一种超声波振动下岩石损伤测试实验台的制作方法

本实用新型涉及地质岩心钻探、超声波振动碎岩机理研究领域，具体涉及一种超声波振动下岩石损伤测试实验台。

背景技术：

利用超声波技术解决硬岩破碎难题被认为具有广阔的应用前景,国际范围内已有多个科研机构和学者利用超声波技术搭建室内实验平台开展室内试验研究，并取得了良好的试验结果并获取多项专利。例如美国国家航空航天局研发的超声波钻探取样器、南京航空航天大学研制的压电陶瓷振动钻探样机、吉林大学申请的一项实用新型专利：一种超声波振动碎岩实验装置及实验方法、东北石油大学申请的一项实用新型专利：一种高频振动冲击破碎岩石实验装置。但是上述试验平台或专利主要聚焦于转速、频率、静压力等宏观因素对机械钻速的影响，对超声波振动作用下岩石的损伤特性的测试存在不足,本专利集声发射技术、红外检测技术、表面微振幅检测技术于一体，设计出一种新的能够实现实时监测超声波振动作用下岩石内部裂纹扩张状况、应力波衰减状况、岩石内部应力分布状况的综合实验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是采用声发射检测技术、红外检测技术、岩石表面微振幅检测技术，搭建一种用于研究超声波碎岩机理的超声波振动下岩石损伤测试实验台。

一种超声波振动下岩石损伤测试实验台，包括导向固定机构、岩石夹持机构、液压加压机构、超声波振动机构、岩石振幅测量系统、声发射测量系统和红外特征测量系统；

导向固定机构由四根导向立柱和底座组成，四根导向立柱通过螺纹连接安装在底座上；

岩石夹持机构由限位环和螺栓组成，限位环通过螺栓安装在底座上，岩样放在限位环内，并通过螺栓固定在底座上；

液压加压机构由液压控制箱、液压缸、第一法兰盘和第二法兰盘组成，两个液压缸分别安装在第一法兰盘上且与液压控制箱连接，第一法兰盘通过螺纹连接固定安装在导向立柱上，液压缸下端与第二法兰盘固定，启动液压控制箱，第一法兰盘为液压缸提供反力，液压缸将静压力经由第二法兰盘、压电陶瓷换能器和变幅杆施加给岩样；

超声波振动机构由超声波电源、压电陶瓷换能器和变幅杆组成，变幅杆下端与岩样接触，上端安装在压电陶瓷换能器上，压电陶瓷换能器通过螺栓安装在第二法兰盘上，第二法兰盘套在导向立柱上，并能够实现上下方向自由移动，开启超声波电源，压电陶瓷换能器将电能转换为高频振动的机械能，经变幅杆将高频振动力的振幅放大作用传递给岩样；

岩石振幅测量系统由滑块、导轨、监测杆、十字导向节、振幅测量仪和振幅数据测试数据处理器组成，导轨固定在底座上，滑块能够在导轨上自由滑动并可通过螺栓固定在导轨上，监测杆固定在滑块上，十字导向节通过螺栓固定在安装杆上，振幅测量仪通过螺栓固定在十字导向节上且与振幅数据测试数据处理器连接，

通过调整十字导向节使得振幅测量仪探头与岩样表面垂直贴紧，打开振幅数据测试数据处理器，开启振幅测量仪，采集的振幅值通过数据线传输给振幅数据测试数据处理器进行存储和处理；

声发射测量系统由声发射探头和声发射测试数据处理器组成，声发射探头黏贴在岩样表面指定位置处且与声发射测试数据处理器连接，打开声发射测试数据处理器，声发射数据通过数据线传输给声发射测试数据处理器进行存储与处理；

红外特征测量系统由红外探测仪和红外特征测试数据处理器组成，红外探测仪与红外特征测试数据处理器连接，开启红外探测仪，红外探测仪将振动过程中岩石表面红外特征经由数据线传输到红外特征测试数据处理器进行存储与处理。

本实用新型的实验方法包括以下步骤：

(一)将岩样固定在岩石夹持机构上；

(二)调节监测杆和十字导向节确定振幅测量仪的监测位置点并保证振幅测量仪与岩样垂直接触；

(三)将声发射探头黏贴在岩样表面指定位置；

(四)打开红外探测仪，调节红外探测仪与岩样的距离；

(五)开启液压控制箱，对岩样施加所需的静压力；

(六)将振幅测量仪数据清零，同时开启红外特征测试数据处理器、振幅数据测试数据处理器和声发射测试数据处理器；

(七)打开超声波发生电源，开始超声波振动碎岩实验；

(八)收集各测量系统数据，综合分析处理，探究超声波振动碎岩规律。

本实用新型的工作原理：

1、超声波振动下，岩样表面会产生径向位移，振幅测量仪能够动态采集岩石表面固定监测点单位时间内岩石径向变化量的最大值，不同监测点的径向位移变化量不同，因此可以根据振幅测量仪采集到的监测点数据判断超声波振动产生的应力波在岩石内部传递的衰减状况。

2、在超声波振动荷载的作用下岩石内部温度会发生变化，且变化量与岩石内部主应力之间成线性关系，红外特征测量系统能够记录外部荷载作用下岩石表面温度变化数据，从而获取岩石内部的物理力学变化状况。

3、岩石内部裂纹扩展时会伴随着声发射信号的产生，声发射测量系统能够实现检测岩石内部裂纹发生的位置及数量。

4、通过对岩样表面振幅变化规律、温度变化规律、声发射变化规律的综合分析，可准确确定超声波振动作用下岩石内部裂纹的变化规律。

本实用新型的有益效果：

本实用新型利用振幅检测技术、声发射技术、红外检测技术搭建了一种超声波振动下岩石损伤测试实验台，能够实现对岩石内部裂纹发展、岩石内应力变化、应力波在岩石内部衰减状况以及有效碎岩深度的动态测试；可以从多方面综合测试超声波振动下岩石的损伤过程，确定包括频率、静压力、振幅等在内的超声波作用下最优碎岩参数，减少单一检测方法的不足和误差，提高实验效率，为超声波碎岩机理的研究提供有利的支撑，具有精确、便捷、经济的优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是十字导向节结构的主视图。

图3是十字导向节结构的俯视图。

图4是十字导向节结构的右视图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，一种超声波振动下岩石损伤测试实验台，包括导向固定机构、岩石夹持机构、液压加压机构、超声波振动机构、岩石振幅测量系统、声发射测量系统和红外特征测量系统；

导向固定机构由四根导向立柱5和底座16组成，四根导向立柱5通过螺纹连接安装在底座16上；

岩石夹持机构由限位环12和螺栓13组成，限位环12通过螺栓13安装在底座16上，岩样9放在限位环12内，并通过螺栓13固定在底座16上；

液压加压机构由液压控制箱2、液压缸3、第一法兰盘4和第二法兰盘6组成，两个液压缸3分别安装在第一法兰盘4上且与液压控制箱2连接，第一法兰盘4通过螺纹连接固定安装在导向立柱5上，液压缸3下端与第二法兰盘6固定，启动液压控制箱2，第一法兰盘4为液压缸3提供反力，液压缸3将静压力经由第二法兰盘6、压电陶瓷换能器7和变幅杆8施加给岩样9；

超声波振动机构由超声波电源1、压电陶瓷换能器7和变幅杆8组成，变幅杆8下端与岩样9接触，上端安装在压电陶瓷换能器7上，压电陶瓷换能器7通过螺栓安装在第二法兰盘6上，第二法兰盘6套在导向立柱5上，并能够实现上下方向自由移动，开启超声波电源1，压电陶瓷换能器7将电能转换为高频振动的机械能，经变幅杆8将高频振动力的振幅放大作用传递给岩样9；

岩石振幅测量系统由滑块14、导轨15、监测杆17、十字导向节18、振幅测量仪19和振幅数据测试数据处理器20组成，导轨15固定在底座16上，滑块14能够在导轨15上自由滑动并可通过螺栓固定在导轨15上，监测杆17固定在滑块14上，十字导向节18通过螺栓固定在安装杆17上，振幅测量仪19通过螺栓固定在十字导向节18上且与振幅数据测试数据处理器20连接，通过调整十字导向节18使得振幅测量仪19探头与岩样9表面垂直贴紧，打开振幅数据测试数据处理器20，开启振幅测量仪19，采集的振幅值通过数据线传输给振幅数据测试数据处理器20进行存储和处理；

声发射测量系统由声发射探头11和声发射测试数据处理器21组成，声发射探头11黏贴在岩样9表面指定位置处且与声发射测试数据处理器21连接，打开声发射测试数据处理器21，声发射数据通过数据线传输给声发射测试数据处理器21进行存储与处理；

红外特征测量系统由红外探测仪10和红外特征测试数据处理器22组成，红外探测仪10与红外特征测试数据处理器22连接，开启红外探测仪10，红外探测仪10将振动过程中岩石表面红外特征经由数据线传输到红外特征测试数据处理器22进行存储与处理。

本实用新型的实验方法包括以下步骤：

(一)将岩样9固定在岩石夹持机构上；

(二)调节监测杆17和十字导向节18确定振幅测量仪19的监测位置点并保证振幅测量仪19与岩样9垂直接触；

(三)将声发射探头11黏贴在岩样9表面指定位置；

(四)打开红外探测仪10，调节红外探测仪10与岩样9的距离；

(五)开启液压控制箱2，对岩样9施加所需的静压力；

(六)将振幅测量仪19数据清零，同时开启红外特征测试数据处理器22、振幅数据测试数据处理器20和声发射测试数据处理器21；

(七)打开超声波发生电源1，开始超声波振动碎岩实验；

(八)收集各测量系统数据，综合分析处理，探究超声波振动碎岩规律。