專利名稱：真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)及測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖石破壞試驗技術領域，具體涉及一種真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)及測試方法。
背景技術：
聲發(fā)射是材料中由局部應力集中源的能量迅速釋放而產生的瞬時彈性波，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)射信號幅度的變化范圍也很大，從IOm的微觀位錯運動到Im量級的地震波。如果聲發(fā)射釋放的應變能足夠大，就可產生人耳聽得見的聲音。大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，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。二十世紀七十年代初，聲發(fā)射技術的研究已經從實驗室逐漸走向現(xiàn)場。二十世紀八十年代初，美國PAC公司將現(xiàn)代微處理計算機技術引入聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，設計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)生產了計算機化程度更高、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)除能進行聲發(fā)射參數(shù)實時測量和聲發(fā)射源定位外，還可直接進行聲發(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)射技術廣泛應用于石油化工工業(yè)、電力工業(yè)、材料試驗、民用工程、航天航空工業(yè)、金屬加工、交通運輸業(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，所以在測試時波傳播的直進性較好，方向性較強，增大了試驗的可行性和準確性。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，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間和速度的差別，研究各種巖樣在壓縮過程中裂紋的擴展和體積變化情況。超聲波最初用于醫(yī)學方面的診斷，后來經過發(fā)展成為地下工程探測、地質災害預測、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)多為手動控制，也即達到某一狀態(tài)后手動開啟發(fā)射和接收，這對于試驗過程中加卸載速率比較高的試驗是難以滿足要求的，并且多為一發(fā)一收或一發(fā)雙收。計算機技術的成熟和自動化的發(fā)展使得多通道超聲波探傷儀的發(fā)展已經趨于成熟，并在多個領域已經應用，這就為本發(fā)明提供了有力的技術支撐。國內外已將超聲波或聲發(fā)射測試技術應用到巖石材料相關的試驗中，并做了大量的分析工作。但是到目前為止，多數(shù)為單獨使用，即便聯(lián)合使用也僅是單獨分開采用兩個系統(tǒng)進行測試，即一個巖塊進行超聲波測試，另一個巖塊進行聲發(fā)射測試，并未做到真正的耦合測試，且僅僅用于常規(guī)的單軸試驗中，而在三軸以及真三軸試驗中至今尚未見到相關報道。另外，聲發(fā)射檢測主要用于巖石材料，在試驗過程中缺陷隨載荷、時間等外變量而變化的時實或連續(xù)信息，同時，它目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強度，不能給出聲發(fā)射源內缺陷的性質和大小，仍需依賴于其它無損檢測方法進行復驗。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述技術問題，提供一種真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)及測試方法，該系統(tǒng)和方法能對同一個巖塊進行超聲波和聲發(fā)射測試，可以為認識巖石的變形、破損規(guī)律與力學機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果所帶來的不利影響。為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設計的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，包括真三軸試驗裝置、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分流器，其中，所述真三軸試驗裝置具有六面加壓單元，每一面加壓單元與巖塊的對應面之間設置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器，至少一個超聲波和聲發(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分流器分別連接多通道超聲波探傷儀的信號輸入端和聲發(fā)射儀的信號接收端，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面之間均設有加載鋼板，所述加載鋼板上開設有換能器安裝孔，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器設置在換能器安裝孔內，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，所述彈簧設置在剛性墊片和柔性墊片之間，所述加載鋼板上還設有與換能器安裝孔連通的換能器布線孔。上述技術方案中，它還包括信號放大器，所述信號分流器通過信號放大器連接聲發(fā)射儀的信號接收端。所述多個超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器成空間分布。一種真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，它包括如下步驟步驟I :操作真三軸試驗裝置控制其內部的六面加壓單元對巖塊的六個面施加壓力；步驟2 :多通道超聲波探傷儀控制直接連接的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器向被擠壓的巖塊發(fā)出超聲波探傷信號；步驟3 :與信號分流器連接的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器接收由被擠壓巖塊反射出的超聲波探傷信號和巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號；步驟4 :所述信號分流器將被擠壓巖塊反射出的超聲波探傷信號反饋給多通道超聲波探傷儀，信號分流器同時將巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號發(fā)送給聲發(fā)射儀；步驟5 :所述多通道超聲波探傷儀將超聲波探傷結果傳輸給電腦，聲發(fā)射儀將聲發(fā)射監(jiān)測結果傳輸給電腦，電腦對上述超聲波探傷結果和聲發(fā)射監(jiān)測結果進行綜合分析。所述步驟4中，信號分流器將巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號通過信號放大器放大后發(fā)送給聲發(fā)射儀。所述步驟I之前還包括步驟A :對幾組不同應力路徑的巖塊單獨進行聲發(fā)射測試，一方面用來估計巖塊聲發(fā)射波形的頻率，為了和超聲波信號區(qū)分，在后期數(shù)據(jù)處理的時候避免超聲波信號被當做聲發(fā)射信號處理，另一方面確定干擾的頻率和強度，從而確定信號放大器的放大倍數(shù)和電壓門檻值。所述多通道超聲波探傷儀的測試時間間隔為每0.5MPa測試一次或每2MPa測試一次。本發(fā)明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過程中始終和巖塊接觸，同時防止巖塊劇烈破壞對換能器的損害，起到保護換能器的作用。這種換能器加載裝置的設計在不影響試件均勻受力的同時又可保障換能器正常工作。在換能器的布置時，換能器布置在試樣不同表面且其連線不能位于同一個平面內，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。信號線采用雙層線，避免外面電磁信號，尤其是交流電的干擾。與換能器相連的信號線從換能器加載裝置的出線孔導出，并與多通道信號分流器相連，確保了超聲波與聲發(fā)射信號的正常傳輸和接收。本發(fā)明解決了真三軸試驗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，對同一個巖塊進行測試，可以為認識巖石的變形、破損規(guī)律與力學機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果所帶來的不利影響。本發(fā)明通過設置聲發(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、能量等隨時間的變化特征以及巖塊多個測點間波速、波幅、波長等隨時間的變化特征，結合應力應變隨時間的變化曲線，可準確識別巖石裂紋起裂強度、裂紋失穩(wěn)擴展強度以及巖石破損演化的規(guī)律。為認識巖塊的變形、破損規(guī)律與力學機制提供了更為全面的數(shù)據(jù)信息。另外，本發(fā)明技術方案簡潔，測試手段可靠，可以從同一個試驗監(jiān)測更多的信息，對巖石破裂機制獲得更全面的認識。對不同尺寸巖石的測點進行優(yōu)化，該裝置與系統(tǒng)在室內和室外真三軸試驗中均可使用，可廣泛應用于水利水電工程、交通工程、礦業(yè)工程、能源地下儲存等工程巖石力學問題的研究，也可用于地震發(fā)生機制及預測預報等相關研究。


圖I為本發(fā)明的整體結構框圖；圖2為本發(fā)明中加壓單元、加載鋼板和巖塊部分的結構示意圖；其中，I一真三軸試驗裝置、I. I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—信號放大器、14一換能器布線孔。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明
如圖I和2所示的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，包括真三軸試驗裝置I、電腦2、聲發(fā)射儀3、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和信號分流器7，其中，所述真三軸試驗裝置I具有六面加壓單元I. I，每一面加壓單元I. I與巖塊8的對應面之間設置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5，至少一個超聲波和聲發(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的通信端通過信號分流器7分別連接多通道超聲波探傷儀6的信號輸入端和聲發(fā)射儀3的信號接收端，聲發(fā)射儀3和多通道超聲波探傷儀6均連接電腦2。上述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5為市場購買，其傳感器技術參數(shù)選擇為帶寬10(T500kHz，諧振頻率400kHz，靈敏度大于65dB。上述技術方案中，每一面加壓單元I. I與巖塊8的對應面之間均設有加載鋼板4，加載鋼板4上開設有換能器安裝孔9，換能器安裝孔9內設有超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5，超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5通過彈簧10與換能器安裝孔9的底部連接，超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5與加載鋼板4垂直布置?？紤]到超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5只能承受有限的壓力，不能直接在壓力機荷載下工作，在換能器加載裝置設計時，采用·在加載鋼板4上布置換能器安裝孔9放置換能器的方案。上述技術方案中，超聲波和聲發(fā)射稱合測試換能器5與巖塊8之間米用黃油或凡士林耦合。所述黃油或凡士林作為換能器與巖石之間的耦合劑。上述技術方案中，換能器安裝孔9的底部固定有剛性墊片11,超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5的底部固定有柔性墊片12，剛性墊片11和柔性墊片12之間設置彈簧10，加載鋼板4上還設有與換能器安裝孔9連通的換能器布線孔14。上述換能器安裝孔9與加載鋼板4垂直布置，換能器布線孔14與換能器安裝孔9垂直布置，超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5的電路線從換能器布線孔14中走出，彈簧10單獨對超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5施加推力，彈簧10的一端與剛性墊片11相連放置在換能器安裝孔9底部，彈簧10的另一端通過柔性墊片12對超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5施加較小的推力。上述技術方案中，它還包括信號放大器13，信號分流器7通過信號放大器13連接聲發(fā)射儀3的信號接收端。上述技術方案中，所述多個超聲波和聲發(fā)射稱合測試換能器5成空間分布。超聲波與聲發(fā)射耦合測試換能器5，布置在巖塊的不同側面且其連線不能位于同一個平面內，聲波發(fā)射端與接收端的連線至少有兩條經過主破裂面。上述技術方案中，各個超聲波與聲發(fā)射稱合測試換能器5之間的夾角最好在30°以上。一種利用上述真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)的測試方法，它包括如下步驟步驟I :操作真三軸試驗裝置I控制其內部的六面加壓單元I. I對巖塊的六個面施加壓力；步驟2 :多通道超聲波探傷儀6控制對應的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5向被擠壓的巖塊發(fā)出超聲波探傷信號；步驟3 :與信號分流器7連接的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器5接收由被擠壓巖塊反射出的超聲波探傷信號和巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號；
步驟4 :所述信號分流器7將被擠壓巖塊反射出的超聲波探傷信號反饋給多通道超聲波探傷儀6，信號分流器7同時將巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號發(fā)送給聲發(fā)射儀3 ；
步驟5 :所述多通道超聲波探傷儀6將超聲波探傷結果傳輸給電腦2，聲發(fā)射儀3將聲發(fā)射監(jiān)測結果傳輸給電腦2，電腦2對上述超聲波探傷結果和聲發(fā)射監(jiān)測結果進行綜合分析并進行可視化顯示。 上述技術方案中，步驟4中，信號分流器7將巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號通過信號放大器13放大后發(fā)送給聲發(fā)射儀3。上述技術方案中，步驟I之前還包括步驟A :對幾組不同應力路徑的巖塊單獨進行聲發(fā)射測試，一方面用來估計巖塊聲發(fā)射波形的頻率，為了和超聲波信號區(qū)分，在后期數(shù)據(jù)處理的時候避免超聲波信號被當做聲發(fā)射信號處理，另一方面確定干擾的頻率和強度，從而確定信號放大器13的放大倍數(shù)和電壓門檻值。上述技術方案中，在真三軸試驗裝置I加載速率低時，多通道超聲波探傷儀6的測試時間間隔為每0. 5MPa測試一次，在真三軸試驗裝置I加載速率高時，每2MPa測試一次。本說明書未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
權利要求
1.一種真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，包括真三軸試驗裝置(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)和信號分流器(7)，其中，所述真三軸試驗裝置(I)具有六面加壓單元(I. 1)，每一面加壓單元(I. I)與巖塊(8)的對應面之間設置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)，至少一個超聲波和聲發(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)的通信端通過信號分流器(7)分別連接多通道超聲波探傷儀(6)的信號輸入端和聲發(fā)射儀(3)的信號接收端，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)權利要求I所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，其特征在于所述每一面加壓單元(I. I)與巖塊(8)的對應面之間均設有加載鋼板(4)，所述加載鋼板(4)上開設有換能器安裝孔(9)，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)設置在換能器安裝孔(9)內，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)通過彈簧(10)與換能器安裝孔(9)的底部連接，所述超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)與加載鋼板(4)垂直布置。
3.根據(jù)權利要求2所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波和聲發(fā)射稱合測試換能器(5)與巖塊(8)之間米用黃油或凡士林f禹合。
4.根據(jù)權利要求2所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，其特征在于所述換能器安裝孔(9)的底部固定有剛性墊片(11)，超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)的底部固定有柔性墊片(12)，所述彈簧(10)設置在剛性墊片(11)和柔性墊片(12)之間，所述加載鋼板(4)上還設有與換能器安裝孔(9)連通的換能器布線孔(14)。
5.根據(jù)權利要求I所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，其特征在于它還包括信號放大器(13)，所述信號分流器(7)通過信號放大器(13)連接聲發(fā)射儀(3)的信號接收端。
6.根據(jù)權利要求I所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，其特征在于所述多個超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)成空間分布。
7.一種利用權利要求I所述真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的測試方法包括如下步驟 步驟I:操作真三軸試驗裝置(I)控制其內部的六面加壓單元(I. I)對巖塊的六個面施加壓力； 步驟2 :多通道超聲波探傷儀(6)控制直接連接的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)向被擠壓的巖塊發(fā)出超聲波探傷信號； 步驟3 :與信號分流器(7)連接的超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器(5)接收由被擠壓巖塊反射出的超聲波探傷信號和巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號； 步驟4 :所述信號分流器(7)將被擠壓巖塊反射出的超聲波探傷信號反饋給多通道超聲波探傷儀(6)，信號分流器(7)同時將巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號發(fā)送給聲發(fā)射儀(3)； 步驟5 :所述多通道超聲波探傷儀(6)將超聲波探傷結果傳輸給電腦，聲發(fā)射儀(3)將聲發(fā)射監(jiān)測結果傳輸給電腦，電腦對上述超聲波探傷結果和聲發(fā)射監(jiān)測結果進行綜合分析。
8.根據(jù)權利要求7所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述步驟4中，信號分流器(7)將巖塊被擠壓過程中的聲發(fā)射信號通過信號放大器(13)放大后發(fā)送給聲發(fā)射儀(3)。
9.根據(jù)權利要求8所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述步驟I之前還包括步驟A :對幾組不同應力路徑的巖塊單獨進行聲發(fā)射測試，一方面用來估計巖塊聲發(fā)射波形的頻率，為了和超聲波信號區(qū)分，在后期數(shù)據(jù)處理的時候避免超聲波信號被當做聲發(fā)射信號處理，另一方面確定干擾的頻率和強度，從而確定信號放大器(13)的放大倍數(shù)和電壓門檻值。
10.根據(jù)權利要求7所述的真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述多通道超聲波探傷儀(6)的測試時間間隔為每O. 5MPa測試一次或每2MPa測試一次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真三軸試驗超聲波和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，它的真三軸試驗裝置具有六面加壓單元，每一面加壓單元與巖塊的對應面之間設置超聲波和聲發(fā)射耦合測試換能器，至少一個超聲波和聲發(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分流器分別連接多通道超聲波探傷儀的信號輸入端和聲發(fā)射儀的信號接收端，聲發(fā)射儀和多通道超聲波探傷儀均連接電腦。本發(fā)明能對同一個巖塊進行超聲波和聲發(fā)射測試，可以為認識巖石的變形、破損規(guī)律與力學機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果所帶來的不利影響。
文檔編號G01N3/06GK102954914SQ20121043201
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權日2012年10月31日
發(fā)明者黃書嶺, 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, 付敬 申請人:長江水利委員會長江科學院