[发明专利]一种利用激光测距仪非接触检测实时高温岩体传播系数的装置

说明书

本发明公开了一种利用激光测距仪非接触检测实时高温岩体传播系数的装置，包括四部分：发射装置、加热装置、检测装置和数据采集装置。本装置采用激光测距仪和岩石杆自由端非接触测量的方式，通过入射激光在岩石杆端部反射后在激光接收器的位移就能对岩石杆端部位移进行精确测量，克服了高温下无法在岩石表面粘贴应变片的问题。利用激光测距仪非接触测量岩石端部在应力波作用下的位移和速度，无需通过应变就可以计算岩石传播系数，克服了非接触测量得到的应变结果精度较低的缺点。本装置操作简单，只需将激光测距仪垂直入射岩石杆端面即可测量，相比于其他非接触测量装置价格低廉，操作简单，不需要对数据进行复杂处理。

技术领域

本发明涉及一种用于研究应力波在实时高温岩体内传播特性的实验装置，属于岩体力学实验技术领域。

背景技术

随着我国地下工程的不断建设，在地下开采、核能存储、地震预测等领域时，周围岩体往往受到高温的作用，导致岩体力学性质发生劣化，内部产生许多微缺陷，使应力波在岩体内传播的传播会发生衰减和耗散，导致传播规律与常温有所不同。为了正确评估工程振动对周边岩体和建筑物的影响以及判断地震在岩体内的传播振幅，因此设计一个用于研究高温下岩体的传播规律的装置是很有必要的。目前研究应力波在岩体内的传播规律主要通过一维波传播理论，即利用一个长径比大于25的圆柱形岩石杆，在中间粘贴应变片，通过应变片测量的波形变化用来计算岩石的传播系数，预测波在岩体中的传播规律。而这种传统的测量方式由于在高温下应变片和粘合剂的失效，无法测量300℃以上高温岩体的传播系数。由于应力波对岩体所产生的应变较小，约为0至10^-4，非接触测量很难满足精度要求，相比于传统应变片测量应力波对岩体产生的微应变(约0至10^-4)，应力波对岩石杆产生的端部位移可达0.1mm以上，速度为1m/s以上，通过非接触式测量得到这两个物理参数较为容易，因此利用应力波在自由端的反射原理通过端部位移和速度求解岩体传播系数。本发明涉及了一种利用激光测距仪非接触检测实时高温岩体传播系数的装置，通过测量端部位移和速度的方式得到实时高温下岩石的传播系数。

发明内容

本发明提供一种利用激光测距仪通过测量位移和速度的两个参数非接触测量实时高温下岩体传播系数的实验装置。如图2所示，本次激光测距仪采用的为激光三角法，即通过激光测距仪中光源发出的一束激光照射在岩石杆自由端处，然后反射进入激光接收器中。当自由端发生位移时，反射激光在激光接收器中的位置也会发生改变，根据接收器中的位置变化求解得到自由端位移。利用激光测距仪进行非接触测量时，由于反射角度和激光接收器大小的限制，因此对测量距离有一定限制且只能检测一定范围内的位移变化。由于激光测距仪测量精度随测量距离的减小而增加，测量范围随测量距离的减小而减小，还需考虑高温物体是否对仪器造成损伤，因此选用一个合理测量距离的激光测距仪尤为重要。在测量过程中需要反射面保持光滑平整，测量环境无较多灰尘，保证激光在传播过程中不会发生散射。本发明采用的技术方案是：利用激光测距仪通过发射到岩石杆自由端的激光实现激光测距仪与高温岩石杆自由端的非接触测量。利用反射激光在激光接收器上的位置变化来得到岩石杆端部在应力波作用下的位移和速度，确定岩石传播系数。

装置包括四部分：发射装置、加热装置、检测装置和数据采集装置。首先将两端面打磨平整的圆柱形岩石杆放在加热装置中，将左端面与发射装置垂直，右端面与激光测距仪发射的激光垂直。由于采用激光三角法原理的激光测距仪只能检测一定范围内的位移变化，本次激光测距仪的安装距离为15cm，测量范围为±40mm，标准差为4μm，仪器所处温度为25℃，不会受到高温岩石所产生温度的影响。因此将激光测距仪安装在距离圆柱形岩石杆右端面的15cm距离处，然后将岩石杆加热至指定温度。通过发射装置撞击岩石杆左端产生入射波，之后应力波传递到岩石杆右端发生自由端反射，造成右端面产生位移，通过右端的激光测距仪测量得到岩石杆时间-位移和时间-速度曲线，进而得到高温岩石杆的传播系数。

其中发射装置主要包括空气压缩机、发射腔室、测速器、不同长度的入射杆。可以通过不同的空气压力产生不同的冲击速度，冲击速度由测速器检测得到。通过选用不同长度的入射杆得到不同长度的入射波形。