一种高温高压岩石真三轴试验中传感器的校核方法

技术领域

本发明属于岩石力学与工程技术领域，特别是涉及一种高温高压岩石真三轴试验中传感器的校核方法。

背景技术

在岩石力学领域中，高温高压岩石真三轴力学试验是探究深部岩体力学性质的重要手段之一，无论是地热或油气开发，还是深部隧道高地温灾害防治等研究，高温高压岩石真三轴力学试验都具有不可或缺的作用。

目前，高温高压岩石真三轴试验仪主要有全刚和刚柔混合两种类型，其中刚柔混合型的高温高压岩石真三轴试验仪的得到了广泛的应用。

以刚柔混合型的岩石高温高压真三轴试验仪为例，在试验过程中，围压是通过液压施加的柔性加载力，温度是通过充满加压液的加热箱进行的高温加载，而液压和高温会对岩石力学实验中所用的位移传感器、压力传感器、声发射传感器等各类传感器产生影响，不仅会使岩石力学实验过程中的变形测量值、压力测量值、声发射振铃计数与真实值产生误差，还会影响试验过程中各类传感器对真三轴试验仪控制系统的反馈，以及加载过程中的精确程度。

因此，在使用刚柔混合型的高温高压岩石真三轴试验仪进行岩石力学试验时，有必要排除高温高压对传感器的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高温高压岩石真三轴试验中传感器的校核方法，在使用刚柔混合型的高温高压岩石真三轴试验仪进行岩石力学试验时，能够校核高温高压对位移传感器、压力传感器、声发射传感器等各类岩石力学试验用传感器的影响，并得出相关函数及影响系数，通过得出的影响函数，可以在后续的岩石力学试验过程中排除高温高压对试验结果的影响，进而提高试验结果的准确性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高温高压岩石真三轴试验中传感器的校核方法，包括如下步骤：

步骤一：标定目标传感器；

步骤二：安装试样组合体至真三轴试验仪并连接目标传感器和温度传感器；

步骤三：在室温至设定最高温度的升温过程中进行各个温度节点下的加卸压循环；

步骤四：在设定最高温度至室温的降温过程中进行各个温度节点下的加卸压循环；

步骤五：断开目标传感器和温度传感器并将试样组合体移出真三轴试验仪；

步骤六：数据处理。

步骤一的具体操作步骤为：

步骤①：准备一台目标传感器标定仪；

步骤②：将目标传感器安装在目标传感器标定仪上，并将目标传感器接入真三轴控制系统；

步骤③：对目标传感器标定仪和真三轴试验仪控制系统的读数进行双清零；

步骤④：以相同步长或间隔，在目标传感器标定仪内对目标传感器进行测量，同时记录下目标传感器标定仪和真三轴试验仪控制系统上的每一个测量节点处的读数；

步骤⑤：将目标传感器标定仪的读数作为真实值，将真三轴试验仪控制系统的读数作为测量值，再将目标传感器的测量值与真实值进行拟合，以验证目标传感器的读数可靠性。

步骤二的具体操作步骤为：

步骤①：准备瑛刚块和互扣式夹具，瑛刚块用于模拟试样，将瑛刚块与互扣式夹具组合到一起，再将目标传感器与瑛刚块和互扣式夹具组合到一起形成试样组合体，或是将目标传感器单独安装到真三轴试验仪内的指定位置处；

步骤②：在试样组合体的中部安装上温度传感器，之后将安装有温度传感器的试样组合体送入真三轴试验仪内；

步骤③：将目标传感器及温度传感器接入真三轴试验仪控制系统，然后调整目标传感器使其处于试验量程范围内，之后完成加热箱的封装，最后下放夹持器；

步骤④：封闭真三轴试验仪并完成充液，排尽加载仓及加热箱内的所有气泡，然后记录下目标传感器在常温及0MPa状态下稳定后的目标测量初始值以及温度传感器的温度测量初始值。

步骤三的具体操作步骤为：

步骤①：启动压力加载，在室温下压力值按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录目标传感器在室温时每一级压力下稳定后的目标测量值；

步骤②：启动加热，通过温度传感器进行温度加载控制，先将加热箱内的温度加热至40℃并保持稳定，然后记录目标传感器的目标测量值和温度传感器的温度测量值；

步骤③：在40℃下压力值按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录目标传感器在40℃时每一级压力下稳定后的目标测量值；

步骤④：启动升温，直至温度升高到设定最高温度，当温度低于100℃时，以20℃的温度梯度进行升温，当温度超过100℃时，以30℃的温度梯度进行升温，而且在每个温度梯度节点下压力值均按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录目标传感器在每个温度梯度节点时每一级压力下稳定后的目标测量值。

步骤四的具体操作步骤为：

步骤①：启动降温，直至温度由设定最高温度下降到40℃，当温度超过100℃时，以30℃的温度梯度进行降温，当温度低于100℃时，以20℃的温度梯度进行降温，而且在每个温度梯度节点下压力值均按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录目标传感器在每个温度梯度节点时每一级压力下稳定后的目标测量值；

步骤②：关闭加热，直至温度下降到室温并保持稳定，在室温下压力值按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录目标传感器在室温时每一级压力下稳定后的目标测量值。

步骤五的具体操作步骤为：

当完成各个温度节点下的加卸压循环后，先进行排液，再上升夹持器，然后拆开加热箱，之后断开目标传感器和温度传感器，最后从真三轴试验仪中取出试样组合体，或者将单独安装的目标传感器取出。

步骤六的具体操作步骤为：

步骤①：将目标传感器在试验全过程中获取的目标测量值分别减去其各自的目标测量初始值，进行初始归零操作；

步骤②：根据归零后的数据拟合出目标传感器的测量数据在各个压力值下的升温和降温过程中随温度变化的曲线和影响函数；

步骤③：根据归零后的数据拟合出目标传感器的测量数据在各个温度梯度节点下的升压和降压过程中随压力变化的曲线和影响函数。

本发明的有益效果：

本发明的高温高压岩石真三轴试验中传感器的校核方法，在使用刚柔混合型的高温高压岩石真三轴试验仪进行岩石力学试验时，能够校核高温高压对位移传感器、压力传感器、声发射传感器等各类岩石力学试验用传感器的影响，并得出相关函数及影响系数，通过得出的影响函数，可以在后续的岩石力学试验过程中排除高温高压对试验结果的影响，进而提高试验结果的准确性和可靠性。

附图说明

图1为实施例中位移传感器标定仪的示意图；

图2为实施例中试样组合体的正视图；

图3为实施例中试样组合体的侧视图；

图4为实施例中试样组合体的俯视图；

图中，1—位移传感器标定仪，2—最大主应力方向位移传感器，3—中间主应力方向位移传感器，4—最小主应力方向位移传感器，5—瑛刚块，6—互扣式夹具，7—温度传感器。

具体实施方式

需要注意的是，目标传感器是对岩石力学实验过程中所使用的位移传感器、压力传感器、声发射传感器等传感器的统称，亦即采用本发明所提供的方法进行校核时所针对的某一类传感器，并且目标测量值即为位移测量值、压力测量值或声发射测量值。

为了便于理解，下面将以位移传感器为例，结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种高温高压岩石真三轴试验中传感器的校核方法，包括如下步骤：

步骤一：标定位移传感器，具体操作步骤为：

步骤①：准备一台如图1所示的位移传感器标定仪1；

步骤②：将最大主应力方向位移传感器2安装到位移传感器标定仪1上，同时将最大主应力方向位移传感器2接入真三轴试验仪控制系统；

步骤③：控制位移传感器标定仪1的顶针伸出，压缩最大主应力方向位移传感器2产生变形，并使真三轴试验仪控制系统中显示的读数为0mm，然后将位移传感器标定仪1和真三轴试验仪控制系统的读数进行清零；

步骤④：控制位移传感器标定仪1的顶针伸出，以0mm为起始点，每隔0.2mm为一个位移节点，直至将最大主应力方向位移传感器2调至最大正量程(+2.5mm)，之后以最大正量程点为起始点，也每隔0.2mm为一个位移节点，直至将最大主应力方向位移传感器2调至最大负量程(-2.5mm)，最后以最大负量程点为起始点，同样每隔0.2mm为一个位移节点，直至将最大主应力方向位移传感器2调至0mm的读数位置；同时，记录下位移传感器标定仪1和真三轴试验仪控制系统上的每一个位移节点处的读数；最后，重复步骤②至步骤④，区别在于将最大主应力方向位移传感器2分别更换为中间主应力方向位移传感器3和最小主应力方向位移传感器4；

步骤⑤：将位移传感器标定仪1的读数作为位移真实值，将真三轴试验仪控制系统的读数作为位移测量值，再将三个位移传感器的位移测量值与位移真实值进行拟合，以验证三个位移传感器的读数可靠性；具体的，得到的拟合函数如下：

L

L

L

式中，L

通过拟合函数可知，斜率基本为1，并且截距极小，因此可以判断三个位移传感器的位移测量值与位移真实值的相差极小，具有良好的读数可靠性；

步骤二：安装试样组合体至真三轴试验仪并连接位移传感器和温度传感器，具体操作步骤为：

步骤①：准备瑛刚块5和互扣式夹具6，瑛刚块5用于模拟试样，将瑛刚块5与互扣式夹具6组合到一起，再将最大主应力方向位移传感器2、中间主应力方向位移传感器3及最小主应力方向位移传感器4与瑛刚块5和互扣式夹具6组合到一起，最终形成如图2-4所示的试样组合体；具体的，瑛刚块5的尺寸为50mm×50mm×100mm；

步骤②：在试样组合体的中部安装上温度传感器7，之后将安装有温度传感器7的试样组合体送入真三轴试验仪内；

步骤③：将最大主应力方向位移传感器2、中间主应力方向位移传感器3、最小主应力方向位移传感器4及温度传感器7接入真三轴试验仪控制系统，然后调整三个位移传感器的触针伸长量，使三个位移传感器均处于试验量程范围内，之后完成加热箱的封装，最后下放夹持器；

步骤④：封闭真三轴试验仪并完成充液，排尽加载仓及加热箱内的所有气泡，然后记录下三个位移传感器在常温及0MPa状态下稳定后的位移初始值以及温度传感器7的温度初始值；

步骤三：在室温至设定最高温度的升温过程中进行各个温度节点下的加卸压循环，具体操作步骤为：

步骤①：启动压力加载，在室温下压力值按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录三个位移传感器在室温时每一级压力下稳定后的位移测量值；具体的，压力值的变化规律为“10-20-30-40-50-60-50-40-30-20-10MPa”；

步骤②：启动加热，通过温度传感器7进行温度加载控制，先将加热箱内的温度加热至40℃并保持稳定，然后记录三个位移传感器的位移测量值和温度传感器的温度测量值；

步骤③：在40℃下压力值按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录三个位移传感器在40℃时每一级压力下稳定后的位移测量值；具体的，压力值的变化规律为“10-20-30-40-50-60-50-40-30-20-10MPa”；

步骤④：启动升温，直至温度升高到设定最高温度(250℃)，当温度低于100℃时，以20℃的温度梯度进行升温，当温度超过100℃时，以30℃的温度梯度进行升温，而且在每个温度梯度节点下压力值均按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录三个位移传感器在每个温度梯度节点时每一级压力下稳定后的位移测量值；具体的，压力值的变化规律为“10-20-30-40-50-60-50-40-30-20-10MPa”；

步骤四：在设定最高温度至室温的降温过程中进行各个温度节点下的加卸压循环，具体操作步骤为：

步骤①：启动降温，直至温度由设定最高温度(250℃)下降到40℃，当温度超过100℃时，以30℃的温度梯度进行降温，当温度低于100℃时，以20℃的温度梯度进行降温，而且在每个温度梯度节点下压力值均按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录三个位移传感器在每个温度梯度节点时每一级压力下稳定后的位移测量值；具体的，压力值的变化规律为“10-20-30-40-50-60-50-40-30-20-10MPa”；

步骤②：关闭加热，直至温度下降到室温并保持稳定，在室温下压力值按照“小-大-小”的变化规律对试样组合体进行加卸压循环，并记录三个位移传感器在室温时每一级压力下稳定后的位移测量值；具体的，压力值的变化规律为“10-20-30-40-50-60-50-40-30-20-10MPa”；

步骤五：断开位移传感器和温度传感器并将试样组合体移出真三轴试验仪，具体操作步骤为：

当完成各个温度节点下的加卸压循环后，先进行排液，再上升夹持器，然后拆开加热箱，之后断开位移传感器和温度传感器，最后从真三轴试验仪中取出试样组合体；

步骤六：拟合出位移传感器的位移数据在各个压力下随温度变化的曲线及影响函数，具体操作步骤为：

步骤①：将三个位移传感器在试验全过程中获取的位移测量值分别减去其各自的位移初始值，进行初始归零操作；

步骤②：根据归零后的数据拟合出三个位移传感器的位移数据在各个压力值下的升温和降温过程中随温度变化的曲线和影响函数；具体的，仅以最大主应力方向位移传感器2为例，且以压力值的节点为10MPa为例，得到的影响函数如下：

升温过程：d＝0.87T-37.4μm(R

降温过程：d＝0.89T-36.5μm(R

式中，d为位移传感器测量值，T为温度值，R为拟合系数；

步骤③：根据归零后的数据拟合出三个位移传感器的位移数据在各个温度梯度节点下的升压和降压过程中随压力变化的曲线和影响函数；具体的，仅以最大主应力方向位移传感器2为例，且以温度梯度节点为80℃为例，得到的影响函数如下：

升压过程：d＝-0.51P+87.5μm(R

降压过程：d＝-0.48P+84.2μm(R

式中，d为位移传感器测量值，P为压力值，R

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。