真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)技術(shù)方案

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，它的真三軸試驗(yàn)裝置具有六面加壓單元，每一面加壓單元與巖塊的對應(yīng)面之間設(shè)置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器，至少一個(gè)超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器的通信端連接多通道超聲波探傷儀的信號(hào)輸出端，其余的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器的通信端通過信號(hào)分流器分別連接多通道超聲波探傷儀的信號(hào)輸入端和聲發(fā)射儀的信號(hào)接收端，聲發(fā)射儀和多通道超聲波探傷儀均連接電腦。本實(shí)用新型專利技術(shù)能對同一個(gè)巖塊進(jìn)行超聲波和聲發(fā)射測試，可以為認(rèn)識(shí)巖石的變形、破損規(guī)律與力學(xué)機(jī)制提供更為全面的數(shù)據(jù)信息，避免了不同巖塊自身的差異對測試結(jié)果所帶來的不利影響。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及巖石破壞試驗(yàn)
，具體涉及一種真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
聲發(fā)射是材料中由局部應(yīng)力集中源的能量迅速釋放而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波，聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，各種材料聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍很寬，從幾Hz的次聲頻、20Hz 20K Hz的聲頻到數(shù)MHz的超聲頻；聲發(fā)射信號(hào)幅度的變化范圍也很大，從IOm的微觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到Im量級的地震波。如果聲發(fā)射釋放的應(yīng)變能足夠大，就可產(chǎn)生人耳聽得見的聲音。大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來。二十世紀(jì)七十年代初，聲發(fā)射技術(shù)的研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向現(xiàn)場。二十世紀(jì)八十年代初，美國PAC公司將現(xiàn)代微處理計(jì)算機(jī)技術(shù)引入聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了體積和重量較小的第二代源定位聲發(fā)射檢測儀器，并開發(fā)了一系列多功能高級檢測和數(shù)據(jù)分析軟件。進(jìn)入九十年代，美國PAC公司、美國DW公司、德國Vallen Systeme公司和中國的鵬翔科技有限公司先后分別開發(fā)生產(chǎn)了計(jì)算機(jī)化程度更高、體積和重量更小的第三代數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)，這些系統(tǒng)除能進(jìn)行聲發(fā)射參數(shù)實(shí)時(shí)測量和聲發(fā)射源定位外，還可直接進(jìn)行聲發(fā)射波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析。目前人們已將聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工工業(yè)、電力工業(yè)、材料試驗(yàn)、民用工程、航天航空工業(yè)、金屬加工、交通運(yùn)輸業(yè)以及其他一些行業(yè)。超聲波是頻率高于20KHz的聲波，由于超聲波頻率很高，波長很短，因而在傳播過程中沒有衍射現(xiàn)象干擾，所以在測試時(shí)波傳播的直進(jìn)性較好，方向性較強(qiáng)，增大了試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性。第二，由于不同媒介對超聲波的吸收能力不同，氣體對超聲波的吸收能力很強(qiáng)，超聲波在氣體中幾乎不能傳播，固體的吸收能力則很弱。根據(jù)這一原理利用超聲波在有微裂紋的巖樣中傳播時(shí)間和速度的差別，研究各種巖樣在壓縮過程中裂紋的擴(kuò)展和體積變化情況。超聲波最初用于醫(yī)學(xué)方面的診斷，后來經(jīng)過發(fā)展成為地下工程探測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、工程無損檢測等的一種重要手段。非金屬超聲波探傷儀廣泛用于混凝土和巖土材料強(qiáng)度、厚度、均勻性、損傷等方面的檢測，但超聲波測試的控制系統(tǒng)多為手動(dòng)控制，也即達(dá)到某一狀態(tài)后手動(dòng)開啟發(fā)射和接收，這對于試驗(yàn)過程中加卸載速率比較高的試驗(yàn)是難以滿足要求的，并且多為一發(fā)一收或一發(fā)雙收。計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和自動(dòng)化的發(fā)展使得多通道超聲波探傷儀的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，并在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用，這就為本技術(shù)提供了有力的技術(shù)支撐。國內(nèi)外已將超聲波或聲發(fā)射測試技術(shù)應(yīng)用到巖石材料相關(guān)的試驗(yàn)中，并做了大量的分析工作。但是到目前為止，多數(shù)為單獨(dú)使用，即便聯(lián)合使用也僅是單獨(dú)分開采用兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試，即一個(gè)巖塊進(jìn)行超聲波測試，另一個(gè)巖塊進(jìn)行聲發(fā)射測試，并未做到真正的耦合測試，且僅僅用于常規(guī)的單軸試驗(yàn)中，而在三軸以及真三軸試驗(yàn)中至今尚未見到相關(guān)報(bào)道。另外，聲發(fā)射檢測主要用于巖石材料，在試驗(yàn)過程中缺陷隨載荷、時(shí)間等外變量而變化的時(shí)實(shí)或連續(xù)信息，同時(shí)，它目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強(qiáng)度，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴于其它無損檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的是針對上述技術(shù)問題，提供一種真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對同一個(gè)巖塊進(jìn)行超聲波和聲發(fā)射測試，可以為認(rèn)識(shí)巖石的變形、破損規(guī)律與力學(xué)機(jī)制提供更為全面的數(shù)據(jù)信息，避免了不同巖塊自身的差異對測試結(jié)果所帶來的不利影響。為實(shí)現(xiàn)此目的，本技術(shù)所設(shè)計(jì)的真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，包括真三軸試驗(yàn)裝置、電腦和聲發(fā)射儀，其特征在于它還包括超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器、多通道超聲波探傷儀和信號(hào)分流器，其中，所述真三軸試驗(yàn)裝置具有六面加壓單元，每一面加壓單元與巖塊的對應(yīng)面之間設(shè)置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器，至少一個(gè)超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器的通信端連接多通道超聲波探傷儀的信號(hào)輸出端，其余的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器的通信端通過信號(hào)分流器分別連接多通道超聲波探傷儀的信號(hào)輸入端和聲發(fā)射儀的信號(hào)接收端，所述聲發(fā)射儀和多通道超聲波探傷儀均連接電腦。所述每一面加壓單元與巖塊的對應(yīng)面之間均設(shè)有加載鋼板，所述加載鋼板上開設(shè)有換能器安裝孔，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器設(shè)置在換能器安裝孔內(nèi)，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器通過彈簧與換能器安裝孔的底部連接，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器與加載鋼板垂直布置。所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器與巖塊之間采用黃油或凡士林耦合。所述換能器安裝孔的底部固定有剛性墊片，超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器的底部固定有柔性墊片，所述彈簧設(shè)置在剛性墊片和柔性墊片之間，所述加載鋼板上還設(shè)有與換能器安裝孔連通的換能器布線孔。上述技術(shù)方案中，它還包括信號(hào)放大器，所述信號(hào)分流器通過信號(hào)放大器連接聲發(fā)射儀的信號(hào)接收端。所述多個(gè)超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器成空間分布。本技術(shù)采用在加載鋼板上布置換能器放置孔的方案，保證了超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器在試驗(yàn)過程中始終和巖塊接觸，同時(shí)防止巖塊劇烈破壞對換能器的損害，起到保護(hù)換能器的作用。這種換能器加載裝置的設(shè)計(jì)在不影響試件均勻受力的同時(shí)又可保障換能器正常工作。在換能器的布置時(shí)，換能器布置在試樣不同表面且其連線不能位于同一個(gè)平面內(nèi)，以確保聲發(fā)射的空間定位。采用超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器，提高了換能器的利用率。信號(hào)線采用雙層線，避免外面電磁信號(hào)，尤其是交流電的干擾。與換能器相連的信號(hào)線從換能器加載裝置的出線孔導(dǎo)出，并與多通道信號(hào)分流器相連，確保了超聲波與聲發(fā)射信號(hào)的正常傳輸和接收。本技術(shù)解決了真三軸試驗(yàn)中換能器安全放置與合理布置以及聲發(fā)射和超聲波耦合測試等問題，對同一個(gè)巖塊進(jìn)行測試，可以為認(rèn)識(shí)巖石的變形、破損規(guī)律與力學(xué)機(jī)制提供更為全面的數(shù)據(jù)信息，避免了不同巖塊自身的差異對測試結(jié)果所帶來的不利影響。本技術(shù)通過設(shè)置聲發(fā)射耦合測試換能器、多通道超聲波探傷儀和聲發(fā)射儀，使得本系統(tǒng)利用上述方法能獲得試驗(yàn)過程中巖塊裂隙的閉合、開裂、貫通和貫通后摩擦表現(xiàn)出的聲發(fā)射的撞擊數(shù)、位置、頻率、幅值、能量等隨時(shí)間的變化特征以及巖塊多個(gè)測點(diǎn)間波速、波幅、波長等隨時(shí)間的變化特征，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線，可準(zhǔn)確識(shí)別巖石裂紋起裂強(qiáng)度、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展強(qiáng)度以及巖石破損演化的規(guī)律。為認(rèn)識(shí)巖塊的變形、破損規(guī)律與力學(xué)機(jī)制提供了更為全面的數(shù)據(jù)信息。另外，本技術(shù)技術(shù)方案簡潔，測試手段可靠，可以從同一個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測更多的信息，對巖石破裂機(jī)制獲得更全面的認(rèn)識(shí)。對不同尺寸巖石的測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，該裝置與系統(tǒng)在室內(nèi)和室外真三軸試驗(yàn)中均可使用，可廣泛應(yīng)用于水利水電工程、交通工程、礦業(yè)工程、能源地下儲(chǔ)存等工程巖石力學(xué)問題的研究，也可用于地震發(fā)生機(jī)制及預(yù)測預(yù)報(bào)等相關(guān)研究。附圖說明圖1為本技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本技術(shù)中加壓單元、加載鋼板和巖塊部分的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I一真三軸試驗(yàn)裝置、1.1一加壓單元、2 —電腦、3—聲發(fā)射儀、4一加載鋼板、5—超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器、6—多通道超聲波探傷儀、7—信號(hào)分流器、8—巖塊、9一換能器安裝孔、10—彈簧、11一剛性墊片、12—柔性墊片、13—信號(hào)放大器、14一換能器布線孔。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明如圖1和2所示本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，包括真三軸試驗(yàn)裝置（1）、電腦（2）和聲發(fā)射儀（3），其特征在于：它還包括超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器（5）、多通道超聲波探傷儀（6）和信號(hào)分流器（7），其中，所述真三軸試驗(yàn)裝置（1）具有六面加壓單元(1.1)，每一面加壓單元(1.1)與巖塊（8）的對應(yīng)面之間設(shè)置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器（5），至少一個(gè)超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器（5）的通信端連接多通道超聲波探傷儀（6）的信號(hào)輸出端，其余的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器（5）的通信端通過信號(hào)分流器（7）分別連接多通道超聲波探傷儀（6）的信號(hào)輸入端和聲發(fā)射儀（3）的信號(hào)接收端，所述聲發(fā)射儀（3）和多通道超聲波探傷儀（6）均連接電腦（2）。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，包括真三軸試驗(yàn)裝置(I)、電腦(2)和聲發(fā)射儀(3)，其特征在于它還包括超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)、多通道超聲波探傷儀(6)和信號(hào)分流器(7)，其中，所述真三軸試驗(yàn)裝置(I)具有六面加壓單元(1. 1)，每一面加壓單元(1.1)與巖塊(8)的對應(yīng)面之間設(shè)置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)，至少一個(gè)超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)的通信端連接多通道超聲波探傷儀(6)的信號(hào)輸出端，其余的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)的通信端通過信號(hào)分流器(7)分別連接多通道超聲波探傷儀(6)的信號(hào)輸入端和聲發(fā)射儀(3)的信號(hào)接收端，所述聲發(fā)射儀(3)和多通道超聲波探傷儀(6)均連接電腦(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真三軸試驗(yàn)超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，其特征在于所述每一面加壓單元(1.1)與巖塊(8)的對應(yīng)面之間均設(shè)有加載鋼板(4)，所述加載鋼板(4)上開設(shè)有換能器安裝孔(9)，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)設(shè)置在換能器安裝孔(9) 內(nèi)，所述超...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃書嶺，丁秀麗，鄔愛清，李維樹，段海波，周火明，鐘作武，盧波，董志宏，張雨霆，張練，吳勇進(jìn)，付敬，
申請(專利權(quán))人：長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，
類型：實(shí)用新型
國別省市：