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专利名称：自动式岩石体积变形测量传感器与岩石试件体积变形测量方法
技术领域：
本发明属于岩石性能测试领域，特别涉及一种对岩石试件体积变形进行定量测试的器具与方法。
背景技术：
现有岩石试件的体积变形是利用安装在岩石试件上的纵向和横向引伸计，或贴在岩石试件表面的纵向和横向应变片，分别测量其两个方向的应变后，再根据公式计算出岩石的体积变形。然而，上述测量器具和方法只适用于小变形的硬岩，而对于可发生大变形的软岩则无法测量，且上述测量器具和方法测得的仅是岩石中部横截面对应的变形，并不是岩石的真实体积变形。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动式岩石体积变形测量传感器与岩石试件体积变形测量方法，以便能获得岩石试件在试验过程中体积变形的全过程数据，准确测量出岩石真实体积变形，且操作更加简便。本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器，包括测量油缸、活塞、活塞杆、位移传感器、进油主管、出油主管、第一输油支管、第二输油支管、第三输油支管、第四输油支管、第一截止阀、第二截止阀和自动控制器；活塞位于测量油缸内，将测量油缸分为第一腔室和第二腔室，第一截止阀安装在进油主管上，第二截止阀安装在出油主管上，第一输油支管的一端与第一截止阀连接，其另一端与测量油缸的第一腔室连接，第二输油支管的一端与第二截止阀连接，其另一端与测量油缸的第二腔室连接，第三输油支管的一端与第一截止阀连接，其另一端与出油主管连接，且连接处位于第二截止阀与出油主管的端口之间，第四输油支管的一端与第二截止阀连接，其另一端与进油主管连接，且连接处位于第一截止阀与进油主管的端口之间；活塞杆为两根，两活塞杆的一端分别与活塞两端面的中心部位固连，且它们的中心线与活塞的中心线重合，两活塞杆的另一端分别从测量油缸两端的端盖伸出；位移传感器安装在测量油缸的外侧壁上，其位移测量杆的自由端通过连接件与位于出油主管一侧的活塞杆连接；自动控制器的信号输入接口与位移传感器的信号输出接口连接，其信号输出接口与第一截止阀和第二截止阀连接，根据来自位移传感器的信号控制第一截止阀和第二截止阀所处的状态。本发明所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其活塞杆的长度应大于测量油缸的长度，以满足测量的需要。本发明所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其连接件优选两端设置有连接孔的杆件或条形板。本发明所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其自动控制器为单片机，也可由三轴压力试验机的控制系统兼具自动控制器的功能。
本发明所述岩石试件体积变形测量方法，使用本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器，操作如下①将岩石试件安装在三轴压力试验机的三轴压力室内的试样台上，将所述岩石体积变形测量传感器的出油主管的出油端口与所述三轴压力室的输油管连接，将所述岩石体积变形测量传感器的进油主管的进油端口与供油油箱连接，将所述岩石体积变形测量传感器的位移传感器的信号输出接口与三轴压力试验机的控制系统连接；②开启所述岩石体积变形测量传感器的第一截止阀和第二截止阀，将其测量油缸的第一腔室、第二腔室及三轴压力试验机的三轴压力室充满油液；③测量岩石试件的体积变形时，操作自动控制器，使第二截止阀处于仅将测量油缸的第二腔室与三轴压力室导通的状态，使第一截止阀处于仅将测量油缸的第一腔室与油箱导通的状态；在岩石试件受压发生压缩体积变形的过程中，测量油缸的第二腔室中的油液连续 输入三轴压力试验机的三轴压力室内，致使活塞向出油主管端运动、与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆向活塞运动的方向运动，当活塞运动到所述第二腔室的极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀处于仅将测量油缸的第一腔室与三轴压力室导通的状态，使第二截止阀处于仅将测量油缸的第二腔室与油箱导通的状态，致使活塞向进油主管端运动，与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆向活塞运动的方向运动，当活塞运动到所述第一腔室极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀处于仅将测量油缸的第一腔室与油箱导通的状态，使第二截止阀处于仅将测量油缸的第二腔室与三轴压力室导通的状态，致使活塞又向出油主管端运动，如此反复进行，直至岩石试件的压缩体积变形终止，在上述过程中，位移传感器同时向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的压缩体积变形；在岩石试件受压发生膨胀体积变形的过程中，三轴压力试验机的三轴压力室内的油液连续输入测量油缸的第二腔室中，致使活塞向进油主管端运动、与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆向活塞运动的方向运动，当活塞运动到所述第一腔室的极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀处于仅将测量油缸的第一腔室与三轴压力室导通的状态，使第二截止阀处于仅将测量油缸的第二腔室与油箱导通的状态，致使活塞向出油主管端运动，与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆向活塞运动的方向运动，当活塞运动到所述第二腔室极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀处于仅将测量油缸的第一腔室与油箱导通的状态，使第二截止阀处于仅将测量油缸的第二腔室与三轴压力室导通的状态，致使活塞又向进油主管端运动，如此反复进行，直至岩石试件的膨胀体积变形终止，在上述过程中，位移传感器同时向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的膨胀体积变形。从上述方法可以看出，当岩石试件发生压缩体积变形时，将通过测量油缸及管路向三轴压力室内补充油液，当岩石试件发生膨胀体积变形时，三轴压力室内的油液将通过测量油缸及管路回至油箱，因此，测量油缸中油液的体积变化值减去三轴压力试验机加载立柱进入三轴压力室内的体积变化值则为岩石试件发生体积变形的体积变形值。根据上述机理进行软件设计并在三轴压力试验机的控制系统安装所述软件，三轴压力试验机的控制系统即可根据位移测量杆运动数据的电信号记录并显示岩石的压缩体积变形和膨胀体积变形。本发明具有以下有益效果I、本发明为岩石试件体积变形的测量提供了一种与现有技术不同构思的新方法与新测量仪器，本发明所述方法的特点是可以得到岩石试件在被施压过程中体积变形的全过程数据及岩石试件的真实体积变形。2、本发明所述方法有效解决了具有大变形特征的软岩的体积变形测量问题，可为软岩的利用提供可靠的数据支持。 3、本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器不仅结构简单，而且与三轴压力试验机配套使用操作简便，因而易于推广。4、本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器可采用小直径的测量油缸和小量程的位移传感器，因而可以大大提高测量精度。


图I是本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器的结构示意图；图2是图I的俯视图；图3是图I的A-A剖视图；图4是本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器中的自动控制器与位移传感器、第一截止阀、第二截止阀之间的连接关系图；图5是三轴压力试验机的三轴压力室的结构示意图。图中，I-活塞杆，2-测量油缸(2-1 :第一腔室、2-2 :第二腔室)，3_活塞，4_位移传感器外壳，5-位移测量杆,6-连接件,7-进油主管,8-出油主管,9-第一输油支管，10-第二输油支管，11-第三输油支管，12-第四输油支管，13-第一截止阀，14-第二截止阀，15-岩石试件顶部加载立柱,16-三轴压力室，17-保护膜，18-岩石试件,19-岩石试件底部加载立柱，20-三轴压力室输油管，21-三轴压力室底座。
具体实施例方式下面结合附图对本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器和岩石试件体积变形测量方法作进一步说明。实施例I本实施例中，自动式岩石体积变形测量传感器的结构如图I、图2、图3、图4所示，由测量油缸2、活塞3、活塞杆I、位移传感器、连接件6、进油主管7、出油主管8、第一输油支管9、第二输油支管10、第三输油支管11、第四输油支管12、第一截止阀13、第二截止阀14和自动控制器构成。测量油缸2的长度为90mm，内径为40mm，活塞3的外径与测量油缸2的内径公称尺寸相同，且为动配合，所述活塞3位于测量油缸2内，将测量油缸分为第一腔室2-1和第二腔室2-2 ;第一截止阀13和第二截止阀14为三位四通高压电磁换向阀(型号4WE6H/CW220RA-9C5L，中国德州市华泰液压机具有限生产)，第一截止阀13安装在进油主管7上，第二截止阀14安装在出油主管8上，第一输油支管9的一端与第一截止阀13连接，其另一端与测量油缸的第一腔室2-1连接，第二输油支管10的一端与第二截止阀14连接，其另一端与测量油缸的第二腔室2-2连接，第三输油支管11的一端与第一截止阀13连接，其另一端与出油主管8连接，且连接处位于第二截止阀14与出油主管的端口之间，第四输油支管12的一端与第二截止阀14连接，其另一端与进油主管7连接，且连接处位于第一截止阀13与进油主管的端口之间；活塞杆I为两根，两活塞杆的长度均比测量油缸2的长度长20mm，两活塞杆的一端分别与活塞3两端面的中心部位固连，且它们的中心线与活塞3的中心线重合，两活塞杆的另一端分别从测量油缸两端的端盖伸出；位移传感器为市售商品(型号WYDC-100L,生产企业中国厦门柯原测控技术有限公司)，其量程大于测量油缸2的长度，所述位移传感器安装在测量油缸的外侧壁上，其位移测量杆5的自由端通过连接件6与位于出油主管8—侧的活塞杆连接，所述连接件6为两端设置有连接孔的条形板；自动控制器为单片机(型号PC6220,生产企业恒研科技有限公司),其信号输入接口与位移传感器的信号输出接口连接，其信号输出接口与第一截止阀13和第二截止阀14连接，如图4所示，根据来自位移传感器的信号控制第一截止阀13和第二截止阀14所处的状态，实现通过测量油缸及管路向三轴压力室内补充油液，或将三轴压力室内的油液通过测量油缸及管路回 至油箱。实施例2本实施例对软岩试件在三轴压力试验中的体积变形进行测量，使用的三轴压力试验机型号为MTS815 (美国MTS公司生产)；使用实施例I所述的自动式岩石体积变形测量传感器，操作如下①将岩石试件18安装在三轴压力试验机的三轴压力室16内的试样台上(如图5所示)，将所述岩石体积变形测量传感器的出油主管8的出油端口与所述三轴压力室的输油管20连接，将所述岩石体积变形测量传感器的进油主管7的进油端口与供油油箱连接，将所述岩石体积变形测量传感器的位移传感器的信号输出接口与三轴压力试验机的控制系统连接；②开启所述岩石体积变形测量传感器的第一截止阀13和第二截止阀14，将其测量油缸的第一腔室2-1、第二腔室2-2及三轴压力试验机的三轴压力室16充满油液；⑶操作自动控制器，使第二截止阀14处于仅将测量油缸的第二腔室2-2与三轴压力室导通的状态，使第一截止阀13处于仅将测量油缸的第一腔室2-1与油箱导通的状态，然后操作三轴压力试验机，对岩石试件18施加围压压力，当围压压力加至目标值后，操作三轴压力试验机对岩石试件18施加轴向荷载；在围压压力的作用下，岩石试件18逐渐发生压缩体积变形，在轴向载荷作用下，岩石试件18首先发生压缩体积变形，然后发生膨胀体积变形，在岩石试件18受压发生压缩体积变形的过程中，测量油缸的第二腔室2-2中的油液连续输入三轴压力试验机的三轴压力室内，致使活塞3向出油主管8端运动、与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，当活塞3运动到所述第二腔室2-2的极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀13处于仅将测量油缸的第一腔室2-1与三轴压力室导通的状态，使第二截止阀14处于仅将测量油缸的第二腔室2-2与油箱导通的状态，致使活塞3向进油主管7端运动，与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，当活塞3运动到所述第一腔室2-1极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀13处于仅将测量油缸的第一腔室2-1与油箱导通的状态，使第二截止阀14处于仅将测量油缸的第二腔室2-2与三轴压力室导通的状态，致使活塞3又向出油主管8端运动，如此反复进行，直至岩石试件18的压缩体积变形终止，在上述过程中，位移传感器同时向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的压缩体积变形；在岩石试件18受压发生膨胀体积变形的过程中，三轴压力试验机的三轴压力室内的油液连续输入测量油缸的第二腔室2-2中，致使活塞3向进油主管7端运动、与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，当活塞3运动到所述第一腔室2-1的极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀(13)处于仅将测量油缸的第一腔室2-1与三轴压力室导通的状态，使第二截止阀14处于仅将测量油缸的第二腔室2-2与油箱导通的状态，致使活塞3向出油主管8端运动，与活塞连接的活 塞杆带动位移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，当活塞3运动到所述第二腔室2-2极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀13处于仅将测量油缸的第一腔室2-1与油箱导通的状态，使第二截止阀14处于仅将测量油缸的第二腔室
2-2与三轴压力室导通的状态，致使活塞3又向进油主管7端运动，如此反复进行，直至岩石试件18的膨胀体积变形终止，在上述过程中，位移传感器同时向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的膨胀体积变形。
权利要求
1.一种自动式岩石体积变形测量传感器，其特征在于包括测量油缸(2)、活塞(3)、活塞杆(I)、位移传感器、进油主管(7)、出油主管(8)、第一输油支管(9)、第二输油支管(10)、第三输油支管(11)、第四输油支管(12)、第一截止阀(13)、第二截止阀(14)和自动控制器； 活塞(3)位于测量油缸(2)内，将测量油缸分为第一腔室(2-1)和第二腔室(2-2)，第一截止阀(13)安装在进油主管(7)上，第二截止阀(14)安装在出油主管(8)上，第一输油支管(9)的一端与第一截止阀(13)连接，其另一端与测量油缸的第一腔室(2-1)连接，第二输油支管(10)的一端与第二截止阀(14)连接，其另一端与测量油缸的第二腔室(2-2)连接，第三输油支管(11)的一端与第一截止阀(13)连接，其另一端与出油主管(8)连接，且连接处位于第二截止阀(14)与出油主管的端口之间，第四输油支管(12)的一端与第二截止阀(14)连接，其另一端与进油主管(7)连接，且连接处位于第一截止阀(13)与进油主管的端口之间； 活塞杆(I)为两根，两活塞杆的一端分别与活塞两端面的中心部位固连，且它们的中心线与活塞的中心线重合，两活塞杆的另一端分别从测量油缸两端的端盖伸出； 位移传感器安装在测量油缸的外侧壁上，其位移测量杆(5)的自由端通过连接件(6)与位于出油主管(8)—侧的活塞杆连接；自动控制器的信号输入接口与位移传感器的信号输出接口连接，其信号输出接口与第一截止阀(13)和第二截止阀(14)连接，根据来自位移传感器的信号控制第一截止阀(13)和第二截止阀(14)所处的状态。
2.根据权利要求I所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其特征在于所述活塞杆(I)的长度大于测量油缸(2)的长度。
3.根据权利要求I或2所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其特征在于所述连接件(6)为两端设置有连接孔的杆件或条形板。
4.根据权利要求I或2所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其特征在于所述自动控制器为单片机。
5.根据权利要求3所述的自动式岩石体积变形测量传感器，其特征在于所述自动控制器为单片机。
6.一种岩石试件体积变形测量方法，其特征在于使用权利要求I至5中任一种自动式岩石体积变形测量传感器，操作如下 ①将岩石试件(18)安装在三轴压力试验机的三轴压力室(16)内的试样台上，将所述岩石体积变形测量传感器的出油主管(8)的出油端口与所述三轴压力室的输油管(20)连接，将所述岩石体积变形测量传感器的进油主管(7)的进油端口与供油油箱连接，将所述岩石体积变形测量传感器的位移传感器的信号输出接口与三轴压力试验机的控制系统连接; ②开启所述岩石体积变形测量传感器的第一截止阀(13)和第二截止阀(14)，将其测量油缸的第一腔室(2-1)、第二腔室(2-2)及三轴压力试验机的三轴压力室充满油液； ③测量岩石试件的体积变形时，操作自动控制器，使第二截止阀(14)处于仅将测量油缸的第二腔室(2-2)与三轴压力室导通的状态，使第一截止阀(13)处于仅将测量油缸的第一腔室(2-1)与油箱导通的状态； 在岩石试件(18)受压发生压缩体积变形的过程中，测量油缸的第二腔室(2-2)中的油液连续输入三轴压力试验机的三轴压力室内，致使活塞(3)向出油主管(8)端运动、与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆(5)向活塞运动的方向运动，当活塞(3)运动到所述第二腔室(2-2)的极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀(13)处于仅将测量油缸的第一腔室(2-1)与三轴压力室导通的状态，使第二截止阀(14)处于仅将测量油缸的第二腔室(2-2)与油箱导通的状态，致使活塞(3)向进油主管(7)端运动，与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆(5)向活塞运动的方向运动，当活塞(3)运动到所述第一腔室(2-1)极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀(13)处于仅将测量油缸的第一腔室(2-1)与油箱导通的状态，使第二截止阀(14)处于仅将测量油缸的第二腔室(2-2)与三轴压力室导通的状态，致使活塞(3)又向出油主管(8)端运动，如此反复进行，直至岩石试件(18)的压缩体积变形终止，在上述过程中，位移传感器同时向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的压缩体积变形； 在岩石试件(18)受压发生膨胀体积变形的过程中，三轴压力试验机的三轴压力室内的油液连续输入测量油缸的第二腔室(2-2)中，致使活塞(3)向进油主管(7)端运动、与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆(5)向活塞运动的方向运动，当活塞(3)运动到所述第一腔室(2-1)的极限位置时，自动·控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀(13)处于仅将测量油缸的第一腔室(2-1)与三轴压力室导通的状态，使第二截止阀(14)处于仅将测量油缸的第二腔室(2-2)与油箱导通的状态，致使活塞(3)向出油主管(8)端运动，与活塞连接的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆(5)向活塞运动的方向运动，当活塞(3)运动到所述第二腔室(2-2)极限位置时，自动控制器根据来自位移传感器的信号使第一截止阀(13)处于仅将测量油缸的第一腔室(2-1)与油箱导通的状态，使第二截止阀(14)处于仅将测量油缸的第二腔室(2-2)与三轴压力室导通的状态，致使活塞(3)又向进油主管(7)端运动，如此反复进行，直至岩石试件(18)的膨胀体积变形终止，在上述过程中，位移传感器同时向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的膨胀体积变形。
全文摘要
一种自动式岩石体积变形测量传感器，本发明所述自动式岩石体积变形测量传感器，包括测量油缸、活塞、活塞杆、位移传感器、进油主管、出油主管、第一输油支管、第二输油支管、第三输油支管、第四输油支管、第一截止阀、第二截止阀和自动控制器。一种岩石试件体积变形测量方法，将岩石试件安装在三轴压力试验机的三轴压力室内的试样台上，使用上述自动式岩石体积变形测量传感器进行测量，通过三轴压力试验机的控制系统记录并显示岩石的体积变形。
文档编号G01N3/06GK102798372SQ20121029466
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者刘建锋, 谢和平, 徐进 申请人:四川大学