高精度岩石内部损伤实时定位检测装置的制作方法

本发明涉及脆性材料断裂损伤分析技术领域，特别涉及高精度岩石内部损伤实时定位检测装置。

背景技术：

岩石材料作为一种复杂的工程介质材料，在各类实际地下岩体工程中会经历复杂的应力加卸载过程，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当荷载达到一定程度时，岩石内部会产生微裂纹。岩石内部微裂纹的产生、扩展是造成岩石破裂失稳的直接因素，诸多岩石工程结构破坏均与之相关。

岩石材料快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(acousticemission，简称ae)，有时也称为应力波发射。岩石在压力作用下的声发射监测为岩石内部应力分布及破坏机理研究提供了非常重要的信息。岩石力学试验系统与声发射系统相结合能够实时的监测出岩石在压缩过程中裂纹的发展过程，通过布置在不同位置的声发射传感器收集到的超声波信号，可以反演出岩样中的裂纹发生位置，进而得出岩石损伤演化过程。声发射事件的精确定位是分析岩石内部微破裂时空演化及其破裂成核与失稳前兆的基础。如何提高声发射定位精度，最大限度地减少漏定位和伪定位，在工程上具有重要的现实指导意义。

常规岩石三轴试验是研究多维应力状态下岩石力学特性的试验方法，当今世界比较先进和应用最广泛的常规岩石三轴试验机是由美国生产的mts815伺服试验系统，但是，在常规三轴及单轴压缩的岩石损伤定位检测方面仍存在一些不足，得到的声发射信号和定位效果仍不尽如人意，主要表现在如下：

在岩石单轴压缩声发射监测试验中，通常在声发射传感器前端陶瓷片接触面涂抹耦合剂直接与岩样接触，通过胶带或橡皮筋将声发射传感器直接固定在岩样表面。由于声发射传感器端陶瓷片接触面是平面与岩样的圆柱外表面接触面积较小，在实验时往往会发生声发射传感器与岩样脱离的现象。

在岩石常规三轴声发射监测试验中，普遍做法是将声发射探头布置在试验机压力室之外，这种布置人为地引入了环境噪音，且压力室外受到的电磁干扰较多，将直接造成接收的信号失真。其次，三轴力学试验中岩石包裹的橡胶套管不仅使岩样与声发射探头无法直接接触，还会对声发射信号产生屏蔽效应。此外，由于声发射信号需要通过压力室、液压油和橡胶套，导致信号传播距离增加，岩石破裂过程中的脉冲能量可能无法穿过液压油而导致信号衰减甚至丢失。目前，本领域技术人员发现，相同试验条件下，传感器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27％和32％。然而，目前的声发射定位算法主要有单纯形算法和geiger算法，此二种算法均是基于不同位置传感器接收到的声发射信号的时间差来计算，声发射信号的衰减或失真会直接影响到定位结果的准确性。可见，如果能将声发射传感器稳固地内置于三轴压力室之内，便可以有效地降低信号衰减和失真现象，从而极大地提高岩石内部损伤定位监测的准确度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种有效降低信号衰减、提高采集声发射信号精度的高精度岩石内部损伤实时定位检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

高精度岩石内部损伤实时定位检测装置，包括三轴腔，用于安装岩石试样的金属圆筒，内置声发射传感器的上压头、下压头，声发射探头，紧固模块；

所述金属圆筒的内腔放置岩石试样，所述岩石试样的下端与下压头上端面连接；所述岩石试样的上端与上压头下端面连接，所述上压头的上端与三轴腔上端的施压装置连接，所述下压头的底端放置在三轴腔的底座上；

所述金属圆筒侧壁上设置至少一个安装沉孔，所述声发射探头内嵌于安装沉孔内，所述固定模块从外侧平动施压将声发射探头固定在金属圆筒的安装沉孔内；所述声发射探头通过声发射信号线与三轴腔外的mts815伺服试验系统的信号放大器相连。

优选地，所述固定模块与金属圆筒可拆卸连接。

优选地，所述固定模块包括一端开口的圆柱体壳体、硬质弹簧、螺钉、磁铁片；

所述硬质弹簧的一端通过螺钉与圆柱体壳体内腔底部固定连接，所述磁铁片与圆柱体壳体开口端的端部连接；

所述固定模块的硬质弹簧的另一端与声发射探头端面连接；所述圆柱体壳体开口端的端面与金属圆筒侧壁连接；所述圆柱体壳体开口端的端部设置过线孔，所述声发射信号线与声发射探头连接。

优选地，所述金属圆筒垂直于轴向的圆周上均布设置8个安装沉孔。

优选地，所述金属圆筒的侧壁的纵向上等间距设置4个安装沉孔。

优选地，所述声发射探头的陶瓷片接触端与安装沉孔的底部连接。

优选地，所述金属圆筒的底部分别与4个等间距设置的梯形支架连接。

优选地，所述金属圆筒与梯形支架一体成型。

采用上述技术方案，由于使用了三轴腔，用于安装岩石试样的金属圆筒，内置声发射传感器的上压头、下压头，声发射探头，紧固模块等技术特征。通过在金属圆筒侧壁上设置安装沉孔，将声发射探头安装在安装沉孔内通过紧固模块实现固定，并将上压头、下压头与岩石试样安装在金属圆筒内，将金属圆筒安装在三轴腔内，使得本发明在对岩石试样进行内部损伤试验时，声发射探头能有效降低信号衰减、提高采集声发射信号精度，实现对岩石试样损伤实验的实时准确定位检测。

附图说明

图1为本发明主视剖视示意图；

图2为本发明金属圆筒主视剖视示意图；

图3为本发明金属圆筒俯视示意图；

图4为本发明固定模块主视剖视示意图；

图5为本发明声发射探头装配示意图。

图中标号说明：

1、活塞；2、三轴腔；3、上压头；4、下压头；5、岩石试样；6、紧固模块；7、金属圆筒；8、声发射探头；9、安装沉孔；10、梯形支架；11、声发射信号线；12、圆柱体壳体；13、螺钉；14、硬质弹簧；15、磁铁片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如附图1、附图2和附图3所示，高精度岩石内部损伤实时定位检测装置，包括三轴腔2，用于安装岩石试样的金属圆筒7，内置声发射传感器的上压头3、下压头4，声发射探头8，紧固模块6。在金属圆筒7的内腔放置岩石试样5，并将岩石试样5的下端与下压头4上端面连接；将岩石试样5的上端与上压头3下端面连接，将上压头3的上端与三轴腔2上端的施压装置连接，本发明具体实时中的施压装置采用活塞1。将下压头4的底端放置在三轴腔2的底座上。具体实时中为方便安装，金属圆筒7内腔直径大于岩石试样5的外径。在金属圆筒7侧壁上设置至少一个安装沉孔9，将声发射探头8内嵌于安装沉孔9内，将固定模块6从外侧平动施压将声发射探头8固定在金属圆筒7的安装沉孔9内；且固定模块6与金属圆筒7可拆卸连接；将声发射探头8通过声发射信号线11与三轴腔2外的mts815伺服试验系统的信号放大器相连。

上述技术方案，由于金属圆筒7是安装在三轴腔2的腔体内，在将岩石试样5与上压头3和下压头4安装在金属圆筒7的内腔，并在金属圆筒7的侧壁上设置安装沉孔9，将声发射探头8通过可拆卸的固定模块6固定在金属圆筒7的侧壁上设置安装沉孔9，将有效避免了在对岩石试样5进行内损伤实验时，声发射探头8所产生信号的衰减，以及受到外界坏境声音的干扰，同时也有效避免了声发射探头8与金属圆筒7接触不好导致的采集信息不准确等技术问题的产生。

固定模块6包括一端开口的圆柱体壳体12、硬质弹簧14、螺钉13、磁铁片15。将硬质弹簧14的一端通过螺钉13与圆柱体壳体12内腔底部固定连接，将磁铁片15与圆柱体壳体12开口端的端部连接。固定模块6的硬质弹簧14的另一端与声发射探头8端面连接；将圆柱体壳体12开口端的端面与金属圆筒7侧壁连接；将圆柱体壳体12开口端的端部设置过线孔，并将声发射信号线11与声发射探头8连接。

为了进一步提高检测的精度和准确性，在金属圆筒7垂直于轴向的圆周上均布设置8个安装沉孔9。在金属圆筒7的侧壁的纵向上等间距设置4个安装沉孔9。将声发射探头8的陶瓷片接触端与安装沉孔9的底部连接。将金属圆筒7的底部分别与4个等间距设置的梯形支架10连接；金属圆筒7与梯形支架10一体成型。

具体实施中，先对声发射探头8的灵敏度进行检测，启动声发射信号接受系统，在声发射探头8保护壳的端面压断0.5mm的自动铅笔芯，此时系统将会记录到该信号的各类信息，若此信号的幅值大于90db，表明该探头对声源反应灵敏，传感器耦合质量较高，符合试验要求；若采集得到的信号幅值小于90db，需要重新检查探头的焊接情况、传感器的耦合质量，再次进行试验，直到探头的灵敏度符合试验要求。

检测安装，先将岩石试样5的两端涂抹耦合剂，分别放置内有声发射传感器的上压头3和下压头4，并用橡胶套管将三者紧紧固定住，将被橡胶套管固定的岩石试样5与上压头3和下压头4放置在mts815试验机测试平台上。在将金属圆筒7从上压头3的顶部缓慢向下套，至梯形支架10稳定放置于操作台底座上。在将经过测试过的声发射探头8的端面涂抹耦合剂，以保证声发射传感器与金属腔的良好接触，将声发射探头8安装到金属圆筒7侧壁上的安装沉孔9内，在通过固定模块6将声发射探头8固定到金属圆筒7侧壁上的安装沉孔9内。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。