CN107884278A - 带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法 - Google Patents

带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法 Download PDF

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王冲
周辉
卢景景
张传庆
杨凡杰
朱勇
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Abstract

本发明公开了一种带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，涉及一种用于对岩石真三轴的试验方法。它包括将试样放置于正方形上压头和正方形下压头之间，将超声相控阵换能器通过耦合剂耦合至试样的前方或后方；操作手动操作加载部分确保操作后试样不发生偏离；操作泵动加载部分，对试样施加X方向力；加载过程中上位机传递电脉冲信号给超声相控阵换能器；超声相控阵换能器将电脉冲信号转化为声波信号并传递给试样；试样接收到声波信号后产生回波信号,并将回波信号传递给超声相控阵换能器，超声相控阵换能器将接收到的回波信号转化为电信号，上位机接收传递的电信号，并转化成图像。本发明具有信噪比好、分辨率高、使用方便的优点。

Description

带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法
技术领域
本发明涉及一种岩石真三轴试验的方法,具体的说是一种带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法。
背景技术
岩石变形破裂的宏观现象背后隐藏着其细观机理，即在细观尺度上裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化过程，从细观层次探明裂纹的演化规律具有重要的理论意义和应用价值。目前，大多采用工业CT机配合自主研制的加载装置进行三轴压缩试验，观察岩石破坏过程中内部裂纹扩展演化过程，一定程度上实现了岩石破坏过程中细观结构的实时观察和分析。
申请号为：201510577392.2，专利名称为《一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***及方法》公开了一种可以进行CT实时扫描的真三轴试验装置，该装置解决了X射线无法穿透传统真三轴试验机的难题，实现了岩石破坏过程中细观结构的实时观察和分析，但由于压力盒、立柱以及反力装置均采用碳纤维材料制成，其强度以及装置尺寸相比传统真三轴装置小很多，无法对大试样以及强度高的试样进行实验。
此外，部分仪器采用声发射技术，观察岩石破坏过程中内部裂纹扩展演化过程。但声发射技术一方面需要在试样上安装若干个探头，不利于荷载的施加。一方面需要由探头的空间位置以及声波到达探头的时差经计算得到岩石裂纹的位置，结果不够直观，且误差大；另一方面，声发射技术只能给出声发射源的位置、活性、强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，即只能给出裂纹的大***置，无法得到裂纹的形状以及大小。
因此有必要进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法。具有动态聚焦能力，信噪比好、分辨率高、使用方便。
为了实现本发明的目的，本发明的技术方案为：带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将试样放置于位于围压室内的正方形上压头和位于围压室内的正方形下压头之间，用橡胶套将试样、正方形上压头及正方形下压头套上，并用卡箍将橡胶套密封；围压室下方设置有底座；将超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器的声波发射面通过耦合剂耦合至试样的前方或后方；将两块水平压头通过耦合剂分别耦合至试样的左右两侧面上；将超声相控阵列检测***的上位机与超声相控阵列检测***的超声触发/接收板连接,将超声相控阵列检测***的超声触发/接收板通过超声相控阵列检测***的USB接口与超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器连接；步骤二：对超声相控阵检测***进行调整并检测，对超声相控阵检测***参数进行设置，确保超声相控阵检测***的正常工作；步骤三：轴压伺服泵通过位于轴压室外壁上端的左侧的轴向加载***进油口与位于轴压室外壁上端的右侧的轴向加载***出油口控制位于轴压室内的垂直加载活塞；轴压室下端面设置有通孔，轴压室与围压室通过通孔连通；垂直加载活塞通过通孔进入围压室，并贴近正方形上压头的正上方，从而给试样施加Z方向力；轴向加载***排气口用于排除轴压室内的空气；步骤四：围压伺服泵通过围压加压***进油口与围压加压***出油口将液压油泵入围压室，从而给试样施加Y方向力，围压加压***排气口排除围压室内的空气，在排除空气后关闭围压伺服阀；步骤五：操作手动操作加载部分，使右轴杆左进，并与水平压头贴近，以确保操作后试样不发生偏离；操作泵动加载部分，使左轴杆右进，并贴近水平压头，从而对试样施加X方向力；步骤六：给试样施加X方向力、Y方向力和Z方向力的过程中，上位机依次通过超声相控阵列检测***的超声触发/接收板上的微处理器、数据采集器、触发延迟电路、超声阵元触发电路和阵元切换电路传递电脉冲信号给超声相控阵换能器；超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器将传递过来的电脉冲信号转化为声波信号，并将声波信号传递给试样；步骤七：试样接收到声波信号后产生回波信号,并将回波信号传递给超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器，超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器将接收到的回波信号转化为电信号，并将电信号依次传递给超声相控阵列检测***的超声触发/接收板上的阵元切换电路、信号放大调理电路、数模转换器、数据采集器和微处理器；步骤八：超声相控阵列检测***的上位机接收超声相控阵列检测***的微处理器传递的电信号，并转化成图像显示在超声相控阵列检测***的上位机；通过超声相控阵列检测***的上位机直观、清楚地观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程。
在上述技术方案中，所述超声相控阵换能器的声波发射面以外的其余面用密封盒密封，密封盒为空心矩形。
在上述技术方案中，所述超声相控阵列检测***的USB接口位于围压室外壁下端。
在上述技术方案中，所述水平压头及超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器设置于橡胶套外侧；步骤六中，超声相控阵列检测***的超声触发/接收板和超声相控阵列检测***的上位机均设置于围压室外部。
在上述技术方案中，试样为底面为正方形的矩形体，水平压头为长方体，且与试样接触的截面与试样形状及尺寸相同；正方形上压头和正方形下压头的底面形状均为正方形、且与试样底面尺寸相同。
在上述技术方案中，试样尺寸为50mm～100mm。
在上述技术方案中，触发延迟电路按照一定延时规律激发超声相控阵换能器上各个阵元，各个阵元产生的超声发射子波束在空间叠加合成,形成聚焦点和指向性,通过控制触发延迟电路中的延时规律，进而改变超声波束的聚焦点以及波束指向。
本发明有益效果如下：
1)本发明的超声相控阵换能器尺寸小、探测范围大、具有动态聚焦能力，可以应用于小型乃至大型岩石真三轴试验方法；
2)本发明信噪比好、分辨率高、对大而厚的试样内部进行检测获得的结果比较直观、可以清楚的观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程，具有动态聚焦能力，不需要移动探头即可完成一定范围内试样的扫描工作、使用方便的优势；
3)本发明具有轴向加载***排气口和围压加压***排气口，轴向加载***排气口可以保证垂直加载活塞在给试样施加力时不会因轴压室内空气压缩对实验产生干扰；围压加压***排气口可以排除围压室内的空气，即本发明可以避免空气压缩对实验产生干扰；
4)超声相控阵换能器通过耦合剂耦合至试样前方或后方，一方面用于固定试样与超声相控阵换能器的相对位置，防止在检测过程中试样与超声相控阵换能器发生相对位移；另一方面隔绝围压室内液压油，防止液压油对超声相控阵换能器声波发射面产生影响，影响检测结果。
附图说明
图1为本发明主视图。
图2为本发明侧视图。
图3为本发明试样、水平压头、超声相控阵换能器的平面位置示意图。
图4为本发明的超声相控阵检测***结构示意图。
图中1-垂直加载活塞，2-轴向加载***进油口，3-轴向加载***出油口，4-轴向加载***排气口，5-正方形上压头，6-正方形下压头，7-手动操作加载部分，8-泵动加载部分，9-水平压头，10-围压加压***排气口，11-围压加压***进油口，12-围压加压***出油口，13-试样，14-左轴杆，15-右轴杆，16-围压室，17-底座，18-超声相控阵换能器，19-USB接口，20-超声触发/接收板，20.1-阵元切换电路，20.2-信号放大调整电路，20.3-数模转换器，20.4-超声阵元触发电路，20.5-触发延迟电路，20.6-数据采集器，20.7-微处理器，21-上位机，22-轴压室。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将试样13放置于位于围压室16内的正方形上压头5和位于围压室16内的正方形下压头6之间，用橡胶套将试样13、正方形上压头5及正方形下压头6套上，并用卡箍将橡胶套密封；围压室16下方设置有底座17；将超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器18的声波发射面通过耦合剂耦合至试样13的前方或后方；将两块水平压头9通过耦合剂分别耦合至试样13的左右两侧面上；将超声相控阵列检测***的上位机21与超声相控阵列检测***的超声触发/接收板20连接,将超声相控阵列检测***的超声触发/接收板20通过超声相控阵列检测***的USB接口19与超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器18连接；
步骤二：对超声相控阵检测***进行调整并检测，对超声相控阵检测***参数进行设置，确保超声相控阵检测***的正常工作；
步骤三：轴压伺服泵通过位于轴压室22外壁上端的左侧的轴向加载***进油口2与位于轴压室22外壁上端的右侧的轴向加载***出油口3控制位于轴压室22内的垂直加载活塞1；轴压室22下端面设置有通孔，轴压室22与围压室16通过通孔连通；垂直加载活塞1通过通孔进入围压室16，并贴近正方形上压头5的正上方，从而给试样13施加Z方向力；轴向加载***排气口4用于排除轴压室22内的空气；
步骤四：围压伺服泵通过围压加压***进油口11与围压加压***出油口12将液压油泵入围压室16，从而给试样13施加Y方向力，围压加压***排气口10排除围压室16内的空气，在排除空气后关闭围压伺服阀；
步骤五：操作手动操作加载部分7，使右轴杆15左进，并与水平压头9贴近，左进的距离由设计人员事先进行精确测量确定，以确保操作后试样13不发生偏离；操作泵动加载部分8，使左轴杆14右进，并贴近水平压头9，从而对试样13施加X方向力；
步骤六：给试样施加X方向力、Y方向力和Z方向力的过程中，上位机21依次通过超声相控阵列检测***的超声触发/接收板20上的微处理器20.7、数据采集器20.6、触发延迟电路20.5、超声阵元触发电路20.4和阵元切换电路20.1传递电脉冲信号给超声相控阵换能器18；超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器18将传递过来的电脉冲信号转化为声波信号，并将声波信号传递给试样13；
步骤七：试样13接收到声波信号后产生回波信号,并将回波信号传递给超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器18，超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器18将接收到的回波信号转化为电信号，并将电信号依次传递给超声相控阵列检测***的超声触发/接收板20上的阵元切换电路20.1、信号放大调理电路20.2、数模转换器20.3、数据采集器20.6和微处理器20.7；
步骤八：超声相控阵列检测***的上位机21接收超声相控阵列检测***的微处理器20.7传递的电信号，并转化成图像显示在超声相控阵列检测***的上位机21；通过超声相控阵列检测***的上位机21直观、清楚地观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程。
优选的，所述超声相控阵换能器18的声波发射面以外的其余面用密封盒密封，密封盒为空心矩形。
优选的，所述超声相控阵列检测***的USB接口19位于围压室16外壁下端。使用USB接口连接使得安装和拆卸十分的方便。
优选的，所述水平压头9及超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器18设置于橡胶套外侧；步骤六中，超声相控阵列检测***的超声触发/接收板20和超声相控阵列检测***的上位机21均设置于围压室16外部。
优选的，所述试样13为底面为正方形的矩形体，水平压头9为长方体，且与试样13接触的截面与试样13形状及尺寸相同；正方形上压头5和正方形下压头6的底面形状均为正方形、且与试样13底面尺寸相同。
优选的，试样13尺寸为50mm～100mm。
优选的，触发延迟电路20.5按照一定延时规律激发超声相控阵换能器18上各个阵元，各个阵元产生的超声发射子波束在空间叠加合成,形成聚焦点和指向性,通过控制触发延迟电路20.5中的延时规律，进而改变超声波束的聚焦点以及波束指向。
实际使用时，通过螺丝、耦合剂等将密封盒与超声相控阵换能器18连接，达到隔绝液压油的目的；超声相控阵换能器18的长度、宽度以及组合形式有多种规格，具体使用规格依据成像效果以及经济性来决定。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法与现有技术及申请号为：201510577392.2、专利名称为《一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***及方法》比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法与申请号为：201510577392.2、专利名称为《一种带CT实时扫描***的岩石真三轴试验***及方法》相比，本发明所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法的规模、强度能得到保证，可完成高强度岩石试样的真三轴实验，具有动态聚焦能力，不需要移动探头即可完成一定范围内试样的扫描工作，使用较方便，成像质量较好，能清楚地观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (7)

1.带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将试样(13)放置于位于围压室(16)内的正方形上压头(5)和位于围压室(16)内的正方形下压头(6)之间，用橡胶套将试样(13)、正方形上压头(5)及正方形下压头(6)套上，并用卡箍将橡胶套密封；围压室(16)下方设置有底座(17)；将超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器(18)的声波发射面通过耦合剂耦合至试样(13)的前方或后方；将两块水平压头(9)通过耦合剂分别耦合至试样(13)的左右两侧面上；将超声相控阵列检测***的上位机(21)与超声相控阵列检测***的超声触发/接收板(20)连接,将超声相控阵列检测***的超声触发/接收板(20)通过超声相控阵列检测***的USB接口(19)与超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器(18)连接；
步骤二：对超声相控阵检测***进行调整并检测，对超声相控阵检测***参数进行设置，确保超声相控阵检测***的正常工作；
步骤三：轴压伺服泵通过位于轴压室(22)外壁上端的左侧的轴向加载***进油口(2)与位于轴压室(22)外壁上端的右侧的轴向加载***出油口(3)控制位于轴压室(22)内的垂直加载活塞(1)；轴压室(22)下端面设置有通孔，轴压室(22)与围压室(16)通过通孔连通；垂直加载活塞(1)通过通孔进入围压室(16)，并贴近正方形上压头(5)的正上方，从而给试样(13)施加Z方向力；轴向加载***排气口(4)用于排除轴压室(22)内的空气；
步骤四：围压伺服泵通过围压加压***进油口(11)与围压加压***出油口(12)将液压油泵入围压室(16)，从而给试样(13)施加Y方向力，围压加压***排气口(10)排除围压室(16)内的空气，在排除空气后关闭围压伺服阀；
步骤五：操作手动操作加载部分(7)，使右轴杆(15)左进，并与水平压头(9)贴近，以确保操作后试样(13)不发生偏离；操作泵动加载部分(8)，使左轴杆(14)右进，并贴近水平压头(9)，从而对试样(13)施加X方向力；
步骤六：给试样(13)施加X方向力、Y方向力和Z方向力的过程中，上位机(21)依次通过超声相控阵列检测***的超声触发/接收板(20)上的微处理器(20.7)、数据采集器(20.6)、触发延迟电路(20.5)、超声阵元触发电路(20.4)和阵元切换电路(20.1)传递电脉冲信号给超声相控阵换能器(18)；超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器(18)将传递过来的电脉冲信号转化为声波信号，并将声波信号传递给试样(13)；
步骤七：试样(13)接收到声波信号后产生回波信号,并将回波信号传递给超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器(18)，超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器(18)将接收到的回波信号转化为电信号，并将电信号依次传递给超声相控阵列检测***的超声触发/接收板(20)上的阵元切换电路(20.1)、信号放大调理电路(20.2)、数模转换器(20.3)、数据采集器(20.6)和微处理器(20.7)；
步骤八：超声相控阵列检测***的上位机(21)接收超声相控阵列检测***的微处理器(20.7)传递的电信号，并转化成图像显示在超声相控阵列检测***的上位机(21)；通过超声相控阵列检测***的上位机(21)直观、清楚地观察裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化进程。
2.根据权利要求1所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：所述超声相控阵换能器(18)的声波发射面以外的其余面用密封盒密封，密封盒为空心矩形。
3.根据权利要求2所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：所述超声相控阵列检测***的USB接口(19)位于围压室(16)外壁下端。
4.根据权利要求3所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：所述水平压头(9)及超声相控阵列检测***的超声相控阵换能器(18)设置于橡胶套外侧；步骤六中，超声相控阵列检测***的超声触发/接收板(20)和超声相控阵列检测***的上位机(21)均设置于围压室(16)外部。
5.根据权利要求4所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：试样(13)为底面为正方形的矩形体，水平压头(9)为长方体，且与试样(13)接触的截面与试样(13)形状及尺寸相同；正方形上压头(5)和正方形下压头(6)的底面形状均为正方形、且与试样(13)底面尺寸相同。
6.根据权利要求5所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：试样(13)尺寸为50mm～100mm。
7.根据权利要求6所述的带超声相控阵列实时成像***的岩石真三轴试验方法，其特征在于：触发延迟电路(20.5)按照一定延时规律激发超声相控阵换能器(18)上各个阵元，各个阵元产生的超声发射子波束在空间叠加合成,形成聚焦点和指向性，通过控制触发延迟电路(20.5)中的延时规律，进而改变超声波束的聚焦点以及波束指向。
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