一種巖石試樣體積變形測量裝置及測量方法
【專利摘要】一種巖石試樣體積變形測量裝置及測量方法，屬于巖石力學測試【技術領域】。本發明包括大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元，大、中主應力測量單元均通過LVDT位移傳感器的鐵芯與觸針相接觸測量；小主應力測量單元的LVDT位移傳感器通過支臂及磁鐵固定，LVDT位移傳感器的鐵芯通過另一組支臂及磁鐵固定。本發明摒棄了傳統的采用應變片配合應變式傳感器的測量方式，利用LVDT位移傳感器進行測量，由于LVDT位移傳感器具有無摩擦測量、理論上無限的壽命、無限的分辨率及環境適應性強的優點，使本發明的裝置具有受溫度影響小、測量精度高及測量穩定性高的特點，成本更加適中，結構簡單且方便安裝，更容易推廣使用。
【專利說明】一種巖石試樣體積變形測量裝置及測量方法【技術領域】
[0001]本發明屬于巖石力學測試【技術領域】，特別是涉及一種巖石試樣體積變形測量裝置及測量方法，具體用于硬巖真三軸試驗中的巖石試樣體積變形的測量。
【背景技術】
[0002]現階段，通過硬巖真三軸試驗機進行巖石試樣體積變形的測量(大主應力及中主應力方向采用剛性加載，小主應力方向采用液壓油柔性加載)，最常采用的是應變片配合應變式傳感器的測量方式，但是采用應變片配合應變式傳感器進行測量仍存在以下無法克服的缺點:
[0003]1、應變片具有測量局部性，應變片的變形信息只能反映巖石試樣局部的變形特征，對于巖石試樣整體變形的反應能力差。
[0004]2、應變片的變形容易受到溫度的影響，導致應變片的變形不準確，進而影響試驗結果的準確性。
[0005]3、由于應變片是直接緊貼在巖石試樣表面的，則應變片的信號傳輸導線需要穿過密封膠，在高油壓下會導致漏油現象，從而影響試驗結果的準確性。
[0006]4、應變式傳感器在使用一段時間后需要進行標定，工作量非常大，由于長期使用還會導致傳感器出現變形疲勞，造成傳感器的測量精度不高，測量穩定性差，而采用特種材料和工藝制造的傳感器，價格極其昂貴，很難推廣使用。
【發明內容】
`[0007]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種受溫度影響小、測量精度高、測量穩定性高、成本適中及安裝方便的巖石試樣體積變形測量裝置及測量方法。
[0008]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種巖石試樣體積變形測量裝置，包括大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元；
[0009]所述大主應力測量單元包括第一 LVDT位移傳感器及第一觸針，所述第一 LVDT位移傳感器通過第一傳感器支座安裝在承壓墊塊上，第一觸針通過第一觸針支座安裝在承壓墊塊上，第一觸針與第一 LVDT位移傳感器的第一鐵芯相接觸；
[0010]所述中主應力測量單元包括第二 LVDT位移傳感器及第二觸針，所述第二 LVDT位移傳感器通過第二傳感器支座安裝在承壓墊塊上，第二觸針通過第二觸針支座安裝在承壓墊塊上，第二觸針與第二 LVDT位移傳感器的第二鐵芯相接觸；
[0011]所述小主應力測量單元包括第三LVDT位移傳感器、第一支臂、第二支臂、第一磁鐵、第二磁鐵、第三磁鐵及第四磁鐵，所述第三LVDT位移傳感器安裝在第一支臂的一端，第一磁鐵固裝在第一支臂的另一端，所述第二磁鐵設置在巖石試樣前表面，第一磁鐵與第二磁鐵相對應；所述第三LVDT位移傳感器的第三鐵芯與第二支臂的一端相連接，第三磁鐵固裝在第二支臂的另一端，所述第四磁鐵設置在巖石試樣后表面，第三磁鐵與第四磁鐵相對應；[0012]所述大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元在小主應力方向上彼此之間留有安全間隙；
[0013]所述第一 LVDT位移傳感器、第二 LVDT位移傳感器及第三LVDT位移傳感器均通過數據傳輸線與數據采集器相連接，數據采集器與主計算機相連接。
[0014]所述第一鐵芯和第二鐵芯的外端均為圓盤形結構，第一觸針和第二觸針的觸頭端均為弧面結構。
[0015]所述數據采集器選用DOL1-EDC控制器。
[0016]采用所述的巖石試樣體積變形測量裝置的測量方法，包括如下步驟:
[0017]步驟一:通過夾具將巖石試樣和四塊承壓墊塊預裝配夾緊，對巖石試樣涂抹密封膠并安裝第二磁鐵和第四磁鐵，第二磁鐵、第四磁鐵分別位于巖石試樣的前、后表面，且第二磁鐵、第四磁鐵的中心與巖石試樣前、后表面的中心相重合，密封膠表面與第二、第四磁鐵外表面齊平；
[0018]步驟二:將涂膠完成后的巖石試樣送入烘干箱內烘干，將烘干后的巖石試樣取出，并在四塊承壓墊塊上分別安裝第一傳感器支座、第一觸針支座、第二傳感器支座及第二觸針支座；
[0019]步驟三:將第三LVDT位移傳感器安裝到第一支臂上，通過第一磁鐵與第二磁鐵相吸合，使第一支臂固定在巖石試樣前表面上方；通過第三磁鐵與第四磁鐵相吸合，使第二支臂固定在巖石試樣后表面上方，再將第二支臂與第三LVDT位移傳感器的第三鐵芯相連接；在一個承壓墊塊上設置限位銷，令第一、第二支臂緊靠在限位銷上；
[0020]步驟四:將第二 LVDT位移傳感器安裝到第二傳感器支座上，將第二觸針安裝到第二觸針支座上，令第二觸針與第二 LVDT位移傳感器的第二鐵芯相接觸；
[0021]步驟五:將第一 LVDT位移傳感器安裝到第一傳感器支座上，將第一觸針安裝到第一觸針支座上，令第一觸針與第一 LVDT位移傳感器的第一鐵芯相接觸；
[0022]步驟六:將安裝完LVDT位移傳感器的巖石試樣送入硬巖真三軸試驗機的壓力室內，依次將第一、第二、第三LVDT位移傳感器的數據傳輸線與壓力室內的對應數據端口相連接，壓力室內的對應數據端口與數據采集器相連接，數據采集器與主計算機相連接；
[0023]步驟七:啟動主計算機，查看第一、第二、第三LVDT位移傳感器的信號是否接受正常，微調各個LVDT位移傳感器的位置及觸針的伸長量，使各個LVDT位移傳感器均位于試驗量程范圍內；
[0024]步驟八:封閉壓力室，充油加壓，完成大主應力、中主應力及小主應力方向的真三軸加載，并記錄下試驗數據，此時巖石試樣體積變形的測量過程結束。
[0025]本發明的有益效果:
[0026]本發明與現有技術相比，摒棄了傳統的采用應變片配合應變式傳感器的測量方式，轉而利用LVDT位移傳感器進行測量，由于LVDT位移傳感器具有無摩擦測量、理論上無限的壽命、無限的分辨率及環境適應性強的優點，使本發明的裝置具有了受溫度影響小、測量精度高及測量穩定性高的特點，同時在成本上更加適中，結構上簡單且方便安裝，更容易推廣使用。
【專利附圖】
【附圖說明】[0027]圖1為本發明的一種巖石試樣體積變形測量裝置的裝配示意圖；
[0028]圖2為圖1的仰視圖；
[0029]圖3為實施例中巖石試樣的應力應變曲線圖；
[0030]圖中，I一第一 LVDT位移傳感器，2—第一鐵芯，3—第一觸針，4一第一傳感器支座，5—第一觸針支座，6—第二 LVDT位移傳感器，7—第二鐵芯，8—第二觸針，9一第二傳感器支座，10—第二觸針支座，11 一第三LVDT位移傳感器，12—第一支臂，13—第二支臂，14 一第二鐵芯，15 一第一磁鐵，16—第二磁鐵，17 一第二磁鐵，18 一第四磁鐵，19 一密封月父，20一巖石試樣，21 一限位銷。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0032]如圖1、2所示，一種巖石試樣體積變形測量裝置，包括大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元；
[0033]所述大主應力測量單元包括第一 LVDT位移傳感器I及第一觸針3，所述第一 LVDT位移傳感器I通過第一傳感器支座4安裝在承壓墊塊上，第一觸針3通過第一觸針支座5安裝在承壓墊塊上，第一觸針3與第一 LVDT位移傳感器I的第一鐵芯2相接觸；
[0034]所述中主應力測量單元包括第二 LVDT位移傳感器6及第二觸針8，所述第二 LVDT位移傳感器6通過第二傳感器支座9安裝在承壓墊塊上，第二觸針8通過第二觸針支座10安裝在承壓墊塊上，第二觸針8與第二 LVDT位移傳感器6的第二鐵芯7相接觸；
[0035]所述小主應力測量單元包括第三LVDT位移傳感器11、第一支臂12、第二支臂13、第一磁鐵15、第二磁鐵16、第三磁鐵17及第四磁鐵18，所述第三LVDT位移傳感器11安裝在第一支臂12的一端，第一磁鐵15固裝在第一支臂12的另一端，所述第二磁鐵16設置在巖石試樣20前表面,第一磁鐵15與第二磁鐵16相對應；所述第三LVDT位移傳感器11的第三鐵芯14與第二支臂13的一端相連接，第三磁鐵17固裝在第二支臂13的另一端，所述第四磁鐵18設置在巖石試樣20后表面,第三磁鐵17與第四磁鐵18相對應；
[0036]所述大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元在小主應力方向上彼此之間留有安全間隙；
[0037]所述第一 LVDT位移傳感器1、第二 LVDT位移傳感器6及第三LVDT位移傳感器11均通過數據傳輸線與數據采集器相連接，數據采集器與主計算機相連接。
[0038]所述第一鐵芯2和第二鐵芯7的外端均為圓盤形結構，第一觸針3和第二觸針8的觸頭端均為弧面結構，保證了巖石試樣變形過程中觸針與鐵芯能夠始終緊密接觸，不會因為巖石試樣的變形而彼此脫離。
[0039]所述數據采集器選用DOL1-EDC控制器。
[0040]采用所述的巖石試樣體積變形測量裝置的測量方法，包括如下步驟:
[0041]步驟一:通過夾具將巖石試樣20 (尺寸為50X50X IOOmm的花崗巖試樣)和四塊承壓墊塊預裝配夾緊，對巖石試樣20涂抹密封膠19并安裝第二磁鐵16和第四磁鐵18，第二磁鐵16、第四磁鐵18分別位于巖石試樣20的前、后表面,且第二磁鐵16、第四磁鐵18的中心與巖石試樣20前、后表面的中心(安裝磁鐵前進行測量標記)相重合,密封膠19表面與第二、第四磁鐵外表面齊平；[0042]步驟二:將涂膠完成后的巖石試樣20送入烘干箱內烘干，將烘干后的巖石試樣20取出，并在四塊承壓墊塊上分別安裝第一傳感器支座4、第一觸針支座5、第二傳感器支座9及第二觸針支座10 ；
[0043]步驟三:將第三LVDT位移傳感器11安裝到第一支臂12上，通過第一磁鐵15與第二磁鐵16相吸合,使第一支臂12固定在巖石試樣20前表面上方；通過第三磁鐵17與第四磁鐵18相吸合，使第二支臂13固定在巖石試樣20后表面上方，再將第二支臂13與第三LVDT位移傳感器11的第三鐵芯14相連接；在一個承壓墊塊上設置限位銷21，令第一、第二支臂緊靠在限位銷21上，以防止第三LVDT位移傳感器11發生位移；
[0044]步驟四:將第二 LVDT位移傳感器6安裝到第二傳感器支座9上，將第二觸針8安裝到第二觸針支座10上，令第二觸針8與第二 LVDT位移傳感器6的第二鐵芯7相接觸；
[0045]步驟五:將第一 LVDT位移傳感器I安裝到第一傳感器支座4上，將第一觸針3安裝到第一觸針支座5上，令第一觸針3與第一 LVDT位移傳感器I的第一鐵芯2相接觸；
[0046]步驟六:將安裝完LVDT位移傳感器的巖石試樣20送入硬巖真三軸試驗機的壓力室內，依次將第一、第二、第三LVDT位移傳感器的數據傳輸線與壓力室內的對應數據端口相連接，壓力室內的對應數據端口與數據采集器相連接，數據采集器與主計算機相連接；
[0047]步驟七:啟動主計算機，查看第一、第二、第三LVDT位移傳感器的信號是否接受正常，微調各個LVDT位移傳感器的位置及觸針的伸長量，使各個LVDT位移傳感器均位于試驗量程范圍內，且各個LVDT位移傳感器的測量誤差均在±0.1%以內；
[0048]步驟八:封閉壓力室，充油加壓，完成大主應力、中主應力及小主應力方向的真三軸加載，并記錄下試驗數據，此時巖石試樣體積變形的測量過程結束，如圖3所示，為本實施例中巖石試樣的應力應變曲線圖。
【權利要求】
1.一種巖石試樣體積變形測量裝置，其特征在于:包括大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元； 所述大主應力測量單元包括第一 LVDT位移傳感器及第一觸針，所述第一 LVDT位移傳感器通過第一傳感器支座安裝在承壓墊塊上，第一觸針通過第一觸針支座安裝在承壓墊塊上，第一觸針與第一 LVDT位移傳感器的第一鐵芯相接觸； 所述中主應力測量單元包括第二 LVDT位移傳感器及第二觸針，所述第二 LVDT位移傳感器通過第二傳感器支座安裝在承壓墊塊上，第二觸針通過第二觸針支座安裝在承壓墊塊上，第二觸針與第二 LVDT位移傳感器的第二鐵芯相接觸； 所述小主應力測量單元包括第三LVDT位移傳感器、第一支臂、第二支臂、第一磁鐵、第二磁鐵、第三磁鐵及第四磁鐵，所述第三LVDT位移傳感器安裝在第一支臂的一端，第一磁鐵固裝在第一支臂的另一端，所述第二磁鐵設置在巖石試樣前表面，第一磁鐵與第二磁鐵相對應；所述第三LVDT位移傳感器的第三鐵芯與第二支臂的一端相連接，第三磁鐵固裝在第二支臂的另一端，所述第四磁鐵設置在巖石試樣后表面，第三磁鐵與第四磁鐵相對應； 所述大主應力測量單元、中主應力測量單元及小主應力測量單元在小主應力方向上彼此之間留有安全間隙； 所述第一 LVDT位移傳感器、第二 LVDT位移傳感器及第三LVDT位移傳感器均通過數據傳輸線與數據采集器相連接，數據采集器與主計算機相連接。
2.根據權利要求 1所述的一種巖石試樣體積變形測量裝置，其特征在于:所述第一鐵芯和第二鐵芯的外端均為圓盤形結構，第一觸針和第二觸針的觸頭端均為弧面結構。
3.根據權利要求1所述的一種巖石試樣體積變形測量裝置，其特征在于:所述數據采集器選用DOL1-EDC控制器。
4.采用權利要求1所述的巖石試樣體積變形測量裝置的測量方法，包括如下步驟: 步驟一:通過夾具將巖石試樣和四塊承壓墊塊預裝配夾緊，對巖石試樣涂抹密封膠并安裝第二磁鐵和第四磁鐵，第二磁鐵、第四磁鐵分別位于巖石試樣的前、后表面，且第二磁鐵、第四磁鐵的中心與巖石試樣前、后表面的中心相重合，密封膠表面與第二、第四磁鐵外表面齊平； 步驟二:將涂膠完成后的巖石試樣送入烘干箱內烘干，將烘干后的巖石試樣取出，并在四塊承壓墊塊上分別安裝第一傳感器支座、第一觸針支座、第二傳感器支座及第二觸針支座； 步驟三:將第三LVDT位移傳感器安裝到第一支臂上，通過第一磁鐵與第二磁鐵相吸合，使第一支臂固定在巖石試樣前表面上方；通過第三磁鐵與第四磁鐵相吸合，使第二支臂固定在巖石試樣后表面上方，再將第二支臂與第三LVDT位移傳感器的第三鐵芯相連接；在一個承壓墊塊上設置限位銷，令第一、第二支臂緊靠在限位銷上； 步驟四:將第二 LVDT位移傳感器安裝到第二傳感器支座上，將第二觸針安裝到第二觸針支座上，令第二觸針與第二 LVDT位移傳感器的第二鐵芯相接觸； 步驟五:將第一 LVDT位移傳感器安裝到第一傳感器支座上，將第一觸針安裝到第一觸針支座上，令第一觸針與第一 LVDT位移傳感器的第一鐵芯相接觸； 步驟六:將安裝完LVDT位移傳感器的巖石試樣送入硬巖真三軸試驗機的壓力室內，依次將第一、第二、第三LVDT位移傳感器的數據傳輸線與壓力室內的對應數據端口相連接，壓力室內的對應數據端口與數據采集器相連接，數據采集器與主計算機相連接； 步驟七:啟動主計算機，查看第一、第二、第三LVDT位移傳感器的信號是否接受正常，微調各個LVDT位移傳感器的位置及觸針的伸長量，使各個LVDT位移傳感器均位于試驗量程范圍內； 步驟八:封閉壓力室,充油加壓,完成大主應力、中主應力及小主應力方向的真三軸加載，并記錄下試驗數據，此·時巖石試樣體積變形的測量過程結束。
【文檔編號】G01B7/16GK103822573SQ201410068145
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月27日 優先權日:2014年2月27日
【發明者】張希巍, 馮夏庭, 徐荃, 楊成祥, 孔瑞 申請人:東北大學
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