一种试样损伤实时检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及声波检测领域，具体涉及一种试样损伤实时检测装置及其方法。

背景技术

目前，研究岩石等材料的损伤破坏规律以及材料性质，一般会用到真三轴霍普金森压杆试验，真三轴霍普金森压杆试验很好地模拟了岩石在围压压力下收到冲击荷载的情况，先通过霍普金森杆对测试体施加围压，然后用撞击杆对入射杆进行撞击，形成冲击荷载，冲击荷载会形成应力波传到测试体内部，从而造成测试体内部的损伤，对于不同的岩石，所承受的冲击荷载能力也不尽相同，而且，测试体内部的损伤情况也不能直接得出，一般需要用声波仪对测试体进行声波检测，通过测量得到的才可以得出测试体内部的损伤情况。

真三轴霍普金森压杆试验能够很好的模拟岩石等材料在围压压力作用下受到应力波影响下的损伤，但是要想准确地测量岩石内部的损伤情况，需要将岩石进行卸载，然后再用声波仪进行测定岩石内部的波速。由于岩石等材料在卸载后会产生卸载效应，导致卸载后和卸载前岩石等材料的内部损伤状态是不同的，所以，卸载后再进行声波检测，并不能很好地反映岩石等材料在受到冲击荷载后的内部损伤状态。而且，在循环加载作用下，我们并不能准确得判断岩石的损伤情况。此外，为了使用声波仪对岩石进行测量，需要将岩石进行卸载，然后再用声波仪进行测定岩石内部的波速，才能准确地测量岩石内部的损伤情况。

因此，亟需提出一种新的检测装置和方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种试样损伤实时检测装置及其方法，该检测装置解决了现有技术中需要将测试体进行卸载，然后再用声波仪进行测定测试体内部的波速，才能准确地测量测试体内部的损伤情况的问题。

本发明提供了一种试样损伤实时检测装置，所述检测装置包括方形的空心试验腔体，所述试验腔体上开设有供真三轴霍普金森杆穿过的开孔，所述试验腔体的内部设置有放置测试体的容纳空间；

所述容纳空间还设置有方形的声波发射器和方形的声波接收器，以及多个用于固定所述声波发射器和声波接收器的减震器；

所述测试体被所述声波发射器和声波接收器所夹持，所述声波发射器和声波接收器远离测试体的相对面均抵接在所述试验腔体的内表面，所述减震器的一端可拆卸地设置在声波发射器和/或声波接收器垂直于夹持方向的表面，所述减震器的另一端设置可拆卸地在试验腔体的内表面上；

所述声波发射器与声源讯号发生器通过声波发射线进行电连接，所述声波接收器与微机通过声波接收线进行电连接。

进一步地，所述真三轴霍普金森杆设置在水平十字支撑平台上，所述水平十字支撑平台包括X正向支撑平台、X负向支撑平台、Y正向支撑平台、Y负向支撑平台以及中心支撑平台，所述中心支撑平台上方放置有所述试验腔体。

进一步地，所述试验腔体包括多个可拆卸设置的子试验腔体。

进一步地，所述减震器的材料为橡胶。

进一步地，所述减震器包括减震器主体和与所述减震器主体通过硫化进行固定连接的减震器底座，所述减震器底座上开设有多个供紧固螺杆穿过的圆孔，所述试验腔体的对应位置开设有与所述圆孔对应的螺纹槽。

进一步地，所述声波发射器或声波接收器上的减震器的个数为多对，单对所述减震器的轴心在一条直线上。

进一步地，所述声波发射器和声波接收器的表面均涂满凡士林。

进一步地，所述声源讯号发生器和微机集成设置在超声波信号发生处理中心，所述超声波信号发生处理中心与外部电脑相连通。

本发明还提供一种试样损伤实时检测方法，包括以下步骤：

S1、开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，然后通过油缸推进，将Y轴霍普金森杆紧贴声波发射器和声波接收器，使声波信号能够穿过测试体，被声波接收器接收，当超声波信号发生处理中心可以读出波速，记录并保存未施加静态围压和冲击荷载的第一超声波波速，再关闭声源讯号发生器；

S2、先打开X正向高压油管，向液压油缸中充油，通过控制液压油缸推动X正向霍普金森杆向试验腔体前进移动，进而作用到测试体上，使测试体精准受到静态围压，仿照上述X正向的步骤，对其他五个方向的霍普金森杆也施加静态围压；

S3、在保持对六个方向的霍普金森杆同时施加静态围压作用下，再次开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，通过声波发射器发出，穿过测试体，并通过声波接收器接收，超声波信号发生处理中心再进行相关处理，记录并保存施加静态围压后的第二超声波波速；通过与所述第一超声波波速进行比较，若相差在5％以内，则继续下一步骤，若相差在5％以外，则解开静态围压，检查声波发射器和声波接收器是否对准，以及超声波信号发生处理中心是否正常运行，若检查无误，则重新进行S1～S3，直至第二超声波波速与第一超声波波速之差在5％以内，再关闭声源讯号发生器；

S4、继续保持静态围压不变，对六个方向的霍普金森杆同时施加冲击荷载，开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，通过声波发射器发出，穿过测试体，并由声波接收器接收，记录并保存循环冲击荷载试验的第三超声波波速，再关闭声源讯号发生器；

S5、关停液压系统，再慢慢释放油缸中的压力，在将施加在六个方向的霍普金森杆的静态围压全部解除之后，开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，记录并保存解除静态围压后的第四超声波波速，再关闭声源讯号发生器；

S6、通过比较第三超声波波速与第四超声波波速的大小，当所述第三超声波波速大于第四超声波波速时，则表明所述测试体内部出现卸荷效应。

相比与现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明的试样损伤实时检测装置通过利用多个减震器将声波发射器和声波接收器直接抵接在测试体的两端，不需要将测试体进行卸载，避免岩石内部产生进一步的损伤，就能准确地测量测试体内部的真实损伤情况；

2、本发明的试样损伤实时检测装置的试验腔体由多个小的腔体通过螺栓拼接而成，方便测试体、声波发射器、声波接收器和减震器的组装；

3、本发明的试样损伤实时检测方法证明了该检测装置的可靠性，另外不需要将测试体进行卸载，避免岩石内部产生进一步的损伤，就能准确地测量测试体内部的真实损伤情况。

附图说明

图1为本发明试样损伤实时检测装置的立体图；

图2为本发明试样损伤实时检测装置的Y向视图；

图3为本发明试样损伤实时检测装置的X向视图；

图4为本发明试样损伤实时检测装置脱离试验腔体的立体图；

图5为本发明试样损伤实时检测装置的单个减震器的立体图；

图6为本发明试样损伤实时检测装置的试验腔体的立体图；

图7为本发明试样损伤实时检测装置与霍普金森杆的组合立体图；

图8为本发明的检测装置与普通声波仪在施加应力波前波速对比图；

图9为本发明的检测装置与普通声波仪在施加应力波后波速对比图；

图10为本发明的检测装置与普通声波仪完整性系数对比图；

附图标记：1、水平十字支撑平台；11、X正向支撑平台；12、X负向支撑平台；13、Y正向支撑平台；14、Y负向支撑平台；15、中心支撑平台；2、测试体；31、声波发射器；32、声波发射线；41、声波接收器；42、声波接收线；5、减震器；51、减震器主体；52、减震器底座；521、圆孔；6、试验腔体；61、第一子试验腔体；62、第二子试验腔体；63、第三子试验腔体；64、第四子试验腔体；7、超声波信号发生处理中心。

具体实施方式

以下结合附图1～10和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1～2所示，本发明公开了一种试样损伤实时检测装置，该检测装置包括方形的空心试验腔体6，试验腔体6上开设有供真三轴霍普金森杆穿过的开孔，试验腔体6的内部设置有放置测试体2的容纳空间；

容纳空间还设置有方形的声波发射器31和方形的声波接收器41，以及4个用于固定声波发射器31和声波接收器41的减震器5；

测试体2被声波发射器31和声波接收器41所夹持，所述声波发射器31和声波接收器41远离测试体2的相对面均抵接在所述试验腔体6的内表面，减震器5的一端可拆卸地设置在声波发射器31和/或声波接收器41垂直于夹持方向的表面，减震器5的另一端设置可拆卸地在试验腔体6的内表面上；

声波发射器31与声源讯号发生器通过声波发射线32进行电连接，声波接收器41与微机通过声波接收线42进行电连接。

本发明的试样损伤实时检测装置通过利用4个减震器将声波发射器和声波接收器直接抵接在测试体的两端，不需要将测试体进行卸载，避免岩石内部产生进一步的损伤，就能准确地测量测试体内部的真实损伤情况。

如图7所示，本实施例中，真三轴霍普金森杆设置在水平十字支撑平台1上，水平十字支撑平台1包括X正向支撑平台11、X负向支撑平台12、Y正向支撑平台13、Y负向支撑平台14以及中心支撑平台15，中心支撑平台15上方放置有试验腔体6。

如图7所示，本实施例中，试验腔体6包括相互通过螺栓可拆卸设置的第一子试验腔体61、第二子试验腔体62、第三子试验腔体6和第四子试验腔体6，当然子试验腔体的个数也可以采用其他方便安装的数量。本发明的试样损伤实时检测装置的试验腔体由多个小的腔体通过螺栓拼接而成，方便测试体、声波发射器、声波接收器和减震器的组装。

实施例中，减震器5的材料为橡胶，其不仅起到了固定作用，同时对声波发射器和声波接收器起到减小振动的作用。

如图4所示，本实施例中，声波发射器31或声波接收器41上的减震器5的个数为一对，也就是左右各一个，设置在其侧面的中心位置，但也可以采用两对或者更多的形式，单对所述减震器5的轴心在一条直线上。轴心保证对齐保证最终的减震效果。

本实施例中，如图5所示，所述减震器5包括减震器主体51和与所述减震器主体51通过硫化进行固定连接的减震器底座52，所述减震器底座52上开设有多个供紧固螺杆穿过的圆孔521，所述试验腔体6的对应位置开设有与所述圆孔521对应的螺纹槽。减震器主体51两端均采用减震器底座52，这样方便减震器的安装。

本实施例中，声波发射器31和声波接收器41的表面均涂满凡士林，起到更好地传输超声波信号的效果。

本实施例中，如图1所示，声源讯号发生器和微机集成设置在超声波信号发生处理中心7内部，超声波信号发生处理中心7被设置在固定支架(图中未画出)上，该超声波信号发生处理中心7与外部电脑通过无线或有线进行连接，微机上生成波速，通过外部电脑对多次试验的波速进行整合，生成波速图，如图8～10所示。

本实施例中，如图1和6所示，第一子试验腔体61为XY轴所在水平面的第一象限，第二子试验腔体62位于第二象限，第三子试验腔体63位于第三象限，第四子试验腔体位于第四象限，通过螺栓将其拼装成一个大的立方体。其中沿X、Z轴方向的开口为正方形，刚好可以通过霍普金森方形杆，沿Y轴方向的开口为类T型，既可以同时通过霍普金森方形杆，也可以通过声波接收线42和声波发射线32。

将四个减震器5用螺杆分别连接在声波发射器31和声波接收器41的两端，每个子试验腔体在内部的表面都设置有螺纹孔，可接入减震器5，其中第一子试验腔体61和第二子试验腔体62先通过表面螺栓进行固定，再将减震器5和声波接收器41这一整体固定连接在第一子试验腔体61和第二子试验腔体62内表面的对应位置，将第一子试验腔体61、第二子试验腔体62以及减震器5和声波接收器41作为第一腔体，然后另外第三子试验腔体63和第四子试验腔体64也按照类似方法进行连接，将第三子试验腔体63、第四子试验腔体64减震器5和声波发射器31作为第二腔体。接着将声波发射器31通过声波发射线连接至声源讯号发生器，将声波接收器41通过声波接收线连接至微机。检查该检测装置是否正常运行，若不正常运行，则需要进行调整维修。

在测试正常运行后，先将测试体2放在Z负轴霍普金森杆上，Z负轴霍普金森杆调整到试验腔体内部的高度。将上述第一腔体和第二腔体对准测试体2，使得测试体2位于试验腔体6内部的中心位置，其中声波发射器31和声波接收器41与测试体2接触的表面上涂满凡士林，同时，声波发射线32和声波接收线42也从Y轴穿出，最后用螺栓将第一腔体和第二腔体连接。将试验腔体6以及内部装置安装好后，再将其他方向的霍普金森杆与试验腔体6对应开口进行对中连接，使得Y轴和Z轴的霍普金森杆抵住测试体的四个面上，X轴正向和负向的霍普金森杆分别抵接在声波接收器41和声波发射器31上。

本发明还提供一种试样损伤实时检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，然后通过油缸推进，将Y轴霍普金森杆紧贴声波发射器31和声波接收器41，使声波信号能够穿过测试体2，被声波接收器41接收，当超声波信号发生处理中心可以读出波速，记录并保存未施加静态围压和冲击荷载的第一超声波波速，再关闭声源讯号发生器；

S2、先打开X正向高压油管，向液压油缸中充油，通过控制液压油缸推动X正向霍普金森杆向试验腔体前进移动，进而作用到测试体上，使测试体精准受到静态围压，仿照上述X正向的步骤，对其他五个方向的霍普金森杆也施加静态围压；

S3、在保持对六个方向的霍普金森杆同时施加静态围压作用下，再次开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，通过声波发射器31发出，穿过测试体2，并通过声波接收器41接收，超声波信号发生处理中心再进行相关处理，记录并保存施加静态围压后的第二超声波波速；通过与所述第一超声波波速进行比较，若相差在5％以内，则继续下一步骤，若相差在5％以外，则解开静态围压，检查声波发射器32和声波接收器42是否对准，以及超声波信号发生处理中心是否正常运行，若检查无误，则重新进行S1～S3，直至第二超声波波速与第一超声波波速之差在5％以内，再关闭声源讯号发生器；

S4、继续保持静态围压不变，对六个方向的霍普金森杆同时施加冲击荷载，开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，通过声波发射器31发出，穿过测试体2，并由声波接收器41接收，记录并保存循环冲击荷载试验的第三超声波波速，再关闭声源讯号发生器；

S5、关停液压系统，再慢慢释放油缸中的压力，在将施加在六个方向的霍普金森杆的静态围压全部解除之后，开启超声波信号发生处理中心，生成超声波信号，记录并保存解除静态围压后的第四超声波波速，再关闭声源讯号发生器；

S6、通过比较第三超声波波速与第四超声波波速的大小，当所述第三超声波波速大于第四超声波波速时，则表明所述测试体2内部出现卸荷效应。

本发明的试样损伤实时检测方法证明了该检测装置的可靠性，而且在解除静态围压后，确实存在卸荷效应。

按照上述步骤S1～S6，本实施例的测试体2为花岗岩，按照本发明的检测方法的测试结果如下表1所示。

表1花岗岩测试结果

由上表1可知，花岗岩的损伤情况可以通过超声波波速来评价，波速越大，岩石损伤情况越好；波速越小，岩石损伤情况越差。

由表1中可知，对比第一超声波波速与第二超声波波速，两者相差较小，故本发明的检测装置在静态围压作用下，得到结果是可靠的；对比第二超声波波速与第三超声波波速，可知在施加冲击荷载作用后花岗岩波速减小，花岗岩内部出现损伤；通过比较第三超声波波速与第四超声波波速的大小，两者差别为5.98％，其值大于5％，发现解除围压后波速有小幅减小，可知，在解除围压后，花岗岩出现卸荷效应，导致岩石内部有一定的损伤。因此对比现有的检测方法，本实施例的检测方法能够验证检测装置的可靠性，另外不需要将测试体进行卸载，避免岩石内部产生进一步的损伤，就能准确地测量测试体内部的真实损伤情况。

本实施例中，还将本发明的检测装置与普通声波仪在同一条件下进行了对比试验。

微机对数据进行处理，即可得到一次数据，每施加一次冲击荷载，每次施加0.3MPa大小的力，可以得到一次测试体的不同数据，根据测试体的在不同情况下的数据，即可得到试样实时损伤情况。

本发明微机中数据处理方式依据已有完整性系数K

其中K

V

V

首先将测试体2安装在本发明的检测装置内，并通过液压油缸将X,Y轴方向的霍普金森杆安装在本发明的检测装置内，并施加1KN的围压。测试体2的Z轴两端则安装普通声波仪，本发明的检测装置的声波发射器31和声波接收器41安装在X轴。打开两个声波仪，记录数据。在整个装置稳定10s后，通过X,Y轴霍普金森杆对测试体施加应力波，在装置稳定10s后，再次记录两个声波仪中的数据。最后撤下围压，重新安装另一个测试体2，重复上述步骤。

本实施例中，一共进行五次试验，所得数据如下所示。

表2本发明的检测装置与普通声波仪在加载条件下的波速对比表

上述表格2记录着五个测试体在施加应力波前后的波速对比以及完整性系数，并给出了本发明的检测装置与普通声波仪各项数据的差异度，差异度1为两者施加应力波前波速的差异，差异度2为两者施加应力波后波速的差异，差异度3为两个声波仪完整性系数的差异。

由表中数据可知，本发明的检测装置与普通声波仪差异度都在5％之内，可见本发明的检测装置与普通声波仪在同一测试体中所测得的数据基本一致，因此，本发明的检测装置所得出的数据具有较大的可信度。

本发明的检测装置与卸荷后测量的普通声波仪的波速对比试验

首先用普通声波仪对测试体2进行声波测试，并记录未加载时的数据，然后将测试体2安装在本发明的检测装置内，通过液压油缸将X,Y,Z轴的霍普金森杆安装在装置内，并施加1KN的围压，同时记录未加载时的数据。在整个装置稳定10s后，通过X,Y,Z轴霍普金森杆对测试体施加应力波，在装置稳定后，用本发明的检测装置记录好施加应力波后的波速和完整性系数。最后撤下围压，再用普通声波仪对测试体2进行测定波速，记录该数据，计算出完整性系数。接着重新安装另一个测试体2，重复上述步骤。

一共进行五次试验，所得数据如下表3所示：

表3本发明的检测装置与普通声波仪波速对比表

由上述表2～3和图8～10所示，在施加应力波前，本装置和普通声波仪所测得的波速基本一致，而在三轴霍普金森杆施加应力波之后，本装置原位测试的波速与卸荷后用普通声波仪所测的波速存在约为百分之十的差距，而测试体完整性系数差距在百分之二十左右。由此可以说明，测试体在三轴霍普金森试验卸载后，存在明显的卸荷效应，以至于测试体在卸荷后受到二次损伤，普通声波仪并不能得到原位状态下的岩石损伤情况。

以上所述发明仅表达了本发明实施例的实施方式，并不能因此理解为对发明专利范围的限制，也并非对本发明实施例的结构作任何形式上的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明实施例的保护范围。