專利名稱：巖石體積變形測量傳感器與巖石試件體積變形測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖石性能測試領(lǐng)域，特別涉及一種對巖石試件體積變形進行定量測試的器具與方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有巖石試件的體積變形是利用安裝在巖石試件上的縱向和橫向引伸計，或貼在巖石試件表面的縱向和橫向應(yīng)變片，分別測量其兩個方向的應(yīng)變后，再根據(jù)公式計算出巖石的體積變形。然而，上述測量器具和方法只適用于小變形的硬巖，而對于可發(fā)生大變形的軟巖則無法測量，且上述測量器具和方法測得的僅是巖石中部橫截面對應(yīng)的變形，并不是巖石的真實的體積變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種巖石體積變形測量傳感器與巖石試件體積變形測量方法，以便能獲得巖石試件在試驗過程中體積變形的全過程數(shù)據(jù)，準確測量出巖石真實的體積變形。本發(fā)明所述巖石體積變形測量傳感器，包括測量油缸、活塞、活塞桿、位移傳感器和輸油主管路；活塞位于測量油缸內(nèi)，將測量油缸分為第一腔室和第二腔室，第一腔室設(shè)置有與輸油主管路連接的第一輸油支管，第二腔室設(shè)置有與輸油主管路連接的第二輸油支管，輸油主管路與第一輸油支管的接頭和第二輸油支管的接頭之間設(shè)置有截止閥；活塞桿為兩根，兩活塞桿的一端分別與活塞兩端面的中心部位固連，且它們的中心線與活塞的中心線重合，兩活塞桿的另一端分別從測量油缸兩端的端蓋伸出；位移傳感器安裝在測量油缸的外側(cè)壁上，其位移測量桿的自由端通過連接件與位于輸油主管路出口端的活塞桿連接。本發(fā)明所述的巖石體積變形測量傳感器，其活塞桿的長度應(yīng)大于測量油缸的長度，以滿足測量的需要。本發(fā)明所述的巖石體積變形測量傳感器，其連接件優(yōu)選兩端設(shè)置有連接孔的桿件或條形板。本發(fā)明所述巖石試件體積變形測量方法，使用本發(fā)明所述巖石體積變形測量傳感器，操作如下①將巖石試件安裝在三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的試樣臺上，將所述巖石體積變形測量傳感器的輸油主管路出口端與所述三軸壓力室的輸油管連接，將所述巖石體積變形測量傳感器的輸油主管路進口端與供油油箱連接，將所述巖石體積變形測量傳感器的位移傳感器的信號輸出接口與三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)連接；②開啟所述輸油主管路上設(shè)置的截止閥，使測量油缸的第一腔室、第二腔室及三軸壓力試驗機的三軸壓力室充滿油液；③根據(jù)初步估算的巖石試件可能發(fā)生的最大體積膨脹變形，操作未與位移測量桿連接的活塞桿，將活塞調(diào)至能夠測量巖石試件可能發(fā)生的最大體積膨脹變形相對應(yīng)的位置，然后關(guān)閉輸油主管路上設(shè)置的截止閥；④測量巖石試件的壓縮體積變形時，測量油缸靠近輸油主管路出口端的腔室中的油液連續(xù)輸入三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)，致使活塞向輸油主管路的出口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿向活塞運動的方向運動，在位移測量桿運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的壓縮體積變形；
⑤測量巖石試件的膨脹體積變形時，三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的油液連續(xù)輸入測量油缸靠近輸油主管路出口端的腔室中，致使活塞向輸油主管路的進口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿向活塞運動的方向運動，在位移測量桿運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的膨脹體積變形。從上述方法可以看出，當巖石試件發(fā)生壓縮體積變形時，將導(dǎo)致測量油缸靠近輸油主管路出口端的腔室中的油液減少，從而使靠近輸油主管路出口端的腔室體積減小，當巖石試件發(fā)生膨脹體積變形時，將導(dǎo)致測量油缸靠近輸油主管路出口端的腔室中的油液增力口，從而使靠近輸油主管路出口端的腔室體積增大，而測量油缸靠近輸油主管路出口端腔室體積減小值減去三軸壓力試驗機加載立柱進入三軸壓力室內(nèi)的體積變化值則為巖石試件發(fā)生壓縮體積變形的體積變形值，測量油缸靠近輸油主管路出口端腔室體積增加值減去三軸壓力試驗機加載立柱進入三軸壓力室內(nèi)的體積變化值則為巖石試件發(fā)生膨脹體積變形的體積變形值。根據(jù)上述機理進行軟件設(shè)計并在三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)安裝所述軟件，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)即可根據(jù)位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號記錄并顯示巖石的壓縮體積變形和膨脹體積變形。本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明為巖石試件體積變形的測量提供了一種與現(xiàn)有技術(shù)不同構(gòu)思的新方法與新測量儀器，本發(fā)明所述方法的特點是可以得到巖石試件在被施壓過程中體積變形的全過程數(shù)據(jù)及巖石試件的真實體積變形。2、本發(fā)明所述方法有效解決了具有大變形特征的軟巖的體積變形測量問題，可為軟巖的利用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。3、本發(fā)明所述巖石體積變形測量傳感器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且與三軸壓力試驗機配套使用操作簡便，因而易于推廣。


圖I是本發(fā)明所述巖石體積變形測量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是圖I的A-A剖視圖；圖4是三軸壓力試驗機的三軸壓力室的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I-活塞桿，2-測量油缸(2-1 :第一腔室、2-2 :第二腔室)，3_活塞，4_位移傳感器外殼，5-位移測量桿,6-連接件,7-截止閥,8-輸油主管路,9-第一輸油支管，10-第二輸油支管，11-巖石試件頂部加載立柱，12-三軸壓力室，13-保護膜，14-巖石試件,15-巖石試件底部加載立柱，16-三軸壓力室輸油管，17-三軸壓力室底座。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述巖石體積變形測量傳感器和巖石試件體積變形的測量方法作進一步說明。實施例I本實施例中，巖石體積變形測量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖I、圖2、圖3所示，由測量油缸
2、活塞3、活塞桿I、位移傳感器、連接件6、輸油主管路8、第一輸油支管9、第二輸油支管10和截止閥7構(gòu)成。
測量油缸2的長度為400mm，內(nèi)徑為80mm，活塞3的外徑與測量油缸2的內(nèi)徑公稱尺寸相同，且為動配合，所述活塞3位于測量油缸2內(nèi)，將測量油缸分為第一腔室2-1和第二腔室2-2 ;第一輸油支管9的一端與第一腔室2-1連接，其另一端與輸油主管路8連接，第二輸油支管10的一端與第二腔室2-2連接，其另一端與輸油主管路8連接，截止閥7為高壓球閥(型號MKHP-800，中國榆次天興液力機械有限公司生產(chǎn))，設(shè)置在輸油主管路與第一輸油支管的接頭和第二輸油支管的接頭之間；活塞桿I為兩根，兩活塞桿的長度均比測量油缸2的長度長40mm，兩活塞桿的一端分別與活塞3兩端面的中心部位固連，且它們的中心線與活塞3的中心線重合，兩活塞桿的另一端分別從測量油缸兩端的端蓋伸出；位移傳感器為市售商品(型號WYDC-500L，生產(chǎn)企業(yè)中國廈門柯原測控技術(shù)有限公司)，其量程大于測量油缸2的長度，所述位移傳感器安裝在測量油缸的外側(cè)壁上，其位移測量桿5的自由端通過連接件6與位于輸油主管路8出口端的活塞桿連接，所述連接件6為兩端設(shè)置有連接孔的條形板。實施例2本實施例對軟巖試件在三軸壓力試驗中的體積變形進行測量，使用的三軸壓力試驗機型號為MTS815 (美國MTS公司生產(chǎn));使用實施例I所述的巖石體積變形測量傳感器，操作如下①將巖石試件14安裝在三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的試樣臺上(如圖4所示)，將所述巖石體積變形測量傳感器的輸油主管路8出口端與所述三軸壓力室的輸油管16連接，將所述巖石體積變形測量傳感器的輸油主管路8進口端與供油油箱連接，將所述巖石體積變形測量傳感器的位移傳感器的信號輸出接口與三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)連接;②開啟所述輸油主管路8上設(shè)置的截止閥7，使測量油缸的第一腔室2-1、第二腔室2-2及三軸壓力試驗機的三軸壓力室12充滿油液；③根據(jù)初步估算的巖石試件可能發(fā)生的最大體積膨脹變形，操作未與位移測量桿5連接的活塞桿，將活塞3調(diào)至與巖石試件可能發(fā)生的最大體積膨脹變形相對應(yīng)的位置，然后關(guān)閉輸油主管路8上設(shè)置的截止閥7 ；④操作三軸壓力試驗機，對巖石試件14施加圍壓壓力，在圍壓壓力的作用下，巖石試件14逐漸發(fā)生壓縮體積變形，在此過程中，測量油缸2的第二腔室2-2中的油液連續(xù)輸入三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)，致使活塞3向輸油主管路8的出口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿5向活塞運動的方向運動，在位移測量桿5運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的壓縮體積變形；⑤當圍壓壓力加至目標值后，操作三軸壓力試驗機對巖石試件14施加軸向荷載，直至巖石發(fā)生破壞，在軸向荷載的作用下，巖石試件14首先發(fā)生壓縮體積變形，然后發(fā)生膨脹體積變形，在巖石試件14發(fā)生壓縮體積變形過程中，測量油缸2的第二腔室2-2中的油液連續(xù)輸入三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)，致使活塞3向輸油主管路8的出口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿5向活塞運動的方向運動，在位移測量桿5運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的壓縮體積變形；在巖石試件14發(fā)生膨脹體積變形過程中，三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的油液連續(xù)輸入測量油缸2的第二腔室2-2中，致使活塞3向輸油主管路8的進口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿5向活塞運動的方向運動，在位移測量桿5運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號， 三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的膨脹體積變形。
權(quán)利要求
1.一種巖石體積變形測量傳感器，其特征在于包括測量油缸(2)、活塞(3)、活塞桿(I)、位移傳感器和輸油主管路(8)； 活塞(3)位于測量油缸(2)內(nèi)，將測量油缸分為第一腔室(2-1)和第二腔室(2-2)，第一腔室設(shè)置有與輸油主管路(8)連接的第一輸油支管(9)，第二腔室設(shè)置有與輸油主管路(8)連接的第二輸油支管(10)，輸油主管路與第一輸油支管的接頭和第二輸油支管的接頭之間設(shè)置有截止閥(7); 活塞桿(I)為兩根，兩活塞桿的一端分別與活塞兩端面的中心部位固連，且它們的中心線與活塞的中心線重合，兩活塞桿的另一端分別從測量油缸兩端的端蓋伸出； 位移傳感器安裝在測量油缸的外側(cè)壁上，其位移測量桿(5)的自由端通過連接件(6)與位于輸油主管路(8)出口端的活塞桿連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的巖石體積變形測量傳感器，其特征在于所述活塞桿(I)的長度大于測量油缸(2)的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的巖石體積變形測量傳感器，其特征在于所述連接件(6)為兩端設(shè)置有連接孔的桿件或條形板。
4.一種巖石試件體積變形測量方法，其特征在于使用權(quán)利要求I至3中任一種巖石體積變形測量傳感器，操作如下 ①將巖石試件(14)安裝在三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的試樣臺上，將所述巖石體積變形測量傳感器的輸油主管路(8)出口端與所述三軸壓力室的輸油管(16)連接，將所述巖石體積變形測量傳感器的輸油主管路(8)進口端與供油油箱連接，將所述巖石體積變形測量傳感器的位移傳感器的信號輸出接口與三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)連接； ②開啟所述輸油主管路(8)上設(shè)置的截止閥(7)，使測量油缸的第一腔室(2-1)、第二腔室(2-2)及三軸壓力試驗機的三軸壓力室(12)充滿油液； ③根據(jù)初步估算的巖石試件可能發(fā)生的最大體積膨脹變形，操作未與位移測量桿(5)連接的活塞桿，將活塞(3)調(diào)至能夠測試巖石試件可能發(fā)生的最大體積膨脹變形相對應(yīng)的位置，然后關(guān)閉輸油主管路(8)上設(shè)置的截止閥(7)； ④測量巖石試件的壓縮體積變形時，測量油缸(2)靠近輸油主管路(8)出口端的腔室中的油液連續(xù)輸入三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)，致使活塞(3)向輸油主管路(8)的出口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿(5)向活塞運動的方向運動，在位移測量桿(5)運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的壓縮體積變形； ⑤測量巖石試件的膨脹體積變形時，三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的油液連續(xù)輸入測量油缸(2)靠近輸油主管路(8)出口端的腔室中，致使活塞(3)向輸油主管路(8)的進口端運動、與活塞連接的活塞桿帶動位移傳感器的位移測量桿(5)向活塞運動的方向運動，在位移測量桿(5)運動的同時，位移傳感器向三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)輸送位移測量桿運動數(shù)據(jù)的電信號，三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)將接收到的電信號進行處理，記錄并顯示巖石的膨脹體積變形。
全文摘要
一種巖石體積變形測量傳感器，包括測量油缸、活塞、活塞桿和位移傳感器；活塞位于測量油缸內(nèi)，將測量油缸分為第一腔室和第二腔室；活塞桿為兩根，兩活塞桿的一端分別與活塞兩端面的中心部位固連，它們的另一端分別從測量油缸兩端的端蓋伸出；位移傳感器安裝在測量油缸的外側(cè)壁上，其位移測量桿的自由端通過連接件與位于輸油主管路出口端的活塞桿連接。一種巖石試件體積變形測量方法，將巖石試件安裝在三軸壓力試驗機的三軸壓力室內(nèi)的試樣臺上，使用上述巖石體積變形測量傳感器進行測量，通過三軸壓力試驗機的控制系統(tǒng)記錄并顯示巖石的體積變形。
文檔編號G01N3/06GK102798371SQ20121029460
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者劉建鋒, 謝和平, 徐進 申請人:四川大學(xué)