專利名稱：巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲發(fā)射與電阻率的聯(lián)合實時監(jiān)測裝置，特別涉及巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，巖石是一種在長期地質(zhì)條件下形成的十分復(fù)雜的力學(xué)介質(zhì)，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(xué)性質(zhì)有著十分顯著的影響。而傳統(tǒng)的巖石力學(xué)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(shù)，這對于描述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)來說是遠遠不夠的。因此，有學(xué)者引入電阻率和聲發(fā)射技術(shù)來研究巖石的破裂過程。作為巖石的基本物理參數(shù)，電阻率反映了巖石導(dǎo)電性能的好壞，其變化情況可以直接反映巖石內(nèi)部的裂隙賦存狀態(tài)，從而對巖石破壞狀態(tài)進行監(jiān)測。但之前的試驗研究大都受到了儀器采集頻率低的限制，難以捕捉到巖石破裂瞬間電阻率的變化情況，相比于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，電阻率數(shù)據(jù)的不完整性顯得更加明顯。一方面，這可能會導(dǎo)致關(guān)鍵信息的丟失，給試驗分析帶來困難；另一方面，不完整的數(shù)據(jù)可能會將試驗結(jié)論引入歧途，有些時候甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)果。當(dāng)巖石發(fā)生變形或斷裂時，產(chǎn)生的應(yīng)變能將會以彈性波形式釋放出來，引起聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射信號中包含了大量信息參數(shù)，在一定程度上反映了巖石的應(yīng)力狀態(tài)和能量釋放情況，與巖石受力破壞過程息息相關(guān)。但之前的試驗研究大都停留在對聲發(fā)射結(jié)果的描述上，缺乏與其他監(jiān)測手段的對比分析，而現(xiàn)有的聲發(fā)射技術(shù)抵抗外界環(huán)境噪音的能力較弱，容易受到周圍噪聲的干擾，這樣就往往導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果存在誤差。同時，試驗過程中粘貼聲發(fā)射探頭費時費力，使得試驗效率較低。綜上所述，現(xiàn)有的巖石破裂過程監(jiān)測手段存在如下問題①傳統(tǒng)的巖石單軸壓縮試驗所獲得的力學(xué)參數(shù)對巖石破裂過程的描述不夠精確，而現(xiàn)有的監(jiān)測手段，如電阻率和聲發(fā)射監(jiān)測方法，都具有各自的局限性，因而僅僅采用單一的監(jiān)測手段對巖石破裂過程的判斷分析并不準確現(xiàn)有的電阻率監(jiān)測方法大都受到儀器采樣頻率低的限制，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(dǎo)致關(guān)鍵信息的丟失，影響分析結(jié)果；③現(xiàn)有的聲發(fā)射監(jiān)測方法，抵抗外界環(huán)境噪音的能力較弱，容易受到周圍噪聲的干擾，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果存在誤差，同時，試驗過程中聲發(fā)射探頭的布設(shè)費時費力，使得試驗效率很低。為此，發(fā)明一種聯(lián)合監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對單軸壓縮試驗條件下、巖樣破裂過程中聲發(fā)射與電阻率的同步實時監(jiān)測，為巖石破裂過程的試驗研究提供一條可行的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，可以同時進行聲發(fā)射和電阻率的測量工作，方便快捷，特別適用于小尺寸巖樣表面狹小空間條件下的聯(lián)合監(jiān)測，解決了由于巖樣表面空間狹小，聲發(fā)射探頭和電極布置受限的難題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案—種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置,包括聲發(fā)射-電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)、應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和實時顯示系統(tǒng)；所述聲發(fā)射-電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)包括聲電集成測試探頭、聲電集成測試探頭夾持裝置、聲發(fā)射采集模塊、電阻率采集模塊和供電模塊；所述應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)包括應(yīng)力采集模塊和應(yīng)變采集模塊；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括應(yīng)力處理模塊、應(yīng)變處理模塊、聲發(fā)射處理模塊和電阻率處理模塊；所述聲發(fā)射采集模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳給聲發(fā)射處理模塊，聲發(fā)射處理模塊將處理后的數(shù)據(jù)反饋給電阻率采集模塊，電阻率采集模塊調(diào)節(jié)采集頻率后將采集的數(shù)據(jù)傳輸給電阻率處理模塊，應(yīng)力采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)力處理模塊，應(yīng)變采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)變處理模塊，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)整合分類后通過實時顯示系統(tǒng)顯示出來。所述聲電集成測試探頭夾持裝置上設(shè)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鉆孔連接，所述聲電集成測試探頭的后端通過電纜連接到聲發(fā)射采集模塊和電阻率采集模塊，所述聲發(fā)射采集模塊和電阻率采集模塊都與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與實時顯示系統(tǒng)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(yīng)力采集模塊連接，下承壓板與應(yīng)變采集模塊連接，所述應(yīng)力采集模塊和應(yīng)變采集模塊都與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，所述聲發(fā)射采集模塊、電阻率采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(dǎo)線、前置放大器和電纜組成，所述殼體為圓柱形，所述殼體設(shè)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(nèi)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(dǎo)線與前置放大器連接，電極的信號由導(dǎo)線導(dǎo)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后的信號和導(dǎo)線傳遞過來的信號導(dǎo)出，傳送給后續(xù)的采集
>J-U裝直。所述聲電集成測試探頭特別適用于在小尺寸巖樣表面狹小空間條件下的聯(lián)合監(jiān)測。所述殼體是金屬制成，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(shè)計成圓弧狀，與圓柱體標(biāo)準巖樣表面更好地接觸，方便聲發(fā)射耦合，所述壓電元件制作成空心的圓柱體，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制作而成，用來防止電極中的電流對壓電元件造成干擾。所述壓電元件套管是由吸聲材料制成的空心圓柱體。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(chǎn)生的信號造成干擾。所述聲電集成測試探頭夾持裝置由探頭夾、滑桿、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、主支桿、鉸鏈和底座組成，所述主支桿焊接在底座上，底座起支撐作用，主支桿又分為上下兩段，上下兩段之間通過鉸鏈相連接，所述主支桿上通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)固定一根滑桿，所述滑桿的一端設(shè)有探頭夾，所述探頭夾用于夾持探頭。所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)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(shè)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(shè)有圓孔，圓孔的直徑與滑桿的直徑一致，所述鎖緊滑塊套在固定端上，鎖緊滑塊曲面部分設(shè)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(xiàn)。所述探頭夾包括第二螺絲、第二夾具、第二旋鈕，滑桿與第二螺絲焊接，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(xiàn)。所述鉸鏈包括螺母和第三旋鈕，螺母與第三螺絲焊接，主支桿上下兩段的連接通過第三螺絲與第三旋鈕的配合來實現(xiàn)。實際使用時通過不斷旋轉(zhuǎn)調(diào)整鉸鏈、轉(zhuǎn)動機構(gòu)和探頭夾，來實現(xiàn)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(fā)射采集模塊負責(zé)采集巖樣破裂過程中的聲發(fā)射信號，經(jīng)過處理后再傳輸?shù)铰暟l(fā)射處理模塊。所述電阻率采集模塊負責(zé)采集試驗過程中巖樣的電阻率信號，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮杪侍幚砟K。所述電阻率采集模塊實現(xiàn)了電阻率數(shù)據(jù)的超高頻自動采集，最高頻率可達250KHZ。同時，所述電阻率采集模塊還能夠接受來自聲發(fā)射處理模塊的反饋調(diào)節(jié)，依據(jù)巖石破裂前聲發(fā)射數(shù)急劇增長的規(guī)律，自動提高電阻率采集頻率，確保能夠完整地采集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數(shù)據(jù)。所述供電模塊的功能即為整個聲發(fā)射-電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)供電。所述應(yīng)力采集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責(zé)采集試驗過程中壓力機所施加的壓力及其對應(yīng)的時間，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綉?yīng)力處理模塊。所述應(yīng)變采集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責(zé)采集試驗過程中壓力機上承壓板向下的位移及其對應(yīng)的時間，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綉?yīng)變處理模塊。所述應(yīng)力處理模塊可以接受來自應(yīng)力采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理后得到巖樣所受應(yīng)力，之后再將數(shù)據(jù)以表格的形式實時記錄下來。所述應(yīng)變處理模塊可以接受來自應(yīng)變采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理后得到巖樣所受應(yīng)變，之后再將數(shù)據(jù)以表格的形式實時記錄下來。所述聲發(fā)射處理模塊可以將來自聲發(fā)射采集模塊的數(shù)據(jù)進行分析整合，從中挑選出振鈴計數(shù)、能量數(shù)及其對應(yīng)時間，并記錄成表。所述電阻率處理模塊可以接受來自電阻率采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理后得到巖樣每一時刻的電阻率，并將數(shù)據(jù)以表格的形式實時記錄下來。所述實時顯示系統(tǒng)主要負責(zé)將來自數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的結(jié)果實時繪制成關(guān)系曲線，如應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、應(yīng)力-時間關(guān)系曲線、應(yīng)變-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、聲發(fā)射能量數(shù)-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射能量數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、電阻率-時間關(guān)系曲線、電阻率-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線等。并能夠把其中任意四種曲線在同一屏幕內(nèi)分屏動態(tài)顯示，從而能夠更加直觀地觀測到聲發(fā)射、電阻率同應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系。上述一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置所采用的監(jiān)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，在巖樣上鉆若干的孔，利用聲電集成測試探頭夾持裝置實現(xiàn)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鉆孔中，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；所述鉆孔中都填充有耦合劑；所述耦合劑是電阻率的耦合劑，所述耦合劑可以是硅膠；步驟二，連接各個模塊，所述各個模塊包括聲發(fā)射采集模塊、電阻率采集模塊、供電模塊、應(yīng)力采集模塊、應(yīng)變采集模塊、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實時顯示系統(tǒng)；接通電源并開啟各個模塊，在操作數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中輸入巖樣的基本參數(shù)，剛性伺服壓力機開始工作；所述巖樣的基本參數(shù)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(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸和反饋調(diào)節(jié)所述信息采集包括聲發(fā)射采集模塊對巖樣聲發(fā)射數(shù)據(jù)的采集、電阻率采集模塊對巖樣電阻率數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)力采集模塊對巖樣應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)變采集模塊對巖樣應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集；所述數(shù)據(jù)傳輸包括聲發(fā)射采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的聲發(fā)射處理模塊、電阻率采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的電阻率處理模塊、應(yīng)力采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)力處理模塊、應(yīng)變采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)變處理模塊，所述反饋調(diào)節(jié)是指聲發(fā)射處理模塊將聲發(fā)射采集模塊采集的信息分析處理后反饋給電阻率采集模塊的過程；步驟四，數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集的信息進行分析整合；步驟五，實時顯示實時顯示系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)進行實時顯示。所述步驟三的反饋調(diào)節(jié)主要包括以下步驟步驟(3-1)，聲電集成測試探頭采集巖樣的聲發(fā)射信號，并將采集到的聲發(fā)射信號傳輸給聲發(fā)射采集模塊；步驟(3-2)，聲發(fā)射采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給聲發(fā)射處理模塊；步驟(3-3)，聲發(fā)射處理模塊對傳輸過來的信號進行處理，判斷聲發(fā)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)，提高電阻率采集模塊的采集頻率，返回步驟(3-1)。本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明提出的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合實時監(jiān)測裝置首次實現(xiàn)了巖石單軸壓縮試驗過程中聲發(fā)射、電阻率、應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的同步實時采集，從而能夠?qū)r樣破裂信息進行實時動態(tài)捕捉；(2)本發(fā)明提出的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合實時監(jiān)測裝置中的電阻率采集模塊實現(xiàn)了電阻率數(shù)據(jù)的超高頻自動采集，最高頻率可達250KHz，能夠完整的采集到巖樣破裂瞬間電阻率變化情況；(3)本發(fā)明提出的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合實時監(jiān)測裝置中的電阻率采集模塊還能夠接受來自聲發(fā)射處理模塊的反饋調(diào)節(jié)，依據(jù)巖石破裂前聲發(fā)射數(shù)急劇增長的規(guī)律，自動提高電阻率采集頻率，確保能夠完整地采集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數(shù)據(jù)；
(4)本發(fā)明提出了一種聲電集成測試探頭，可以同時進行聲發(fā)射和電阻率的測量工作，方便快捷，特別適用于小尺寸巖樣表面狹小空間條件下的聯(lián)合監(jiān)測，解決了由于巖樣表面空間狹小，聲發(fā)射探頭和電極布置受限的難題；(5)本發(fā)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(diào)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(fā)明實施例1中聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合實時監(jiān)測裝置的整體布置圖；圖2是本發(fā)明各模塊之間的工作流程圖；圖3是本發(fā)明聲發(fā)射處理模塊對電阻率采集模塊反饋調(diào)節(jié)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(zhuǎn)動機構(gòu)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.涂有絕緣漆的塑料薄膜，6.鉆孔，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(fā)射采集模塊，12.電阻率采集模塊，13.供電模塊，14.聲電集成測試探頭夾持裝置，15.應(yīng)力采集模塊，16.應(yīng)變采集模塊，17.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，18.實時顯示系統(tǒng)，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(dǎo)線，26.前置放大器，27.電纜，28.探頭夾，29.轉(zhuǎn)動機構(gòu)，30.滑桿，31.主支桿，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(jié)合附圖與實施例對本發(fā)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(fā)射與電阻率聯(lián)合實時監(jiān)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(guī)的圓柱體標(biāo)準試件，其尺寸為050mmX 100mm,符合《GB/T50266-99工程巖體試驗方法標(biāo)準》的要求。巖樣2與上承壓板3、下承壓板4之間粘貼著一層涂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(dǎo)。巖樣2的電阻率測量采用四極法，因而需要事先在巖樣2 —側(cè)同一直線上布置四個鉆孔6,相鄰鉆孔6間距從上到下依次為15mm、50mm、15mm,每個鉆孔6直徑約3mm,孔深約8_，盡量減小鉆孔6對試件力學(xué)性能的影響。試驗時需要將四個鉆孔6附近清理干凈，然后利用聲電集成測試探頭夾持裝置14來實現(xiàn)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，之后就不斷調(diào)整探頭夾28、轉(zhuǎn)動機構(gòu)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可以恰好伸進鉆孔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，四個鉆孔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(fā)射測試結(jié)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之間涂抹低強度硅膠作為耦合劑，這樣不會對巖樣2的力學(xué)性質(zhì)造成影響，而且在試驗結(jié)束后也容易將聲電集成測試探頭與巖樣2分離。最后把聲發(fā)射采集模塊11、電阻率采集模塊12分別與供電模塊13相連接，組成完整的聲發(fā)射-電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)，并將聲發(fā)射采集模塊11和電阻率采集模塊12都與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)17相連，實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)由應(yīng)力采集模塊15和應(yīng)變采集模塊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(yīng)力采集模塊15連接，剛性伺服壓力機I的下承壓板4與應(yīng)變采集模塊16連接，并通過數(shù)據(jù)線實現(xiàn)應(yīng)力采集模塊15和應(yīng)變采集模塊16與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)17之間的信息傳輸。最后再連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)17與實時顯示系統(tǒng)18，這樣聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合實時監(jiān)測裝置各模塊之間的連接就基本完成了。各模塊連接完成后，還需要檢查相互之間的連線，確保無誤后，接通電源、并開啟各個模塊。在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(shù)進行保存，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。然后分別對聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)和應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)進行調(diào)試正常情況下，實時顯示系統(tǒng)18中顯示的電阻率-時間關(guān)系曲線應(yīng)該接近一條直線，如果沒有讀數(shù)或者讀數(shù)過高，則應(yīng)檢查導(dǎo)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、涂有絕緣漆的塑料薄膜5是否完整等等；實時顯示系統(tǒng)18中顯示的聲發(fā)射振鈴計數(shù)-時間關(guān)系曲線和聲發(fā)射能量數(shù)-時間關(guān)系曲線，都應(yīng)該表現(xiàn)為數(shù)值很小的直線，并且敲打巖樣2時，數(shù)值會突然升高，如果發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量數(shù)都不穩(wěn)定，則應(yīng)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、硅膠是否起到了耦合作用等等；應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)的正常與否可以根據(jù)實時顯示系統(tǒng)18中顯示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線來判斷，控制上承壓板3向下緩慢移動，在與巖樣2接觸前，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線應(yīng)該是數(shù)值為0的一條直線，當(dāng)兩者相接觸時應(yīng)力值會突然上升。經(jīng)過檢查，確保各模塊工作正常后，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(fā)射和電阻率數(shù)據(jù)的采集，直至最終破裂。試驗過程中，聯(lián)合實時監(jiān)測裝置的具體工作流程如圖2所示。應(yīng)力采集模塊I5采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(yīng)的時間t (S)，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)17中的應(yīng)力處理模塊。然后應(yīng)力處理模塊根據(jù)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(yīng)力o (MPa)，再將直徑、壓力、應(yīng)力及其對應(yīng)的時間以表格的形式實時記錄下來。應(yīng)變采集模塊16采集試驗過程中上承壓板3向下的位移y (mm)及其對應(yīng)的時間t (S)，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)17中的應(yīng)變處理模塊。然后應(yīng)變處理模塊根據(jù)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(yīng)變￡，再將長度、位移、應(yīng)變及其對應(yīng)的時間以表格的形式實時記錄下來。聲發(fā)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采集試驗過程中的聲發(fā)射信號，經(jīng)過放大處理后再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)17中的聲發(fā)射處理模塊。然后聲發(fā)射處理模塊將數(shù)據(jù)進行分析整合，從中挑選出振鈴計數(shù)、能量數(shù)及其對應(yīng)時間，記錄成表。電阻率采集模塊12采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A(yù)U (V)、流經(jīng)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)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)17中的電阻率處理模塊。特別的，當(dāng)聲發(fā)射數(shù)突然變大時，電阻率采集模塊12自動進行調(diào)節(jié)，自動提高電阻率采集頻率，其反饋調(diào)節(jié)過程如圖3所示。電阻率處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)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(yīng)的時間以表格的形式實時記錄下來。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)17將處理后的數(shù)據(jù)分類整合，實時顯示系統(tǒng)18再以此為基礎(chǔ)實時繪制出關(guān)系曲線(如應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、應(yīng)力-時間關(guān)系曲線、應(yīng)變-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、聲發(fā)射能量數(shù)-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射能量數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、電阻率-時間關(guān)系曲線、電阻率-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線等)，并在同一屏幕內(nèi)分屏動態(tài)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(fā)射信號受到干擾。聲發(fā)射信號的采集是通過壓電元件20來實現(xiàn)的，壓電元件20前端設(shè)計成圓弧狀，可以與圓柱體標(biāo)準巖樣2表面更好地接觸，方便聲發(fā)射耦合，另外，壓電元件20制作成空心的圓柱體，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鉆孔6中，并使壓電元件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是由絕緣材料制作而成的，可以用來防止電極19中的電流對壓電元件20造成干擾。壓電元件20與殼體24之間是壓電元件套管21，它是由吸聲材料制成的空心圓柱體。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(chǎn)生的信號造成干擾。試驗過程中，電極19采集巖樣2破裂產(chǎn)生的電阻率信號，并傳遞給導(dǎo)線25 ;同時，壓電兀件20拾取巖樣2表面的彈性波,并將機械能轉(zhuǎn)換成電信號，通過低噪音電纜23傳輸?shù)角爸梅糯笃?6進行放大處理。最后，電纜27負責(zé)將前置放大器26處理過的信號和導(dǎo)線25傳遞的電信號分別導(dǎo)出，傳送給后續(xù)的采集裝置。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(zhuǎn)動機構(gòu)29、滑桿30、主支桿31、鉸鏈32和底座33組成。底座33支撐整個裝置，并與主支桿31相連。實際使用中可以根據(jù)需要在主支桿31上安裝多個轉(zhuǎn)動機構(gòu)29，并附帶滑桿30和探頭夾28，實現(xiàn)多個探頭同時夾持。主支桿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(jié)構(gòu)如圖6所示，主支桿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，主支桿31上段就能夠以螺絲為軸、相對主支桿31下段前后轉(zhuǎn)動，調(diào)整到合適的位置后，再擰緊第三旋鈕39就可以將主支桿31上下兩段的相對位置固定下來。主支桿31上段與滑桿30之間通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)29相連接，如圖7所示，轉(zhuǎn)動機構(gòu)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，大小可容滑桿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(jié)構(gòu)，右端留有圓孔供第一螺絲38穿過，左端平齊開口，同時在左端口處設(shè)計有與滑桿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嵌套在主支桿31上，這時可以將轉(zhuǎn)動機構(gòu)29沿主支桿31上下移動，并能夠繞主支桿31自由轉(zhuǎn)動，同時，鎖緊滑塊35與固定端34之間形成的圓孔可供滑桿30來回移動，并能夠使滑桿30以第一螺絲38為軸自由旋轉(zhuǎn)?；瑮U30 —端設(shè)置有探頭夾28，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示，第二螺絲43的一端焊接在滑桿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(huán)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(diào)整第二旋鈕42的松緊，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(zhuǎn)動。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)。
權(quán)利要求
1.一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，包括聲發(fā)射-電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)、應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和實時顯示系統(tǒng)；所述聲發(fā)射-電阻率聯(lián)合測量系統(tǒng)的聲發(fā)射采集模塊和電阻率采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于測試被夾持在剛性伺服壓力機的巖樣的各種信息，聲發(fā)射采集模塊和電阻率采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；聲電集成測試探頭安裝在聲電集成測試探頭夾持裝置上，電阻率采集模塊還能夠接收來自數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，聲發(fā)射采集模塊和電阻率采集模塊通過供電模塊供電；所述應(yīng)力-應(yīng)變測量系統(tǒng)的應(yīng)力采集模塊與剛性伺服壓力機上承壓板連接，應(yīng)變采集模塊與下承壓板連接；所述應(yīng)力采集模塊與應(yīng)變采集模塊采集到的數(shù)據(jù)都上傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理后通過實時顯示系統(tǒng)顯示出來。
2.如權(quán)利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，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(dǎo)線、前置放大器和電纜組成，所述殼體為圓柱形，所述殼體設(shè)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(nèi)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(dǎo)線與前置放大器連接，電極的信號由導(dǎo)線導(dǎo)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后的信號和導(dǎo)線傳遞過來的信號導(dǎo)出，傳送給后續(xù)的采集裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，所述壓電元件前端成圓弧狀，與圓柱體標(biāo)準巖樣表面更好地接觸，所述壓電元件制作成空心的圓柱體，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制作而成；所述壓電元件套管是由吸聲材料制成的空心圓柱體。
4.如權(quán)利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，所述聲電集成測試探頭夾持裝置由探頭夾、滑桿、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、主支桿、鉸鏈和底座組成，所述主支桿焊接在底座上，底座起支撐作用，主支桿又分為上下兩段，上下兩段之間通過鉸鏈相連接，所述主支桿上通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)固定一根滑桿，所述滑桿的一端設(shè)有探頭夾，所述探頭夾用于夾持探頭。
5.如權(quán)利要求4所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)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(shè)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(shè)有圓孔，圓孔的直徑與滑桿的直徑一致，所述鎖緊滑塊套在固定端上，鎖緊滑塊曲面部分設(shè)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(xiàn)；所述探頭夾包括第二螺絲、第二夾具、第二旋鈕，滑桿與第二螺絲焊接，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(xiàn)；所述鉸鏈包括螺母和第三旋鈕，螺母與第三螺絲焊接，主支桿上下兩段的連接通過第三螺絲與第三旋鈕的配合來實現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，所述聲發(fā)射采集模塊負責(zé)采集巖樣破裂過程中的聲發(fā)射信號，經(jīng)過處理后再傳輸?shù)铰暟l(fā)射處理模塊；所述電阻率采集模塊負責(zé)采集試驗過程中巖樣的電阻率信號，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮杪侍幚砟K；所述電阻率采集模塊實現(xiàn)了電阻率數(shù)據(jù)的超高頻自動采集，最高頻率達250KHZ ;同時，所述電阻率采集模塊還能夠接受來自聲發(fā)射處理模塊的反饋調(diào)節(jié)，依據(jù)巖石破裂前聲發(fā)射數(shù)急劇增長的規(guī)律，自動提高電阻率采集頻率，確保能夠完整地采集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數(shù)據(jù)；所述應(yīng)力采集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責(zé)采集試驗過程中壓力機所施加的壓力及其對應(yīng)的時間，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綉?yīng)力處理模塊；所述應(yīng)變采集模塊與剛性伺服壓力機相連接，負責(zé)采集試驗過程中壓力機上承壓板向下的位移及其對應(yīng)的時間，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綉?yīng)變處理模塊。
7.如權(quán)利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，所述應(yīng)力處理模塊接受來自應(yīng)力采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理后得到巖樣所受應(yīng)力，之后再將數(shù)據(jù)以表格的形式實時記錄下來； 所述應(yīng)變處理模塊接受來自應(yīng)變采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理后得到巖樣所受應(yīng)變，之后再將數(shù)據(jù)以表格的形式實時記錄下來； 所述聲發(fā)射處理模塊將來自聲發(fā)射采集模塊的數(shù)據(jù)進行分析整合，從中挑選出振鈴計數(shù)、能量數(shù)及其對應(yīng)時間，并記錄成表； 所述電阻率處理模塊接受來自電阻率采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理后得到巖樣每一時刻的電阻率，并將數(shù)據(jù)以表格的形式實時記錄下來； 所述實時顯示系統(tǒng)主要負責(zé)將來自數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的結(jié)果實時繪制成關(guān)系曲線，并能夠把其中任意四種曲線在同一屏幕內(nèi)分屏動態(tài)顯示，從而能夠更加直觀地觀測到聲發(fā)射、電阻率同應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系。
8.如權(quán)利要求7所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置，其特征是，所述關(guān)系曲線包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、應(yīng)力-時間關(guān)系曲線、應(yīng)變-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、聲發(fā)射能量數(shù)-時間關(guān)系曲線、聲發(fā)射能量數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、電阻率-時間關(guān)系曲線、電阻率-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。
9.如權(quán)利要求1所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置所采用的監(jiān)測方法，其特征是，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，接通電源并開啟各個模塊，在操作數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中輸入巖樣的基本參數(shù)，剛性伺服壓力機開始工作；所述巖樣的基本參數(shù)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(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸和反饋調(diào)節(jié)； 步驟四，數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集的信息進行分析整合； 步驟五，實時顯示實時顯示系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)進行實時顯示。
10.如權(quán)利要求9所述的一種巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測方法,其特征是，步驟二中， 所述信息采集包括聲發(fā)射采集模塊對巖樣聲發(fā)射數(shù)據(jù)的采集、電阻率采集模塊對巖樣電阻率數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)力采集模塊對巖樣應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)變采集模塊對巖樣應(yīng)變數(shù)據(jù)的米集； 所述數(shù)據(jù)傳輸包括聲發(fā)射采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的聲發(fā)射處理模塊、電阻率采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的電阻率處理模塊、應(yīng)力采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)力處理模塊、應(yīng)變采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)變處理模塊； 所述反饋調(diào)節(jié)是指 聲發(fā)射處理模塊將聲發(fā)射采集模塊采集的信息分析處理后反饋給電阻率采集模塊的過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了巖樣破裂過程的聲發(fā)射與電阻率聯(lián)合監(jiān)測裝置及監(jiān)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鉆孔連接，所述聲發(fā)射采集模塊和電阻率采集模塊都與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與實時顯示系統(tǒng)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(yīng)力采集模塊和應(yīng)變采集模塊都與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)了巖石單軸壓縮試驗過程中聲發(fā)射、電阻率、應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的同步實時采集，其中的電阻率采集模塊實現(xiàn)了電阻率數(shù)據(jù)的超高頻自動采集，接受反饋調(diào)節(jié)后自動提高電阻率采集頻率，確保能夠完整地采集到巖樣破裂過程中的電阻率變化數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)r樣破裂信息進行實時動態(tài)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(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者劉斌, 李術(shù)才, 許新驥, 劉征宇, 聶利超, 王靜, 宋杰, 孫懷鳳, 徐磊, 王傳武, 郝亭宇, 周浩, 林春金 申請人:山東大學(xué)