巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置及監測方法
2023-04-24 22:24:41 2
專利名稱：巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置及監測方法
技術領域：
本發明涉及一種聲發射與電阻率的聯合實時監測裝置，特別涉及巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置及監測方法。
背景技術：
眾所周知，巖石是一種在長期地質條件下形成的十分複雜的力學介質，具有彈塑性、非均勻性和各向異性的特點，其中賦存的大量原生裂隙更是對巖石力學性質有著十分顯著的影響。而傳統的巖石力學試驗，如單軸壓縮試驗、剪切試驗，只能夠獲得彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗剪強度等參數，這對於描述巖石的物理力學性質來說是遠遠不夠的。因此，有學者引入電阻率和聲發射技術來研究巖石的破裂過程。作為巖石的基本物理參數，電阻率反映了巖石導電性能的好壞，其變化情況可以直接反映巖石內部的裂隙賦存狀態，從而對巖石破壞狀態進行監測。但之前的試驗研究大都受到了儀器採集頻率低的限制，難以捕捉到巖石破裂瞬間電阻率的變化情況，相比於全應力-應變曲線，電阻率數據的不完整性顯得更加明顯。一方面，這可能會導致關鍵信息的丟失，給試驗分析帶來困難；另一方面，不完整的數據可能會將試驗結論引入歧途，有些時候甚至會得出完全相反的結果。當巖石發生變形或斷裂時，產生的應變能將會以彈性波形式釋放出來，引起聲發射現象。聲發射信號中包含了大量信息參數，在一定程度上反映了巖石的應力狀態和能量釋放情況，與巖石受力破壞過程息息相關。但之前的試驗研究大都停留在對聲發射結果的描述上，缺乏與其他監測手段的對比分析，而現有的聲發射技術抵抗外界環境噪音的能力較弱，容易受到周圍噪聲的幹擾，這樣就往往導致監測結果存在誤差。同時，試驗過程中粘貼聲發射探頭費時費力，使得試驗效率較低。綜上所述，現有的巖石破裂過程監測手段存在如下問題①傳統的巖石單軸壓縮試驗所獲得的力學參數對巖石破裂過程的描述不夠精確，而現有的監測手段，如電阻率和聲發射監測方法，都具有各自的局限性，因而僅僅採用單一的監測手段對巖石破裂過程的判斷分析並不準確現有的電阻率監測方法大都受到儀器採樣頻率低的限制，不能夠完整記錄巖石破裂瞬間的電阻率變化情況，可能會導致關鍵信息的丟失，影響分析結果；③現有的聲發射監測方法，抵抗外界環境噪音的能力較弱，容易受到周圍噪聲的幹擾，導致監測結果存在誤差，同時，試驗過程中聲發射探頭的布設費時費力，使得試驗效率很低。為此，發明一種聯合監測裝置，實現對單軸壓縮試驗條件下、巖樣破裂過程中聲發射與電阻率的同步實時監測，為巖石破裂過程的試驗研究提供一條可行的途徑。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置及監測方法，可以同時進行聲發射和電阻率的測量工作，方便快捷，特別適用於小尺寸巖樣表面狹小空間條件下的聯合監測，解決了由於巖樣表面空間狹小，聲發射探頭和電極布置受限的難題。為實現上述目的，本發明採用下述技術方案—種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置,包括聲發射-電阻率聯合測量系統、應力-應變測量系統、數據處理系統和實時顯示系統；所述聲發射-電阻率聯合測量系統包括聲電集成測試探頭、聲電集成測試探頭夾持裝置、聲發射採集模塊、電阻率採集模塊和供電模塊；所述應力-應變測量系統包括應力採集模塊和應變採集模塊；所述數據處理系統包括應力處理模塊、應變處理模塊、聲發射處理模塊和電阻率處理模塊；所述聲發射採集模塊將採集的數據上傳給聲發射處理模塊，聲發射處理模塊將處理後的數據反饋給電阻率採集模塊，電阻率採集模塊調節採集頻率後將採集的數據傳輸給電阻率處理模塊，應力採集模塊將數據傳輸給應力處理模塊，應變採集模塊將數據傳輸給應變處理模塊，數據處理系統將數據整合分類後通過實時顯示系統顯示出來。所述聲電集成測試探頭夾持裝置上設有若干個聲電集成測試探頭，聲電集成測試探頭前端的電極與巖樣的鑽孔連接，所述聲電集成測試探頭的後端通過電纜連接到聲發射採集模塊和電阻率採集模塊，所述聲發射採集模塊和電阻率採集模塊都與數據處理系統連接，所述數據處理系統與實時顯示系統連接，所述巖樣放置在剛性伺服壓力機的兩個承壓板中間，其中上承壓板與應力採集模塊連接，下承壓板與應變採集模塊連接，所述應力採集模塊和應變採集模塊都與數據處理系統連接，所述聲發射採集模塊、電阻率採集模塊通過供電模塊供電。所述聲電集成測試探頭由電極、電極套管、壓電元件、壓電元件套管、殼體、低噪音電纜、導線、前置放大器和電纜組成，所述殼體為圓柱形，所述殼體設置在聲電集成測試探頭的最外層，殼體上端開口中心部位是電極，所述電極套裝在電極套管中，所述電極套管外圍是壓電元件，所述壓電元件外圍是壓電元件套管，壓電元件套管外圍是殼體，所述壓電元件通過低噪音電纜與殼體內底部的前置放大器連接，所述電極通過穿過電極套管底部中間孔的導線與前置放大器連接，電極的信號由導線導出，所述前置放大器通過穿過殼體底部中間孔的電纜將前置放大器處理後的信號和導線傳遞過來的信號導出，傳送給後續的採集
>J-U裝直。所述聲電集成測試探頭特別適用於在小尺寸巖樣表面狹小空間條件下的聯合監測。所述殼體是金屬製成，一方面可以增加探頭強度，另一方面還可以對外界高頻信號起到屏蔽作用。所述壓電元件前端設計成圓弧狀，與圓柱體標準巖樣表面更好地接觸，方便聲發射耦合，所述壓電元件製作成空心的圓柱體，電極從壓電元件中間的孔中伸出。所述電極套管由絕緣材料製作而成，用來防止電極中的電流對壓電元件造成幹擾。所述壓電元件套管是由吸聲材料製成的空心圓柱體。所述壓電元件套管和電極套管都起到吸收外界噪聲的作用，防止對壓電元件產生的信號造成幹擾。所述聲電集成測試探頭夾持裝置由探頭夾、滑杆、轉動機構、主支杆、鉸鏈和底座組成，所述主支杆焊接在底座上，底座起支撐作用，主支杆又分為上下兩段，上下兩段之間通過鉸鏈相連接，所述主支杆上通過轉動機構固定一根滑杆，所述滑杆的一端設有探頭夾，所述探頭夾用於夾持探頭。所述轉動機構包括第一螺絲、第一夾具、第一旋鈕、鎖緊滑塊和固定端；其中，第一螺絲的一端與固定端的頂面焊接，第一螺絲的另外一端與第一旋鈕旋合，在第一螺絲上還設有鎖緊滑塊和第一夾具，所述鎖緊滑塊靠近固定端，所述第一夾具靠近第一旋鈕，所述固定端為實心圓柱，所述固定端的曲面部分設有圓孔，圓孔的直徑與滑杆的直徑一致，所述鎖緊滑塊套在固定端上，鎖緊滑塊曲面部分設有兩個對稱半圓弧，半圓弧的直徑與固定端的圓孔的直徑一致，第一夾具的固定通過第一螺絲與第一旋鈕的旋合來實現。所述探頭夾包括第二螺絲、第二夾具、第二旋鈕，滑杆與第二螺絲焊接，第二夾具的固定通過第二螺絲與第二旋鈕之間的旋合來實現。所述鉸鏈包括螺母和第三旋鈕，螺母與第三螺絲焊接，主支杆上下兩段的連接通過第三螺絲與第三旋鈕的配合來實現。實際使用時通過不斷旋轉調整鉸鏈、轉動機構和探頭夾，來實現聲電集成測試探頭多角度、多方位的自由安裝，大大提高了試驗效率。所述聲發射採集模塊負責採集巖樣破裂過程中的聲發射信號，經過處理後再傳輸到聲發射處理模塊。所述電阻率採集模塊負責採集試驗過程中巖樣的電阻率信號，再將數據傳輸到電阻率處理模塊。所述電阻率採集模塊實現了電阻率數據的超高頻自動採集，最高頻率可達250KHZ。同時，所述電阻率採集模塊還能夠接受來自聲發射處理模塊的反饋調節，依據巖石破裂前聲發射數急劇增長的規律，自動提高電阻率採集頻率，確保能夠完整地採集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數據。所述供電模塊的功能即為整個聲發射-電阻率聯合測量系統供電。所述應力採集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責採集試驗過程中壓力機所施加的壓力及其對應的時間，並將這些數據實時傳輸到應力處理模塊。所述應變採集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責採集試驗過程中壓力機上承壓板向下的位移及其對應的時間，並將這些數據實時傳輸到應變處理模塊。所述應力處理模塊可以接受來自應力採集模塊的數據，經過運算處理後得到巖樣所受應力，之後再將數據以表格的形式實時記錄下來。所述應變處理模塊可以接受來自應變採集模塊的數據，經過運算處理後得到巖樣所受應變，之後再將數據以表格的形式實時記錄下來。所述聲發射處理模塊可以將來自聲發射採集模塊的數據進行分析整合，從中挑選出振鈴計數、能量數及其對應時間，並記錄成表。所述電阻率處理模塊可以接受來自電阻率採集模塊的數據，經過運算處理後得到巖樣每一時刻的電阻率，並將數據以表格的形式實時記錄下來。所述實時顯示系統主要負責將來自數據處理系統的結果實時繪製成關係曲線，如應力-應變關係曲線、應力-時間關係曲線、應變-時間關係曲線、聲發射振鈴計數-時間關係曲線、聲發射振鈴計數-應力-應變關係曲線、聲發射能量數-時間關係曲線、聲發射能量數-應力-應變關係曲線、電阻率-時間關係曲線、電阻率-應力-應變關係曲線等。並能夠把其中任意四種曲線在同一屏幕內分屏動態顯示，從而能夠更加直觀地觀測到聲發射、電阻率同應力-應變之間的關係。上述一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置所採用的監測方法，主要包括以下幾個步驟步驟一，聲電集成測試探頭的安裝和定位；將巖樣放置在剛性伺服壓力機上，在巖樣上鑽若干的孔，利用聲電集成測試探頭夾持裝置實現若干個聲電集成測試探頭的安裝定位，將若干個聲電集成測試探頭的電極固定在巖樣的鑽孔中，所述巖樣與剛性伺服壓力機的上承壓板、下承壓板之間粘貼著一層絕緣材料；所述鑽孔中都填充有耦合劑；所述耦合劑是電阻率的耦合劑，所述耦合劑可以是矽膠；步驟二，連接各個模塊，所述各個模塊包括聲發射採集模塊、電阻率採集模塊、供電模塊、應力採集模塊、應變採集模塊、數據處理系統、實時顯示系統；接通電源並開啟各個模塊，在操作數據處理系統中輸入巖樣的基本參數，剛性伺服壓力機開始工作；所述巖樣的基本參數包括巖樣的直徑、高度、聲電集成測試探頭的間距；步驟三，聲發射與電阻率聯合監測裝置的信息採集、數據傳輸和反饋調節所述信息採集包括聲發射採集模塊對巖樣聲發射數據的採集、電阻率採集模塊對巖樣電阻率數據的採集、應力採集模塊對巖樣應力數據的採集、應變採集模塊對巖樣應變數據的採集；所述數據傳輸包括聲發射採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的聲發射處理模塊、電阻率採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的電阻率處理模塊、應力採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的應力處理模塊、應變採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的應變處理模塊，所述反饋調節是指聲發射處理模塊將聲發射採集模塊採集的信息分析處理後反饋給電阻率採集模塊的過程；步驟四，數據處理數據處理系統對採集的信息進行分析整合；步驟五，實時顯示實時顯示系統對數據處理系統處理後的數據進行實時顯示。所述步驟三的反饋調節主要包括以下步驟步驟(3-1)，聲電集成測試探頭採集巖樣的聲發射信號，並將採集到的聲發射信號傳輸給聲發射採集模塊；步驟(3-2)，聲發射採集模塊將數據傳輸給聲發射處理模塊；步驟(3-3)，聲發射處理模塊對傳輸過來的信號進行處理，判斷聲發射信號是否突然變大，如果是就進入步驟(3-4)，如果否就返回步驟(3-1)；步驟(3-4)，提高電阻率採集模塊的採集頻率，返回步驟(3-1)。本發明的有益效果是(I)本發明提出的聲發射與電阻率聯合實時監測裝置首次實現了巖石單軸壓縮試驗過程中聲發射、電阻率、應力-應變數據的同步實時採集，從而能夠對巖樣破裂信息進行實時動態捕捉；(2)本發明提出的聲發射與電阻率聯合實時監測裝置中的電阻率採集模塊實現了電阻率數據的超高頻自動採集，最高頻率可達250KHz，能夠完整的採集到巖樣破裂瞬間電阻率變化情況；(3)本發明提出的聲發射與電阻率聯合實時監測裝置中的電阻率採集模塊還能夠接受來自聲發射處理模塊的反饋調節，依據巖石破裂前聲發射數急劇增長的規律，自動提高電阻率採集頻率，確保能夠完整地採集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數據；
(4)本發明提出了一種聲電集成測試探頭，可以同時進行聲發射和電阻率的測量工作，方便快捷，特別適用於小尺寸巖樣表面狹小空間條件下的聯合監測，解決了由於巖樣表面空間狹小，聲發射探頭和電極布置受限的難題；(5)本發明還提出了一種改進的聲電集成測試探頭夾持裝置，可以自由調整探頭的角度、位置，方便探頭的安裝，從而大大提高了試驗效率。
圖1是本發明實施例1中聲發射與電阻率聯合實時監測裝置的整體布置圖；圖2是本發明各模塊之間的工作流程圖；圖3是本發明聲發射處理模塊對電阻率採集模塊反饋調節的過程圖；圖4是聲電集成測試探頭剖面示意圖；圖5是聲電集成測試探頭夾持裝置的三維效果圖；圖6是聲電集成測試探頭夾持裝置中鉸鏈的三維效果圖；圖7是聲電集成測試探頭夾持裝置中轉動機構的三維效果圖；圖8是聲電集成測試探頭夾持裝置中探頭夾的三維效果圖；其中，1.剛性伺服壓力機，2.巖樣，3.上承壓板，4.下承壓板，5.塗有絕緣漆的塑料薄膜，6.鑽孔，7.第一聲電集成測試探頭，8.第二聲電集成測試探頭，9.第三聲電集成測試探頭，10.第四聲電集成測試探頭，11.聲發射採集模塊，12.電阻率採集模塊，13.供電模塊，14.聲電集成測試探頭夾持裝置，15.應力採集模塊，16.應變採集模塊，17.數據處理系統，18.實時顯示系統，19.電極，20.壓電元件，21.壓電元件套管，22.電極套管，23.低噪音電纜，24.殼體，25.導線，26.前置放大器，27.電纜，28.探頭夾，29.轉動機構，30.滑杆，31.主支杆，32.鉸鏈，33.底座，34.固定端，35.鎖緊滑塊，36.第一夾具，37.第一旋鈕，38.第一螺絲，39.第三旋鈕，40.螺母，41.第二夾具，42.第二旋鈕，43.第二螺絲。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。實施例1使用實施例2所述聲電集成測試探頭以及實施例3所述聲電集成測試探頭夾持裝置14的聲發射與電阻率聯合實時監測裝置的使用方法。實施例1如圖1-圖7所示，在剛性伺服壓力機I上，放置有巖樣2，巖樣2為常規的圓柱體標準試件，其尺寸為050mmX 100mm,符合《GB/T50266-99工程巖體試驗方法標準》的要求。巖樣2與上承壓板3、下承壓板4之間粘貼著一層塗有絕緣漆的塑料薄膜5，用來防止電阻率測量過程中電流直接通過剛性伺服壓力機I傳導。巖樣2的電阻率測量採用四極法，因而需要事先在巖樣2 —側同一直線上布置四個鑽孔6,相鄰鑽孔6間距從上到下依次為15mm、50mm、15mm,每個鑽孔6直徑約3mm,孔深約8_，儘量減小鑽孔6對試件力學性能的影響。試驗時需要將四個鑽孔6附近清理乾淨，然後利用聲電集成測試探頭夾持裝置14來實現第一聲電集成測試探頭7、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9、第四聲電集成測試探頭10的安裝定位。以第一聲電集成測試探頭7的安裝為例進行說明首先將第一聲電集成測試探頭7安放在第二夾具41上，擰緊第二旋鈕42將其夾緊，之後就不斷調整探頭夾28、轉動機構29和鉸鏈32，將第一聲電集成測試探頭7固定在合適的位置，使得電極19可以恰好伸進鑽孔6中，同時又能使第一聲電集成測試探頭7的前端弧面與巖樣2表面緊密接觸。為減小電阻率測量時的接地電阻，四個鑽孔6中都充填有耦合劑；同時，為了保證第一聲電集成測試探頭7、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9、第四聲電集成測試探頭10與巖樣2之間緊密接觸，獲得理想的聲發射測試結果，需要在第一聲電集成測試探頭7、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9、第四聲電集成測試探頭10前端弧面與巖樣2之間塗抹低強度矽膠作為耦合劑，這樣不會對巖樣2的力學性質造成影響，而且在試驗結束後也容易將聲電集成測試探頭與巖樣2分離。最後把聲發射採集模塊11、電阻率採集模塊12分別與供電模塊13相連接，組成完整的聲發射-電阻率聯合測量系統，並將聲發射採集模塊11和電阻率採集模塊12都與數據處理系統17相連，實現兩者之間的數據傳輸。應力-應變測量系統由應力採集模塊15和應變採集模塊16組成，兩者都與剛性伺服壓力機I相連接，其中剛性伺服壓力機I的上承壓板3與應力採集模塊15連接，剛性伺服壓力機I的下承壓板4與應變採集模塊16連接，並通過數據線實現應力採集模塊15和應變採集模塊16與數據處理系統17之間的信息傳輸。最後再連接數據處理系統17與實時顯示系統18，這樣聲發射與電阻率聯合實時監測裝置各模塊之間的連接就基本完成了。各模塊連接完成後，還需要檢查相互之間的連線，確保無誤後，接通電源、並開啟各個模塊。在數據處理系統17中，依次輸入巖樣2的直徑D (mm)、高度h (mm)、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9之間的距離L (mm)，作為巖樣2的基本參數進行保存，方便後續的數據處理。然後分別對聲發射與電阻率聯合測量系統和應力-應變測量系統進行調試正常情況下，實時顯示系統18中顯示的電阻率-時間關係曲線應該接近一條直線，如果沒有讀數或者讀數過高，則應檢查導線25是否斷開或者短路、第一聲電集成測試探頭7、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9、第四聲電集成測試探頭10的電極19與巖樣2之間是否接觸良好、塗有絕緣漆的塑料薄膜5是否完整等等；實時顯示系統18中顯示的聲發射振鈴計數-時間關係曲線和聲發射能量數-時間關係曲線，都應該表現為數值很小的直線，並且敲打巖樣2時，數值會突然升高，如果發現聲發射振鈴計數和能量數都不穩定，則應檢查第一聲電集成測試探頭7、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9、第四聲電集成測試探頭10與巖樣2之間是否接觸緊密、矽膠是否起到了耦合作用等等；應力-應變測量系統的正常與否可以根據實時顯示系統18中顯示的應力-應變關係曲線來判斷，控制上承壓板3向下緩慢移動，在與巖樣2接觸前，應力-應變關係曲線應該是數值為0的一條直線，當兩者相接觸時應力值會突然上升。經過檢查，確保各模塊工作正常後，控制上承壓板3緩緩下降，與巖樣2的上表面恰好接觸，試驗正式開始，在剛性伺服壓力機I開始對巖樣2施加壓力的同時開始聲發射和電阻率數據的採集，直至最終破裂。試驗過程中，聯合實時監測裝置的具體工作流程如圖2所示。應力採集模塊I5採集試驗過程中剛性伺服壓力機I所施加的壓力F (KN)及其對應的時間t (S)，並將這些數據實時傳輸到數據處理系統17中的應力處理模塊。然後應力處理模塊根據事先輸入的巖樣2的直徑D (mm),按照公式
計算出巖樣2所受應力o (MPa)，再將直徑、壓力、應力及其對應的時間以表格的形式實時記錄下來。應變採集模塊16採集試驗過程中上承壓板3向下的位移y (mm)及其對應的時間t (S)，並將這些數據實時傳輸到數據處理系統17中的應變處理模塊。然後應變處理模塊根據事先輸入的巖樣2的高度h (mm),按照公式
計算出巖樣2所受應變￡，再將長度、位移、應變及其對應的時間以表格的形式實時記錄下來。聲發射米集模塊11通過第一聲電集成測試探頭7、第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9、第四聲電集成測試探頭10採集試驗過程中的聲發射信號，經過放大處理後再傳輸到數據處理系統17中的聲發射處理模塊。然後聲發射處理模塊將數據進行分析整合，從中挑選出振鈴計數、能量數及其對應時間，記錄成表。電阻率採集模塊12採集試驗過程中第二聲電集成測試探頭8和第三聲電集成測試探頭9之間的電位差AU (V)、流經第一聲電集成測試探頭7和第四聲電集成測試探頭10的供電電流I (A)，並將數據傳輸到數據處理系統17中的電阻率處理模塊。特別的，當聲發射數突然變大時，電阻率採集模塊12自動進行調節，自動提高電阻率採集頻率，其反饋調節過程如圖3所示。電阻率處理模塊接收到數據後，可以根據事先輸入的巖樣2的直徑D (mm)和第二聲電集成測試探頭8、第三聲電集成測試探頭9之間的距離L (mm)，按照公式
計算出巖樣2每一時刻的電阻率P,再將直徑、探頭間距、電壓、電流、電阻率及其對應的時間以表格的形式實時記錄下來。數據處理系統17將處理後的數據分類整合，實時顯示系統18再以此為基礎實時繪製出關係曲線(如應力-應變關係曲線、應力-時間關係曲線、應變-時間關係曲線、聲發射振鈴計數-時間關係曲線、聲發射振鈴計數-應力-應變關係曲線、聲發射能量數-時間關係曲線、聲發射能量數-應力-應變關係曲線、電阻率-時間關係曲線、電阻率-應力-應變關係曲線等)，並在同一屏幕內分屏動態顯示。實施例2 —種聲電集成測試探頭如圖4所示，一種聲電集成測試探頭最外層是金屬做成的殼體24，一方面可以增加探頭強度，另一方面還可以對外界高頻信號起到屏蔽作用，避免聲發射信號受到幹擾。聲發射信號的採集是通過壓電元件20來實現的，壓電元件20前端設計成圓弧狀，可以與圓柱體標準巖樣2表面更好地接觸，方便聲發射耦合，另外，壓電元件20製作成空心的圓柱體，電極19從中間的孔中伸出。電極19伸出殼體24的部分長約8mm，試驗時恰好可以伸進鑽孔6中，並使壓電元件20前端的弧面與巖樣2表面恰好接觸。電極19套裝在電極套管22中，電極套管22是由絕緣材料製作而成的，可以用來防止電極19中的電流對壓電元件20造成幹擾。壓電元件20與殼體24之間是壓電元件套管21，它是由吸聲材料製成的空心圓柱體。壓電元件套管21和電極套管22都可以吸收外界噪聲，防止對壓電元件20產生的信號造成幹擾。試驗過程中，電極19採集巖樣2破裂產生的電阻率信號，並傳遞給導線25 ;同時，壓電兀件20拾取巖樣2表面的彈性波,並將機械能轉換成電信號，通過低噪音電纜23傳輸到前置放大器26進行放大處理。最後，電纜27負責將前置放大器26處理過的信號和導線25傳遞的電信號分別導出，傳送給後續的採集裝置。實施例3—種聲電集成測試探頭夾持裝置如圖5所示，一種聲電集成測試探頭夾持裝置14由探頭夾28、轉動機構29、滑杆30、主支杆31、鉸鏈32和底座33組成。底座33支撐整個裝置，並與主支杆31相連。實際使用中可以根據需要在主支杆31上安裝多個轉動機構29，並附帶滑杆30和探頭夾28，實現多個探頭同時夾持。主支杆31又分為上下兩段，下段與底座33焊接成一體，上下兩段之間通過鉸鏈32相連接。鉸鏈32的結構如圖6所示，主支杆31上下兩段之間有薄塊相楔合，薄塊之間利用螺絲貫穿，螺絲的兩端分別是螺母40和第三旋鈕39。這樣擰松第三旋鈕39，主支杆31上段就能夠以螺絲為軸、相對主支杆31下段前後轉動，調整到合適的位置後，再擰緊第三旋鈕39就可以將主支杆31上下兩段的相對位置固定下來。主支杆31上段與滑杆30之間通過轉動機構29相連接，如圖7所示，轉動機構29由鎖緊滑塊35、第一夾具36、第一旋鈕37、第一螺絲38組成，其中第一夾具36是「R」字型的金屬片，下端兩薄片由第一螺絲38相連，第一螺絲38的一端與第一旋鈕37相連，另一端焊接在固定端34上。固定端34形狀為圓柱體，在圓柱體的曲面上開有一圓孔，大小可容滑杆30自由通過。在固定端34與第一夾具36間還有一鎖緊滑塊35，鎖緊滑塊35是一薄殼結構，右端留有圓孔供第一螺絲38穿過，左端平齊開口，同時在左埠處設計有與滑杆30直徑相同的半圓形弧，鎖緊滑塊35恰好可以嵌套在固定端34上。使用時，擰松第一旋鈕37，通過第一夾具36嵌套在主支杆31上，這時可以將轉動機構29沿主支杆31上下移動，並能夠繞主支杆31自由轉動，同時，鎖緊滑塊35與固定端34之間形成的圓孔可供滑杆30來回移動，並能夠使滑杆30以第一螺絲38為軸自由旋轉。滑杆30 —端設置有探頭夾28，具體結構如圖8所示，第二螺絲43的一端焊接在滑杆30上，穿過第二夾具41下部的兩薄片，另一端與第二旋鈕42相連。第二夾具41上部的圓環孔中放置有橡膠墊層，可以用來夾住聲電集成測試探頭，這樣通過調整第二旋鈕42的鬆緊，聲電集成測試探頭可以隨著第二夾具41繞第二螺絲43自由轉動。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
權利要求
1.一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，包括聲發射-電阻率聯合測量系統、應力-應變測量系統、數據處理系統和實時顯示系統；所述聲發射-電阻率聯合測量系統的聲發射採集模塊和電阻率採集模塊與若干聲電集成測試探頭連接，聲電集成測試探頭用於測試被夾持在剛性伺服壓力機的巖樣的各種信息，聲發射採集模塊和電阻率採集模塊將採集到的數據上傳給數據處理系統；聲電集成測試探頭安裝在聲電集成測試探頭夾持裝置上，電阻率採集模塊還能夠接收來自數據處理系統的反饋調節，聲發射採集模塊和電阻率採集模塊通過供電模塊供電；所述應力-應變測量系統的應力採集模塊與剛性伺服壓力機上承壓板連接，應變採集模塊與下承壓板連接；所述應力採集模塊與應變採集模塊採集到的數據都上傳給數據處理系統；數據處理系統將數據處理後通過實時顯示系統顯示出來。
2.如權利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述聲電集成測試探頭由電極、電極套管、壓電元件、壓電元件套管、殼體、低噪音電纜、導線、前置放大器和電纜組成，所述殼體為圓柱形，所述殼體設置在聲電集成測試探頭的最外層，殼體上端開口中心部位是電極，所述電極套裝在電極套管中，所述電極套管外圍是壓電元件,所述壓電元件外圍是壓電元件套管，壓電元件套管外圍是殼體，所述壓電元件通過低噪音電纜與殼體內底部的前置放大器連接，所述電極通過穿過電極套管底部中間孔的導線與前置放大器連接，電極的信號由導線導出，所述前置放大器通過穿過殼體底部中間孔的電纜將前置放大器處理後的信號和導線傳遞過來的信號導出，傳送給後續的採集裝置。
3.如權利要求2所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述壓電元件前端成圓弧狀，與圓柱體標準巖樣表面更好地接觸，所述壓電元件製作成空心的圓柱體，電極從壓電元件中間的孔中伸出；所述電極套管由絕緣材料製作而成；所述壓電元件套管是由吸聲材料製成的空心圓柱體。
4.如權利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述聲電集成測試探頭夾持裝置由探頭夾、滑杆、轉動機構、主支杆、鉸鏈和底座組成，所述主支杆焊接在底座上，底座起支撐作用，主支杆又分為上下兩段，上下兩段之間通過鉸鏈相連接，所述主支杆上通過轉動機構固定一根滑杆，所述滑杆的一端設有探頭夾，所述探頭夾用於夾持探頭。
5.如權利要求4所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述轉動機構包括第一螺絲、第一夾具、第一旋鈕、鎖緊滑塊和固定端；其中，第一螺絲的一端與固定端的頂面焊接，第一螺絲的另外一端與第一旋鈕旋合，在第一螺絲上還設有鎖緊滑塊和第一夾具，所述鎖緊滑塊靠近固定端，所述第一夾具靠近第一旋鈕，所述固定端為實心圓柱，所述固定端的曲面部分設有圓孔，圓孔的直徑與滑杆的直徑一致，所述鎖緊滑塊套在固定端上，鎖緊滑塊曲面部分設有兩個對稱半圓弧，半圓弧的直徑與固定端的圓孔的直徑一致，第一夾具的固定通過第一螺絲與第一旋鈕的旋合來實現；所述探頭夾包括第二螺絲、第二夾具、第二旋鈕，滑杆與第二螺絲焊接，第二夾具的固定通過第二螺絲與第二旋鈕之間的旋合來實現；所述鉸鏈包括螺母和第三旋鈕，螺母與第三螺絲焊接，主支杆上下兩段的連接通過第三螺絲與第三旋鈕的配合來實現。
6.如權利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述聲發射採集模塊負責採集巖樣破裂過程中的聲發射信號，經過處理後再傳輸到聲發射處理模塊；所述電阻率採集模塊負責採集試驗過程中巖樣的電阻率信號，再將數據傳輸到電阻率處理模塊；所述電阻率採集模塊實現了電阻率數據的超高頻自動採集，最高頻率達250KHZ ;同時，所述電阻率採集模塊還能夠接受來自聲發射處理模塊的反饋調節，依據巖石破裂前聲發射數急劇增長的規律，自動提高電阻率採集頻率，確保能夠完整地採集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數據；所述應力採集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責採集試驗過程中壓力機所施加的壓力及其對應的時間，並將這些數據實時傳輸到應力處理模塊；所述應變採集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責採集試驗過程中壓力機上承壓板向下的位移及其對應的時間，並將這些數據實時傳輸到應變處理模塊。
7.如權利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述應力處理模塊接受來自應力採集模塊的數據，經過運算處理後得到巖樣所受應力，之後再將數據以表格的形式實時記錄下來； 所述應變處理模塊接受來自應變採集模塊的數據，經過運算處理後得到巖樣所受應變，之後再將數據以表格的形式實時記錄下來； 所述聲發射處理模塊將來自聲發射採集模塊的數據進行分析整合，從中挑選出振鈴計數、能量數及其對應時間，並記錄成表； 所述電阻率處理模塊接受來自電阻率採集模塊的數據，經過運算處理後得到巖樣每一時刻的電阻率，並將數據以表格的形式實時記錄下來； 所述實時顯示系統主要負責將來自數據處理系統的結果實時繪製成關係曲線，並能夠把其中任意四種曲線在同一屏幕內分屏動態顯示，從而能夠更加直觀地觀測到聲發射、電阻率同應力-應變之間的關係。
8.如權利要求7所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置，其特徵是，所述關係曲線包括應力-應變關係曲線、應力-時間關係曲線、應變-時間關係曲線、聲發射振鈴計數-時間關係曲線、聲發射振鈴計數-應力-應變關係曲線、聲發射能量數-時間關係曲線、聲發射能量數-應力-應變關係曲線、電阻率-時間關係曲線、電阻率-應力-應變關係曲線。
9.如權利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置所採用的監測方法，其特徵是，主要包括以下幾個步驟 步驟一，聲電集成測試探頭的安裝和定位； 步驟二，接通電源並開啟各個模塊，在操作數據處理系統中輸入巖樣的基本參數，剛性伺服壓力機開始工作；所述巖樣的基本參數包括巖樣的直徑、高度、聲電集成測試探頭的間距； 步驟三，聲發射與電阻率聯合監測裝置的信息採集、數據傳輸和反饋調節； 步驟四，數據處理數據處理系統對採集的信息進行分析整合； 步驟五，實時顯示實時顯示系統對數據處理系統處理後的數據進行實時顯示。
10.如權利要求9所述的一種巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測方法,其特徵是，步驟二中， 所述信息採集包括聲發射採集模塊對巖樣聲發射數據的採集、電阻率採集模塊對巖樣電阻率數據的採集、應力採集模塊對巖樣應力數據的採集、應變採集模塊對巖樣應變數據的米集； 所述數據傳輸包括聲發射採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的聲發射處理模塊、電阻率採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的電阻率處理模塊、應力採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的應力處理模塊、應變採集模塊將數據傳輸給數據處理系統的應變處理模塊； 所述反饋調節是指 聲發射處理模塊將聲發射採集模塊採集的信息分析處理後反饋給電阻率採集模塊的過程。
全文摘要
本發明公開了巖樣破裂過程的聲發射與電阻率聯合監測裝置及監測方法，聲電集成測試探頭夾持裝置上的聲電集成測試探頭前端的電極與巖樣的鑽孔連接，所述聲發射採集模塊和電阻率採集模塊都與數據處理系統連接，所述數據處理系統與實時顯示系統連接，所述巖樣放置在剛性伺服壓力機的兩個承壓板中間，所述應力採集模塊和應變採集模塊都與數據處理系統連接，實現了巖石單軸壓縮試驗過程中聲發射、電阻率、應力-應變數據的同步實時採集，其中的電阻率採集模塊實現了電阻率數據的超高頻自動採集，接受反饋調節後自動提高電阻率採集頻率，確保能夠完整地採集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數據，從而能夠對巖樣破裂信息進行實時動態捕捉。
文檔編號G01N29/14GK103033565SQ201210526030
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者劉斌, 李術才, 許新驥, 劉徵宇, 聶利超, 王靜, 宋傑, 孫懷鳳, 徐磊, 王傳武, 郝亭宇, 周浩, 林春金 申請人:山東大學