一种体积变形测量系统的制作方法

1.本实用新型的实施例属于工程材料力学试验测试技术领域，更具体地，涉及一种体积变形测量系统。


背景技术：

2.体积变形是指物体体积的变化，是表征工程材料变形特性的重要指标。不同材料试样的体积变形测量方法不尽相同，对于固体类材料，在加载过程中变形较小，一般是通过测量试件轴向和侧向变形，再根据理论公式进行计算得到体积变形，但是理论公式的基本假设是材料为理想弹性体，这肯定与实际情况存在一定差距；对于混凝土、岩石、金属等坚硬材料，目前也是用理论公式较多，但这些材料内部存在裂纹、均质性较差，计算公式的误差更大。
3.现阶段，一般通过三轴试验机对混凝土、岩石等试样进行体积变形的测量(大主应力方向采用刚性加载，中主应力及小主应力方向采用液压油柔性加载)，最常采用的是应变片配合应变式传感器的测量方式，但是采用应变片配合应变式传感器进行测量存在只能反映试样局部的变形特征，对于试样整体体积变形无法测得准确数值，同时测试方法较为复杂，成本较高。
4.因此，如何准确测量混凝土、岩石及金属等固体材料的整体体积变形是目前试验测试技术中亟待解决的重要技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术无法测量固体材料的整体体积变形以及测试方法复杂、成本高等问题，本实用新型提供一种体积变形测量系统以解决此类问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供一种体积变形测量系统，包括上位机、三轴压力试验机以及测量装置，其中所述测量装置包括：用于装载测试样品的测试盒，其顶部设有顶部开口；设于所述测试盒底部的用于注入惰性气体的气嘴；设于所述顶部开口上用于密封防止气体泄漏的封隔条；以及分别设于测试盒两侧的温度测试单元和压力测试单元，所述测试单元和压力测试单元分别与上位机通信相连。
7.进一步地，所述测试盒内部设有空腔部，所述空腔部容积大于测试样品。
8.进一步地，所述温度测试单元包括温度传感器、第一密封圈及温度传感器数据线，其中温度传感器粘贴设于测试盒内壁面上，温度传感器数据线穿过设于测试盒侧壁上的第一密封圈与上位机通信连接。
9.进一步地，所述压力测试单元包括压力传感器、第二密封圈及压力传感器数据线，其中压力传感器粘贴设于测试盒内壁面上，压力传感器数据线穿过设于测试盒侧壁上的第二密封圈与上位机通信连接。
10.进一步地，所述气嘴上还设有气嘴盖。
11.进一步地，所述测试盒采用耐高压橡胶材质制成。
12.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
13.(1)本实用新型的一种体积变形测量系统，为体积变形的测量提供了一种与现有技术不同构思的方法，通过在测量装置内注入惰性气体并密封装载测试样品，三轴压力试验机对测量装置施加围压和轴向压力，使测试样品产生形变并最终发生破坏，根据惰性气体实时体积值可以得到测试样品在被施压过程中体积变形的全过程数据及测试样品的真实体积变形，可适用于测量混凝土、岩石及金属等多种固体材料的整体体积变形。
14.2.本实用新型的一种体积变形测量系统，采用耐高压橡皮材质制成测试盒，采用封隔条对空腔部进行密封，通过气嘴注入惰性气体，压力传感器与温度传感器测量测试盒内气体的压力与温度变化，基于理想气体方程求解腔室内气体的体积变化，进而转化为岩石试件的体积变化。整体测试系统原理简单明了，测试精度高，操作步骤简单，实验成本低，易于推广。
附图说明
15.图1为本实用新型实施例中一种体积变形测量系统中的结构示意图。
16.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-测试盒、11-空腔部、12-顶部开口、2-封隔条、3-气嘴、4-气嘴盖、5-温度测试单元、51-温度传感器、52-第一密封圈、53-温度传感器数据线、6-压力测试单元、61-压力传感器、62-第二密封圈、63-压力传感器数据线、7-测试样品。
具体实施方式
17.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
18.如图1所示，本实用新型提供一种体积变形测量系统，包括上位机、三轴压力试验机以及测量装置，所述测量装置内设有与上位机通信相连的温度测试单元5和压力测试单元6，实验时，在测量装置内注入惰性气体并密封装载测试样品7，通过三轴压力试验机对测量装置施加围压(中主应力与小主应力方向)和轴向压力(大主应力方向)，使测试样品7产生形变并最终发生破坏，上位机实时采集测量装置内惰性气体承受的压力值和温度值，通过理想气体状态方程推算出惰性气体实时体积值，继而推算出测试样品7的体积值，根据测试样品7初始体积值得出其任意时刻的体积应变。本实用新型的一种体积变形测量系统，通过测量惰性气体体积变化倒推测试样品7的体积变形，能实时检测出试样品7整体体积变形，整体测试系统原理简单明了，测试精度高，操作步骤简单，实验成本低，易于推广。
19.在本实用新型实施例中，所述测量装置包括测试盒1，以及设于测试盒1底部的气嘴3，分别设于测试盒1两侧的温度测试单元5和压力测试单元6。
20.所述测试盒1采用耐高压橡胶材质制成，可根据测试样品7需求制成筒状结构或盒状结构的密封容器，其内设有空腔部11，所述空腔部11容积大于测试样品7，用于装载测试样品7；所述测试盒1顶部设有顶部开口12，用于通过试样品7使其进入空腔部11内；进一步
地，为确保测试时空腔部11处于密封状态，在注入惰性气体后，采用高强度胶水将封隔条2粘贴设于顶部开口12上，对空腔部11进行密封处理。
21.所述气嘴3用于注入惰性气体，在完成测试样品7的装载后，通过注入惰性气体将空腔部11内的空气排空，避免空气中含有杂质影响测试精度。所述气嘴3上还设有气嘴盖4，完成惰性气体注入后将气嘴3进一步密封，防止气体泄露。
22.所述温度测试单元5包括温度传感器51、第一密封圈52及温度传感器数据线53，其中温度传感器51粘贴设于测试盒1内壁面上，温度传感器数据线53穿过设于测试盒1侧壁上的第一密封圈52与上位机通信连接。
23.所述压力测试单元包括压力传感器61、第二密封圈62及压力传感器数据线63，其中压力传感器61粘贴设于测试盒1内壁面上，压力传感器数据线63穿过设于测试盒1侧壁上的第二密封圈62与上位机通信连接。
24.本实用新型的体积变形测量系统应用于实验中，采用岩石作为测试样品7的一个实施例，其具体的测量步骤如下：
25.a.将温度传感器51与压力传感器61安装在试盒1内侧壁，并通过在侧壁上的开孔将数据传输线引出，并在侧壁开孔处安装密封圈；
26.b.通过向试盒1内注水的方法，测量试盒1腔室体积为v
腔
；
27.c.岩石试件加工成标准圆柱形，测量其直径与高度计算得到岩石试件的初始体积为v
岩0
，将岩石试件通过试盒1顶部开口12处放置在空腔部11内；
28.d.通过气嘴3往空腔部11注满惰性气体，采用高强度胶水将封隔条2粘贴设于顶部开口12上，对空腔部11进行密封处理，将与温度传感器51和压力传感器61相连接的数据传输线分别与上位机连接，并记录温度传感器51的初始值t0,压力传感器61的初始值p0；
29.e.将测试盒1安装在三轴压力试验机的实验台上，操作三轴压力试验机，对测试盒1施加围压压力，在围岩压力的作用下，测试盒1内部的惰性气体会被压缩，当围压压力加至目标值时，通过温度传感器51以及压力传感器61测量此时的温度及压力分别为t1和p1，通过理想气体状态方程(式(1))推出此时岩石试件的体积v
岩1
为：
[0030][0031][0032]
f.式(2)中v
腔
是通过注水法进行测量的，存在一定误差。一般在对试样施加围压阶段，试件产生的体积变形很小，可不予考虑。因此可以假设v
岩1
＝v
岩0
，代入式(2)，计算得到v
腔0
，并以此作为注水法测量v
腔
的修正值；
[0033]
g.围压施加完成后，由于力的平衡，空腔部11惰性气体承受的压力与围压始终相当，可认为此后空腔部11的体积v
腔0
保持不变。继续操作三轴压力试验机对岩石试件施加轴向荷载，直至岩石发生破坏；
[0034]
h.在轴向荷载的加载过程中，可对测试盒1内部的t
t
和p
t
进行实时测量，并记录所
有数据。通过理想气体状态方程可计算任一时刻的岩石试件体积v
岩t
：
[0035][0036]
i.则任意时刻的体积应变εv可按式(4)进行计算。
[0037][0038]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。