将试样基座5旋转设定的角度，重复步骤五～步骤七；控制处理器7内置程序，试样基座5每次旋转的角度相同如每次旋转20°、30°或60°等，经多次旋转后可至180°；
步骤九、重复第八步，直至磁性限位板517与铁质挡板二515吸附固定，此时试样基座5旋转180°；
步骤十、控制处理器7使各推杆复位，关闭各激光位移传感器；
步骤十一、控制处理器7通过汇总相对高度值h1～hz(z为最后相对高度测试编号)等以上参数检测岩石平整度和平行度，获取岩石试样的垂直度、直径、高度、密度等多种参数，并基于测取数据进行拟合，建立较为精确地岩石试样6的立体模型。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是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。