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1、(10)申请公布号 CN 102830171 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 0 1 7 1 A *CN102830171A* (21)申请号 201210275641.9 (22)申请日 2012.08.03 G01N 29/07(2006.01) G01H 5/00(2006.01) (71)申请人中国科学院地质与地球物理研究所 地址 100029 北京市朝阳区北土城西路19 号 (72)发明人黄晓林 祁生文 郭松峰 (74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人李鹏 魏晓波 (54) 发明名称 一种岩体试件超声波测试设备 。
2、(57) 摘要 本发明公开了一种岩体试件超声波测试设 备，包括框架装置、岩体试件约束装置、两个超声 波换能器和加压装置；所述岩体试件约束装置为 固定于框架装置内部的套筒（9），岩体试件（10） 及设于该岩体试件（10）两端的两个超声波换能 器由该套筒（9）支撑；所述框架装置的底部设有 加压装置，该加压装置抵接加压岩体试件（10）底 端的超声波换能器，同时岩体试件（10）顶端的超 声波换能器抵接所述框架装置的顶部。该测试设 备的结构设计能够用来测量不同法向压力下完整 岩体试件、平行节理岩体试件、倾斜节理岩体试件 等不同类型的岩石试件的声波速度和幅度。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明。
3、书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，包括框架装置、岩体试件约束装置、两 个超声波换能器和加压装置； 所述岩体试件约束装置为固定于框架装置内部的套筒（9），岩体试件（10）及设于该岩 体试件（10）两端的两个超声波换能器由该套筒（9）支撑；所述框架装置的底部设有加压装 置，该加压装置抵接加压岩体试件（10）底端的超声波换能器，同时岩体试件（10）顶端的超 声波换能器抵接所述框架装置的顶部。 2.如权利要求1所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在。
4、于，所述岩体试件超 声波测试设备还包括试件长度实时测量装置。 3.如权利要求2所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，所述套筒（9）的筒 壁开设有与其轴向平行的导槽（91），所述岩体试件（10）两端的超声波换能器分别伸出有 与所述导槽（91）位置对应的横向伸出臂（5）； 所述试件长度实时测量装置为游标卡尺（14），该游标卡尺（14）的两个支撑脚分别固 定于两个所述横向伸出臂（5）上。 4.如权利要求1至3任一项所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，所述框 架装置包括基座（18）、以一端支撑于该基座（18）上的两个立柱（2）、及该两个立柱（2）的另 一端所支撑的横梁（1）。 5.如。
5、权利要求4所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，所述横梁（1）上连 接有伸入所述框架装置的内部的竖向支撑臂（3），该竖向支撑臂（3）连接有两个横臂，所述 套筒（9）连接支撑于两个所述横臂上。 6.如权利要求4所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，所述加压装置为 油压千斤顶（16），并该油压千斤顶（16）支撑于所述基座（18）上。 7.如权利要求1至3任一项所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，所述超 声波换能器通过引线连接有超声波测试仪（15）。 8.如权利要求1至3任一项所述的一种岩体试件超声波测试设备，其特征在于，所述超 声波换能器包括圆柱形金属外壳（4）和圆形外罩。
6、（7），并所述圆柱形金属外壳（4）与所述圆 形外罩（7）之间设有凸圆柱形金属垫块（12）、压电陶瓷片（8）、圆盘形金属垫块（13）和弹簧 （6）。 权 利 要 求 书CN 102830171 A 1/4页 3 一种岩体试件超声波测试设备 技术领域 0001 本发明涉及岩石力学中声波速度与波幅测试技术领域，特别涉及一种岩体试件超 声波测试设备。 背景技术 0002 在实验室条件下测定岩体试件的声波速度和波幅通常需要超声波测试仪、超声波 换能器、特定的夹具和加压系统组成，每次实验时实验系统均需根据特定的目的要求来设 计夹具和加压系统，目前还尚无通用的仪器，使用十分不方便，同时换能器的抗压稳定性和 。
7、加压后试件有效长度影响波速和波幅的精度。对于含有多条节理的岩体试件，由于结构面 受压闭合和完整块体的相对移动、变形导致试件有效长度随着施加压力增大而变小，因此 必须实时测量不同压力下的有效长度，否则波速测试结果误差较大。同时对于含倾斜节理 的岩体，加压时岩体试件必须有侧向的约束以保证试件加压时稳定，并且要求约束装置和 试件应该安装拆卸方便、简单。 0003 基于以上应用需求发明了一种岩体试件声波速度和波幅测试仪，可以用来测量不 同法向压力下完整岩体试件、平行节理岩体试件、倾斜节理岩体试件的声波速度和幅度，能 对试件的长度进行实时监测，换能器能够承压且稳定性好，避免了波速的测量误差。本仪器 能满。
8、足实验室不同结构岩体试件的声波测试要求，试件安装移除方便，通用性好，测量精度 高。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题为提供一种岩体试件超声波测试设备，该测试设备的结 构设计能够用来测量不同法向压力下完整岩体试件、平行节理岩体试件、倾斜节理岩体试 件等不同类型的岩石试件的声波速度和幅度。 0005 为解决上述技术问题，本发明提供一种岩体试件超声波测试设备，包括框架装置、 岩体试件约束装置、两个超声波换能器和加压装置； 0006 所述岩体试件约束装置为固定于框架装置内部的套筒，岩体试件及设于该岩体试 件两端的两个超声波换能器由该套筒支撑；所述框架装置的底部设有加压装置，该加压装 置抵接加。
9、压岩体试件底端的超声波换能器，同时岩体试件顶端的超声波换能器抵接所述框 架装置的顶部。 0007 优选地，所述岩体试件超声波测试设备还包括试件长度实时测量装置。 0008 优选地，所述套筒的筒壁开设有与其轴向平行的导槽，所述岩体试件两端的超声 波换能器分别伸出有与所述导槽位置对应的横向伸出臂； 0009 所述试件长度实时测量装置为游标卡尺，该游标卡尺的两个支撑脚分别固定于两 个所述横向伸出臂上。 0010 优选地，所述框架装置包括基座、以一端支撑于该基座上的两个立柱、及该两个立 柱的另一端所支撑的横梁。 说 明 书CN 102830171 A 2/4页 4 0011 优选地，所述横梁上连接有伸。
10、入所述框架装置的内部的竖向支撑臂，该竖向支撑 臂连接有两个横臂，所述套筒连接支撑于两个所述横臂上。 0012 优选地，所述加压装置为油压千斤顶，并该油压千斤顶支撑于所述基座上。 0013 优选地，所述超声波换能器通过引线连接有超声波测试仪。 0014 优选地，所述超声波换能器包括圆柱形金属外壳和圆形外罩，并所述圆柱形金属 外壳与所述圆形外罩之间设有凸圆柱形金属垫块、压电陶瓷片、圆盘形金属垫块和弹簧。 0015 在现有技术的基础上，本发明所提供的测试设备包括框架装置、岩体试件约束装 置、两个超声波换能器和加压装置；所述岩体试件约束装置为固定于框架装置内部的套筒， 岩体试件及设于该岩体试件两端的两。
11、个超声波换能器由该套筒支撑；所述框架装置的底部 设有加压装置，该加压装置抵接加压岩体试件底端的超声波换能器，同时岩体试件顶端的 超声波换能器抵接所述框架装置的顶部。 0016 在上述结构中，所述岩体试件约束装置为固定于框架装置内部的套筒，因而无论 是完整岩体试件，还是平行节理岩体试件或倾斜节理岩体试件，都可以至于该套筒中，其两 端设置超声波换能器便可进行测试。 0017 由此可知，本发明所提供的测试设备能够用来测量不同法向压力下完整岩体试 件、平行节理岩体试件、倾斜节理岩体试件等不同类型的岩石试件的声波速度和幅度。 附图说明 0018 图1为本发明一种实施例中岩体试件超声波测试设备的结构示意图。
12、； 0019 图2为图1中的套筒的结构示意图； 0020 图3为图1中超声波换能器的结构示意图。 0021 其中，图1至图3中附图标记与部件名称之间的对应关系为： 0022 1横梁；2立柱；3竖向支撑臂；4圆柱形金属外壳；5横向伸出臂；6弹簧；7圆形外 罩；8压电陶瓷片；9套筒；91导槽；10岩体试件；11销钉；12凸圆柱形金属垫块；13圆盘形 金属垫块；14游标卡尺；15超声波测试仪；16油压千斤顶；17压力表；18基座。 具体实施方式 0023 本发明的核心为提供一种岩体试件超声波测试设备，该测试设备的结构设计能够 用来测量不同法向压力下完整岩体试件、平行节理岩体试件、倾斜节理岩体试件等不。
13、同类 型的岩石试件的声波速度和幅度。 0024 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实 施例对本发明作进一步的详细说明。 0025 请参考图1、图2和图3，图1为本发明一种实施例中岩体试件超声波测试设备的 结构示意图；图2为图1中的套筒的结构示意图；图3为图1中超声波换能器的结构示意 图。 0026 在一种实施例中，本发明所提供的测试设备包括框架装置、岩体试件约束装置、两 个超声波换能器和加压装置；岩体试件约束装置为固定于框架装置内部的套筒9，岩体试 件10及设于该岩体试件10两端的两个超声波换能器由该套筒9支撑；框架装置的底部设 有加压装置，该加压装置抵接加压。
14、岩体试件10底端的超声波换能器，同时岩体试件10顶端 说 明 书CN 102830171 A 3/4页 5 的超声波换能器抵接框架装置的顶部。 0027 在上述结构中，岩体试件约束装置为固定于框架装置内部的套筒9，因而无论是完 整岩体试件，还是平行节理岩体试件或倾斜节理岩体试件，都可以至于该套筒9中，其两端 设置超声波换能器便可进行测试。 0028 由此可知，本发明所提供的测试设备能够用来测量不同法向压力下完整岩体试 件、平行节理岩体试件、倾斜节理岩体试件等不同类型的岩石试件的声波速度和幅度。 0029 在上述技术方案中，可以作出进一步具体设计。比如，岩体试件10超声波测试设 备还包括试件长度。
15、实时测量装置。 0030 具体地，如图1和图2所示，套筒9的筒壁开设有与其轴向平行的导槽91，岩体试 件10两端的超声波换能器分别伸出有与导槽91位置对应的横向伸出臂5；试件长度实时 测量装置为游标卡尺14，该游标卡尺14的两个支撑脚分别固定于两个横向伸出臂5上。 0031 在该种结构设计中，随着加压装置加压通过超声波换能器加压岩体试件10，随着 岩体试件10受压变短，游标卡尺14的的移动支撑脚随着在卡尺移动，从而测得受压后的试 件的实际长度。 0032 如图1所示，在上述技术方案的基础上，可以对框架装置作出具体设计。比如，框 架装置包括基座18、以一端支撑于该基座18上的两个立柱2、及该两个。
16、立柱2的另一端所 支撑的横梁1。需要说明的是，基座18。立柱2和横梁1三者之间可以通过螺栓进行可拆 卸配合。 0033 在此基础上，可以具体设计对套筒9的固定结构。比如，如图1所示，横梁1上连 接有伸入框架装置的内部的竖向支撑臂3，该竖向支撑臂3连接有两个横臂，套筒9连接支 撑于两个横臂上。如图1所示，在上述结构中，两个横臂通过销钉11与竖向支撑臂3固定 连接。 0034 此外，如图1所示，加压装置为油压千斤顶16，并该油压千斤顶16支撑于基座18 上。该油压千斤顶16还连接有压力表17，该压力表17通过螺母固定于基座18上。 0035 在上述技术方案的基础上，还可以对超声波换能器作出具体介绍。
17、。比如，如图3所 示，超声波换能器包括圆柱形金属外壳4和圆形外罩7，并圆柱形金属外壳4与圆形外罩7 之间设有凸圆柱形金属垫块12、压电陶瓷片8、圆盘形金属垫块13和弹簧6。 0036 具体地，如图1和图3所示，圆柱形金属外壳4的前部端面中间开有圆柱形槽，前 部侧面加工有螺纹，后部端面开有圆柱形螺纹槽，侧面开有导线孔和圆形螺纹槽；圆形外罩 7的外径和圆柱形金属外壳4的外径一样，一端加工有圆柱形螺纹槽，另一端的中心加工有 一个圆柱孔，孔径刚好能让凸圆柱形金属垫块12的前部自由伸缩；圆柱形金属外壳4和横 梁1的下延伸臂、圆形外罩7均通过螺纹连接；圆盘形金属垫块13另一端连接弹簧6，压电 陶瓷片8放置。
18、在凸圆柱形金属垫块12、圆盘形金属垫块13的中间，三者通过耦合剂胶结； 弹簧6使凸圆柱形金属垫块12前部始终与岩石试件接触，并且在不同的法向压力下始终使 压电陶瓷片8所受压力恒定以保证使传感器的稳定；引出线通过圆柱形金属外壳4的小孔 连接到外部的超声波测试仪15上。 0037 以下具体介绍上述测试设备的测试原理： 0038 测试之前先将油压千斤顶16泄压，安装好上下两个超声波换能器，在两个换能器 上分别安装横向伸出臂5，调节其相对位置使上下两个伸出臂在同一竖直线上。在横向伸出 说 明 书CN 102830171 A 4/4页 6 臂5上安装好游标卡尺14，调节油压千斤顶16使上下两个超声波换能。
19、器刚好接触，此时调 节游标卡尺14的刻度为零，同时调节此时的超声波测试仪15的走时为0。将油压千斤顶 16泄压使上下两个超声波换能器之间有充足的位置，然后放置套筒9和岩体试件10，将套 筒9和竖向支撑臂3用销钉11连接起来。用油压千斤顶16对试件加压，由于套筒9右端 的导槽91能保证游标卡尺14两支撑脚在竖直方向自由移动，故可测出不同压力下的有效 长度。通过超声测试仪可测得不同法向压力下声波的幅度和声波走时，声波的速度等于有 效长度除以声波走时。 0039 以上对本发明所提供的一种岩体试件超声波测试设备进行了详细介绍。本文中应 用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理 解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离 本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发 明权利要求的保护范围内。 说 明 书CN 102830171 A 1/2页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102830171 A 2/2页 8 图3 说 明 书 附 图CN 102830171 A 。