本發(fā)明屬于土木工程、巖土工程科研技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖石力學(xué)實驗測試中用于監(jiān)測標準試件環(huán)向變形的測試裝置及測試方法。

背景技術(shù)：

巖石力學(xué)實驗中，其物理力學(xué)特性直接決定了材料性質(zhì)，泊松比就是需要測試的一個重要參數(shù)。泊松比是指在材料的比例極限內(nèi)，由均勻分布的軸向應(yīng)力所引起的環(huán)向應(yīng)變與相應(yīng)的軸向應(yīng)變之比的絕對值，試驗材料的軸向變形數(shù)據(jù)可由壓力機直接獲取，而對于圓柱狀試件的橫向變形數(shù)據(jù)的獲取則比較困難，現(xiàn)有對圓柱狀試件環(huán)向變形的測量方法大致可分為接觸式和非接觸式兩類，接觸式以通過在測試材料表面粘貼應(yīng)變片為典型測試方法，根據(jù)應(yīng)變片的應(yīng)變信息來計算泊松比，操作簡單，但考慮試件本身非均質(zhì)性，局部變形無法客觀表征整體變形且材料表面強度較小粘貼片容易脫皮、難以重復(fù)利用；非接觸式測量方法主要通過數(shù)字照相量測技術(shù)實現(xiàn)，雖解決的接觸式測量的誤差問題，但需要配合光源、相機等裝置，占用體積大、成本高昂，易受外界環(huán)境干擾，且無法實現(xiàn)密閉狹小空間或三軸條件下的環(huán)向變形精確測量。

考慮到傳統(tǒng)方法存在諸多弊端，一種新型環(huán)向位移測試裝置的研發(fā)是十分必要的。目前，針對環(huán)向位移的測試裝置，已開展了大量的研究工作，研制了一系列測試儀器，研究現(xiàn)狀如下：

(1)申請?zhí)枮?3236325.3的中國專利，公開了一種《環(huán)向位移放大器》，該專利提供了一種在MTS電液私服機上測量巖石試樣環(huán)向大變形的裝置，由兩根杠桿鉸接成X形，兩端分別連接環(huán)向鏈條和傳感器，環(huán)向位移通過鏈條由該裝置傳給傳感器，X形放大倍數(shù)可根據(jù)需要選擇，其結(jié)構(gòu)簡單，實用可靠，為研究巖石的力學(xué)性質(zhì)提供了有效手段，但放大轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進一步增大了試驗測試誤差，導(dǎo)致試驗結(jié)果精度降低。

(2)申請?zhí)枮?00810232578.4的中國發(fā)明專利，公開了一種《高液壓環(huán)境下的雙軸徑向引伸計》，該裝置主要由應(yīng)變片、固定環(huán)、壓緊彈簧和頂桿組成，其固定環(huán)上開有均布的4個導(dǎo)向孔，壓緊彈簧套在頂桿上，頂桿螺紋端從導(dǎo)向孔內(nèi)側(cè)穿出，彈簧片兩端開有固定孔，同過固定螺母將彈簧片兩端固定在相對的兩根頂桿的螺紋端上，彈簧片頂部上下表面分別貼有應(yīng)變片并組成惠斯通全橋，當試件產(chǎn)生環(huán)向變形時，變形量通過彈簧傳遞給應(yīng)變片，通過測量惠斯通全橋輸出即可計算出試件變形，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點，但考慮到材料的非均質(zhì)性，通過若干點的變形數(shù)據(jù)難以客觀表征試件環(huán)向位移。

(3)申請?zhí)枮?01510505489.2的中國發(fā)明專利，公開了一種《柱形體環(huán)向應(yīng)變土壓力傳感器和測量方法》，本發(fā)明涉及土壓力檢測領(lǐng)域，裝置包括柱形彈性感應(yīng)體、電阻應(yīng)變片、應(yīng)變片引線和外殼，柱形彈性感應(yīng)體采用由彈性基材料構(gòu)成的柱形彈性實體，柱形彈性感應(yīng)體增設(shè)提高抗壓模量的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與柱形彈性感應(yīng)體一體成型，該結(jié)構(gòu)包括內(nèi)筋和箍筋，內(nèi)筋布置于柱形彈性感應(yīng)體的內(nèi)部，箍筋環(huán)向安裝于電阻應(yīng)變片的上側(cè)或下側(cè)柱形彈性感應(yīng)體的側(cè)表面。通過改變內(nèi)筋的形狀、尺寸和密集度，改變柱形彈性感應(yīng)體的抗壓模量，提高測量精度，該裝置通過局部范圍內(nèi)粘貼應(yīng)變片，依然存在局部數(shù)據(jù)不具代表性切試驗過程中應(yīng)變片易與材料表面崩裂脫離，導(dǎo)致測試失敗。

(4)《煤炭科學(xué)技術(shù)》2014年12月份第39卷增刊2期由陳新忠、曹遠威等發(fā)表的“基于數(shù)字圖像的非接觸式泊松比測試方法”(第366～371頁)一文中第2.2小節(jié)中公開了一種基于數(shù)字圖像的非接觸式泊松比測試裝置，裝置主要由加載系統(tǒng)、CCD相機及照明光源以及數(shù)字圖像分析處理系統(tǒng)3部分構(gòu)成，具有對單軸抗壓實驗過程進行數(shù)字圖像同步記錄功能可以測算出材料表面任意點的位移，進而計算出測試材料的水平位移與垂直位移，從而得出實驗材料泊松比。但該裝置體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，無法實現(xiàn)在狹小密封空間內(nèi)的環(huán)向變形量測。

綜合分析上述單位的環(huán)向變形測試裝置系統(tǒng)，還存在以下不足之處：

1.接觸式測量裝置存在重復(fù)利用率低、自身質(zhì)量大、局部區(qū)域變形監(jiān)測不能表征材料整體變形等缺陷導(dǎo)致測量誤差較大；

2.非接觸式測量裝置存在體積龐大繁瑣、操作復(fù)雜、造價昂貴和易受外界環(huán)境干擾等缺陷，導(dǎo)致其很難在狹小密閉空間內(nèi)實現(xiàn)精確測量。

為更好地研究圓柱狀標準試件環(huán)向位移的監(jiān)控量測，找尋環(huán)向位移更加精確、便捷、經(jīng)濟的測量方法和手段，需要研發(fā)一種巖石類圓柱形標準試件環(huán)向位移測量裝置及測試方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可配合現(xiàn)有試驗壓力機對圓柱狀標準煤巖試件進行靜態(tài)加載或動態(tài)沖擊擾動過程中試件環(huán)向位移變形監(jiān)測的科學(xué)儀器和測試方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

巖石類圓柱形標準試件環(huán)向位移測量裝置，包括夾持鎖定結(jié)構(gòu)、角位移傳感器和用于環(huán)繞在圓柱形標準試件的圓柱面上的鏈式滾帶，所述的夾持鎖定結(jié)構(gòu)包括固定盤、鎖定指針和聯(lián)動指針，所述的鎖定指針的尾端與固定盤的第一底面固定連接，首端焊接用于連接鏈式滾帶的鎖定銷I；所述的聯(lián)動指針尾端與角位移傳感器連接，首端焊接用于連接鏈式滾帶的鎖定銷II；所述的鎖定銷I、鎖定銷II之間通過預(yù)緊彈簧連接，所述的預(yù)緊彈簧提供夾持鎖定結(jié)構(gòu)與鏈式滾帶的連接預(yù)緊力。其基本工作原理在于通過夾持鎖定結(jié)構(gòu)將環(huán)繞在柱狀煤巖試件上的小開口鏈式滾帶進行夾持鎖定，并將試件加載過程中環(huán)向變形量通過夾持鎖定結(jié)構(gòu)的指針傳遞給角位移傳感器，最終通過角度變化量表征和計算出試件環(huán)向位移變化量。

進一步的，所述的固定盤的第一底面上還設(shè)有保險杠，用于防止試件突然崩塌后對裝置的超量程損壞。

進一步的，所述的鏈式滾帶為單排開環(huán)式鏈條，其鏈條兩端各安裝一節(jié)雙排鏈條便于鎖定銷I、鎖定銷II的插拔與固定；所述的單排開環(huán)式鏈條的滾輪直徑應(yīng)小于鏈式滾帶節(jié)距且大于鏈板寬度。

進一步的，所述的鏈板、滾輪、雙排鏈條的銷軸的材料選用硬鋁合金，保證鏈條剛度和輕質(zhì)小巧。

進一步的，所述的角位移傳感器的本體與固定盤的第二底面固定連接；且角位移傳感器的隨動軸穿過所述固定盤的中心軸線與聯(lián)動指針的首端連接；角位移傳感器的接線柱通過導(dǎo)線與采集系統(tǒng)連接實現(xiàn)物理信號與電信號的轉(zhuǎn)換。

進一步的，所述的固定盤采用聚酰胺薄板材質(zhì)制作。

進一步的，所述的鎖定指針的軸線與圓盤的軸線垂直，所述的鎖定銷I、鎖定銷II的軸線與鎖定指針的軸線垂直，且與圓盤的軸線平行。

用于監(jiān)測標準試件環(huán)向位移的測量裝置，可滿足不同煤巖體材料試件的環(huán)向位移精確測量，其主要測試方法和測試步驟如下：

步驟1)將鏈式滾帶環(huán)繞在圓柱形標準試件1/2倍高度位置；

步驟2)夾持鎖定結(jié)構(gòu)通過鎖定銷I、鎖定銷II插入鏈式滾帶首尾兩端內(nèi)側(cè)，并通過預(yù)緊彈簧將鏈式滾帶預(yù)緊固定；

步驟3)將環(huán)向位移測量放置在巖石實驗壓力機上；

步驟4)對聯(lián)動指針的角度進行初始化和校零，并根據(jù)試驗要求設(shè)置采集頻率；

步驟5)夾持鎖定結(jié)構(gòu)圓盤上固定的角位移傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，記下角度初始值θ₀；

步驟7)進行加載試驗，獲取加載過程中角度變化曲線和變形量Δθ；

步驟8)計算環(huán)向位移量L：

步驟9)取下裝置，取出試件，試驗完畢。

所述的測量方法，如下：

步驟8)中的環(huán)向位移量L的計算方法如下：L＝Rsin(θ₀+Δθ)-Rsinθ₀，R為聯(lián)動指針旋轉(zhuǎn)半徑。

本發(fā)明的有益效果是：

1.裝置可結(jié)合常規(guī)伺服壓力機實現(xiàn)對試件進行單軸軸加載過程中的環(huán)向變形監(jiān)測。

2.裝置體積小、質(zhì)量輕，可放在密閉狹小空間內(nèi)，實現(xiàn)對試件三軸加載過程中的環(huán)向變形測量，如氣固耦合條件下，以氣體作為圍壓的煤試件在壓縮變形過程中的環(huán)向位移監(jiān)測。

3.裝置中的鎖定指針和聯(lián)動指針首端通過預(yù)緊彈簧與鏈式滾帶連接固定，鎖定指針尾端與固定盤固定，聯(lián)動指針安裝在角位移傳感器隨動軸上，保證試件環(huán)向變形時，角位移傳感器的角度變化量即為試件環(huán)向變形量。

4.鏈式滾帶由硬鋁合金材質(zhì)制作，固定盤為聚酰胺薄板材質(zhì)，保證試驗過程中的裝置剛度和減小自重所引起的附件變形。

5.通過角度表征和計算試件環(huán)向變形可進一步減小測量誤差，使測試結(jié)果更加精確合理。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1(a)、圖1(b)是本發(fā)明一個整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)、圖2(b)是圖1(a)、圖1(b)中鏈式滾帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)、圖3(b)是圖1(a)、圖1(b)中夾持鎖定結(jié)構(gòu)和角位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和指針旋轉(zhuǎn)平面示意圖；

圖中：1鏈式滾帶，1-1鏈板，1-2滾輪，1-3銷軸；2夾持鎖定結(jié)構(gòu)，2-1固定盤，2-2鎖定指針，2-3聯(lián)動指針，2-4預(yù)緊彈簧，2-5保險杠，2-6鎖定銷，2-7鎖定銷；3角位移傳感器，3-1隨動軸，3-2本體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

如圖1(a)、圖1(b)所示：巖石類圓柱形標準試件環(huán)向位移測量裝置及測試方法包括鏈式滾帶1，夾持鎖定結(jié)構(gòu)2，角位移傳感器3；鎖定指針的尾端與固定盤的第一底面固定連接，首端焊接用于連接鏈式滾帶的鎖定銷I；所述的聯(lián)動指針尾端與角位移傳感器連接，首端焊接用于連接鏈式滾帶的鎖定銷II；所述的鎖定銷I、鎖定銷II之間通過預(yù)緊彈簧連接，所述的預(yù)緊彈簧提供夾持鎖定結(jié)構(gòu)與鏈式滾帶的連接預(yù)緊力。

其基本工作原理在于：通過夾持鎖定結(jié)構(gòu)將環(huán)繞在柱狀煤巖試件上的小開口鏈式滾帶進行夾持鎖定，并將試件加載過程中環(huán)向變形量通過夾持鎖定結(jié)構(gòu)的指針傳遞給角位移傳感器，最終通過角度變化量表征和計算出試件環(huán)向位移變化量。

該裝置可結(jié)合常規(guī)伺服壓力機實現(xiàn)對試件進行單軸軸加載過程中的環(huán)向變形監(jiān)測。

該裝置體積小、質(zhì)量輕，可放在密閉狹小空間內(nèi)，實現(xiàn)對試件三軸加載過程中的環(huán)向變形測量，如氣固耦合條件下，以氣體作為圍壓的煤試件在壓縮變形過程中的環(huán)向位移監(jiān)測。

該裝置中的鎖定指針和聯(lián)動指針首端通過預(yù)緊彈簧與鏈式滾帶連接固定，鎖定指針尾端與固定盤固定，聯(lián)動指針安裝在角位移傳感器隨動軸上，保證試件環(huán)向變形時，角位移傳感器的角度變化量即為試件環(huán)向變形量。

如圖2(a)、圖2(b)所示：巖石類圓柱形標準試件環(huán)向位移測量裝置及測試方法的鏈式滾帶1，由鏈板1-1，滾輪1-2，銷軸1-3組成。鏈式滾帶主體結(jié)構(gòu)為單排開環(huán)式鏈條，其鏈條兩端各安裝一節(jié)雙排鏈條用于夾持鎖定結(jié)構(gòu)的插拔與固定；其滾輪1-2直徑小于鏈式滾帶節(jié)距且大于鏈板1-1寬度；其鏈板1-1、滾輪1-2、銷軸1-3均由硬鋁合金加工訂做，保證鏈條剛度和輕質(zhì)小巧；

如圖3(a)、圖3(b)所示：巖石類圓柱形標準試件環(huán)向位移測量裝置及測試方法的夾持鎖定結(jié)構(gòu)2，包括固定盤2-1，鎖定指針2-2，聯(lián)動指針2-3，預(yù)緊彈簧2-4、保險杠2-5和鎖定銷2-6；角位移傳感器3由隨動軸3-1，本體3-2組成。其固定盤2-1為聚酰胺圓環(huán)形薄板通過螺栓與鎖定指針2-2、保險杠2-5和角位移傳感器3固定連接；鎖定指針2-2和聯(lián)動指針2-3其尾端與固定盤2-1連接固定，首端安裝鎖定銷2-6并貫穿鎖定指針2-2兩側(cè)，用于連接鏈式滾帶1和固定預(yù)緊彈簧2-4；尾端與角位移傳感器3的隨動軸3-1連接固定，其首端安裝鎖定銷2-6并貫穿聯(lián)動指針2-3兩側(cè)，用于連接鏈式滾帶1和固定預(yù)緊彈簧2-4；預(yù)緊彈簧2-4通過鎖定銷將鎖定指針2-2與聯(lián)動指針2-3連接，提供夾持鎖定結(jié)構(gòu)2與鏈式滾帶1的連接預(yù)緊力；所述的保險杠2-5固定在固定盤2-1上，用于防止試件突然崩塌后對裝置的超量程損壞；

進一步的，上述的鏈式滾帶由硬鋁合金材質(zhì)制作，固定盤為聚酰胺薄板材質(zhì)，保證試驗過程中的裝置剛度和減小自重所引起的附件變形，

進一步的，鎖定指針2-2的軸線與圓盤的軸線垂直，鎖定銷2-6、鎖定銷2-7的軸線與鎖定指針2-2的軸線垂直，且與圓盤的軸線平行；鎖定銷2-6與聯(lián)動指針2-3的軸線也垂直。

進一步的，保險杠2-5的軸線與固定圓盤的軸線平行，用于防止試件突然崩塌后對裝置的超量程損壞；保險杠2-5的材質(zhì)可以選用金屬材質(zhì)。

用于監(jiān)測標準試件環(huán)向位移的測量裝置，可滿足不同煤巖體材料試件的環(huán)向位移精確測量，其主要測試方法和測試步驟如下：

1)將鏈式滾帶環(huán)繞在試件1/2倍高度位置；

2)夾持鎖定結(jié)構(gòu)通過指針鎖定銷插入鏈式滾帶首尾兩端內(nèi)側(cè)，并通過預(yù)緊彈簧將鏈式滾帶預(yù)緊固定；

3)將裝置放置在巖石實驗壓力機上；

4)通過角位移采集軟件對角度采集進行初始化和校零，并根據(jù)試驗要求設(shè)置采集頻率；

5)夾持鎖定結(jié)構(gòu)圓盤上固定的角位移傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，記下角度初始值θ₀；

7)進行加載試驗，獲取加載過程中角度變化曲線和變形量Δθ；

8)計算環(huán)向位移量：L＝Rsin(θ₀+Δθ)-Rsinθ₀(R為聯(lián)動指針旋轉(zhuǎn)半徑)；

9)取下裝置，取出試件，試驗完畢。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。