本發(fā)明涉及巖土工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

巖石的導(dǎo)熱率是巖石熱物性中最主要的性質(zhì)，代表了巖石的導(dǎo)熱能力，研究不同壓力下巖石的導(dǎo)熱率，可用于研究巖石應(yīng)用，即對(duì)大地?zé)崃鳌⒌貧峤Y(jié)構(gòu)、深部巖石變質(zhì)作用及熱演化等的分析，亦是研究工程巖體內(nèi)空氣與圍巖熱交換的關(guān)鍵，是針對(duì)于凍土工程、核廢料填埋工程、深部煤炭開挖等工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置，首次通過(guò)改變氣壓，營(yíng)造不同壓力條件氛圍并利用激光閃射法測(cè)試巖石的導(dǎo)熱率。具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、周期短、精度高、操作簡(jiǎn)便、可重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置，包括激光器系統(tǒng)，腔體支架系統(tǒng)，紅外檢測(cè)系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)；

所述激光器系統(tǒng)由激光發(fā)射器、光纖、脈沖檢測(cè)器、光路調(diào)整器及石英窗片組成；激光發(fā)射器發(fā)射激光通過(guò)光纖傳遞，脈沖檢測(cè)器檢測(cè)激光信號(hào)并傳遞給光路調(diào)整器，最終通過(guò)石英窗片發(fā)射到腔體支架系統(tǒng)；

所述腔體支架系統(tǒng)包括循環(huán)冷卻水箱、第一熱傳導(dǎo)探頭、樣品支護(hù)架、樣品艙、第二熱傳導(dǎo)探頭、固定彈簧、帶孔頂緊螺栓及內(nèi)壁加熱爐；循環(huán)冷卻水箱置于倉(cāng)壁外側(cè)利用冷水流動(dòng)進(jìn)行降溫，第一熱傳導(dǎo)探頭及第二熱傳導(dǎo)探頭將溫度數(shù)據(jù)傳遞給溫度控制器，樣品支護(hù)架固定樣品，內(nèi)壁加熱爐提供腔體所需溫度；

紅外檢測(cè)系統(tǒng)包括光圈、紅外鏡頭、紅外檢測(cè)器、溫度控制器；紅外檢測(cè)器利用紅外線的熱能使得檢測(cè)器的溫度發(fā)生改變，獲得樣品表面溫度變化信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳遞給溫度控制器；

壓力控制系統(tǒng)包括壓力表、閥門、加壓泵、高壓氣艙，提供并控制所需壓力，壓力表測(cè)試腔體內(nèi)部壓力值及加壓泵與高壓氣艙之間壓力值，閥門控制加壓泵及高壓氣艙開合，并檢驗(yàn)其氣密性；

數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸出端、裝置總控板、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)及供電單元，數(shù)據(jù)輸出端向計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步輸出數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，裝置總控板可調(diào)控壓力和溫度的高低，供電單元為各系統(tǒng)提供電力支持。

通過(guò)改變氣壓，營(yíng)造不同壓力條件氛圍并利用激光閃射法測(cè)試巖石的導(dǎo)熱率。

在所述樣品支護(hù)架設(shè)置圍繞樣品四根可拆卸豎桿，豎桿上皆裝配傳感器，用于固定樣品并確定樣品移動(dòng)變形軌跡及測(cè)試樣品外表面溫度。

在所述樣品支護(hù)架下端利用帶孔頂緊螺栓將其與下部結(jié)構(gòu)相連固定，螺栓中空結(jié)構(gòu)便于下部紅外檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)上部傳來(lái)的信號(hào)，減少誤差。

在所述壓力控制系統(tǒng)處設(shè)置雙閥門與壓力表，以檢驗(yàn)氣密性，保證氣密性良好。

在所述試樣下部熱傳導(dǎo)探頭背面設(shè)置四個(gè)固定彈簧，提供一個(gè)不影響力學(xué)實(shí)驗(yàn)的壓力，抵消因壓力改變而造成裝置之間的相對(duì)位移。

在所述樣品下表面設(shè)置熱傳導(dǎo)探頭，同時(shí)樣品艙下側(cè)設(shè)置紅外檢測(cè)器，不同位置的溫度檢測(cè)有效減少氣壓對(duì)激光閃射法測(cè)導(dǎo)熱率的影響。

本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

步驟一：試驗(yàn)前檢測(cè)高壓氣艙內(nèi)部條件，開合第一閥門及第二閥門，并通過(guò)第一壓力表及第二壓力表檢測(cè)系統(tǒng)氣密性；補(bǔ)充循環(huán)冷卻水箱內(nèi)部水量；開啟供電單元，檢測(cè)各單元通電情況；

步驟二：利用游標(biāo)卡尺和電子秤對(duì)試件的質(zhì)量和尺寸進(jìn)行測(cè)量并記錄，并計(jì)算出其他的參數(shù)，試樣的厚度依據(jù)其已有資料的熱擴(kuò)散系數(shù)決定，要求試樣無(wú)開口氣孔或貫通氣孔，磨光試樣端面并使兩端面平行，保證其兩端面與第一熱傳導(dǎo)探頭及第二熱傳導(dǎo)探頭接觸良好；測(cè)試前在待測(cè)試樣的兩面均勻噴涂石墨涂層，阻止激光射線并可觀察波長(zhǎng)段熱輻射的穿透；

步驟三：將試件安裝于樣品艙中，固定好第一熱傳導(dǎo)探頭及第二熱傳導(dǎo)探頭，擰緊帶孔頂緊螺栓，并安裝后好樣品支護(hù)架的支護(hù)豎桿；

步驟四：通過(guò)裝置總控板調(diào)節(jié)氣壓，分級(jí)加壓，每個(gè)壓力梯度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)溫度控制器開啟內(nèi)壁加熱爐，開始加熱至腔體達(dá)到所需的溫度并保持穩(wěn)定，通過(guò)裝置總控板調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)，打開第一閥門，讀取第一壓力表數(shù)值，待穩(wěn)定后打開第二閥門，待第二壓力表穩(wěn)定后讀取數(shù)值，此時(shí)第二壓力表的數(shù)值即腔體內(nèi)部的數(shù)值；

步驟五：開始給激光發(fā)射器電容組充電，激光脈沖照射試樣正面使試樣上表面溫度瞬時(shí)升高，第一熱傳導(dǎo)探頭將試樣上表面溫度信號(hào)傳遞給溫度控制器，同時(shí)第二熱傳導(dǎo)探頭將試樣下表面溫度信號(hào)傳遞給溫度控制器，記錄熱流變化量，溫度控制器將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)輸出端傳遞給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)繪出試樣下表面瞬態(tài)溫升曲線并通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出導(dǎo)熱率測(cè)量值；

步驟六：利用循環(huán)冷卻水箱冷卻腔體，達(dá)到同樣溫度時(shí)繼續(xù)加壓，上升一個(gè)壓力梯度時(shí)重復(fù)上述步驟，利用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)繪出不同壓力下導(dǎo)熱率變化曲線；

步驟七：根據(jù)不同試驗(yàn)要求，控制不同壓力，不同溫度環(huán)境即改變內(nèi)壁加熱爐的溫度值來(lái)重復(fù)性進(jìn)行上述步驟，獲得重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，首次在不同壓力條件下利用激光閃射法測(cè)試巖石的導(dǎo)熱率，通過(guò)全新設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置有效綜合溫度、壓力兩種對(duì)巖石力學(xué)主要影響因素，使得模擬試驗(yàn)更加完善，所得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)全面，測(cè)量精度高、測(cè)試周期短和測(cè)試溫度范圍寬。

附圖說(shuō)明

圖1為一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置樣品支架布置圖；

圖中，a1—激光發(fā)射器、a2—光纖、a3—脈沖檢測(cè)器、a4—光路調(diào)整器、a5—石英窗片，b1—循環(huán)冷卻水箱、b2—第一熱傳導(dǎo)探頭、b3—樣品支護(hù)架(b31-樣品支護(hù)架豎桿、b32-樣品支護(hù)架豎桿傳感器)、b4—樣品艙、b5—第二熱傳導(dǎo)探頭、b6—固定彈簧、b7—帶孔頂緊螺栓、b8—內(nèi)壁加熱爐，c1—光圈、c2—紅外鏡頭、c3—紅外檢測(cè)器、c4—溫度控制器，d1—第一壓力表、d2—第一閥門、d3—加壓泵、d4—第二壓力表、d5—第二閥門、d6—高壓氣艙，e1—數(shù)據(jù)輸出端、e2—裝置總控板、e3—計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，e4—供電單元。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例中，一種模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置，由激光器系統(tǒng)，腔體支架系統(tǒng)，紅外檢測(cè)系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)組成：

激光器系統(tǒng)包括激光發(fā)射器a1、光纖a2、脈沖檢測(cè)器a3、光路調(diào)整器a4、石英窗片a5，激光發(fā)射器a1發(fā)射激光通過(guò)光纖a2傳遞，脈沖檢測(cè)器a3檢測(cè)由光纖a2傳遞來(lái)的激光信號(hào)，避免系統(tǒng)自熱并通過(guò)監(jiān)測(cè)減少系統(tǒng)總能耗，激光繼續(xù)通過(guò)光纖a2向下傳遞給光路調(diào)整器a4，準(zhǔn)確調(diào)整光路并最終通過(guò)石英窗片a5發(fā)射到腔體支架系統(tǒng)。

腔體支架系統(tǒng)包括循環(huán)冷卻水箱b1、第一熱傳導(dǎo)探頭b2、樣品支護(hù)架b3、樣品艙b4、第二熱傳導(dǎo)探頭b5、固定彈簧b6、帶孔頂緊螺栓b7、內(nèi)壁加熱爐b8，循環(huán)冷卻水箱b1布置于樣品支護(hù)架b3倉(cāng)壁外側(cè)一周，控制裝置總控板在需要降溫的時(shí)候開啟循壞冷卻水箱b1,冷水即流過(guò)樣品支護(hù)架b3外艙壁進(jìn)行降溫，第一熱傳導(dǎo)探頭b2及第二熱傳導(dǎo)探頭b5采用hotdisk5501(kapton)探頭，探頭壓力極限為60mpa，第一熱傳導(dǎo)探頭b2及第二熱傳導(dǎo)探頭b5將數(shù)據(jù)傳遞給溫度控制器c4，第一熱傳導(dǎo)探頭b2及第二熱傳導(dǎo)探頭b5與樣品支護(hù)架b3相連，樣品支護(hù)架b3圍繞樣品艙b4一周立有四根可拆卸豎桿b3-1，豎桿上皆裝配傳感器b3-2，用于固定樣品并確定樣品移動(dòng)變形軌跡及測(cè)試樣品外表面溫度，起到監(jiān)測(cè)的作用第二，熱傳導(dǎo)探頭b5固定在樣品艙b4下側(cè)，用于下托樣品并測(cè)量樣品下表面溫度，測(cè)量熱流通過(guò)量，并將數(shù)據(jù)傳遞給溫度控制器c4，第二熱傳導(dǎo)探頭b5下側(cè)安裝四個(gè)固定彈簧b6，提供一個(gè)不影響力學(xué)實(shí)驗(yàn)的壓力，用于抵消因壓力改變而造成第一熱傳導(dǎo)探頭b2、樣品及第二熱傳導(dǎo)探頭b5相對(duì)位移，保證第一熱傳導(dǎo)探頭b2及第二熱傳導(dǎo)探頭b5緊貼樣品上下表面，帶孔頂緊螺栓b7將樣品支護(hù)架b3整體與下部結(jié)構(gòu)相連，帶孔頂緊螺栓b7中空結(jié)構(gòu)便于下部紅外檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)上部傳來(lái)的信號(hào)，腔體支架系統(tǒng)內(nèi)壁含有加熱爐b8，可進(jìn)行加熱，提供腔體所需溫度，由溫度控制器c4控制。

紅外檢測(cè)系統(tǒng)包括光圈c1、紅外鏡頭c2、紅外檢測(cè)器c3、溫度控制器c4，光圈c1透光并將激光向下傳遞于紅外鏡頭c2，紅外檢測(cè)器c3利用紅外線的熱能使得檢測(cè)器的溫度發(fā)生改變，獲得樣品表面溫度變化信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳遞給溫度控制器c4，溫度控制器c4的顯示屏可以顯示來(lái)自第一熱傳導(dǎo)探頭b2傳來(lái)的樣品上表面溫度、第二熱傳導(dǎo)探頭b5所傳來(lái)的樣品下表面溫度、及紅外檢測(cè)器c3所檢測(cè)的樣品下部溫度，并且可以調(diào)控腔體支架系統(tǒng)內(nèi)壁加熱，控制腔內(nèi)溫度高低。

壓力控制系統(tǒng)包括第一壓力表d1、第一第一閥門d2、加壓泵d3、第二壓力表d4、第二第二閥門d5、高壓氣艙d6，第一壓力表d1置于腔體支架系統(tǒng)與壓力控制系統(tǒng)連接處，測(cè)試腔體內(nèi)部即樣品艙b4的壓力值，第一第一閥門d2控制加壓泵d3的開合，第二壓力表d4位于加壓泵d3與高壓氣艙d6之間，監(jiān)測(cè)高壓氣艙d6的氣密性，第二第二閥門d5控制高壓氣艙的開合，高壓氣艙d6輸入并儲(chǔ)存壓縮空氣。

數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸出端e1、裝置總控板e(cuò)2、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3，供電單元e4，數(shù)據(jù)輸出端e1與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3相連，向計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3實(shí)時(shí)同步輸出數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3處理數(shù)據(jù)，同步繪出不同壓力下巖石導(dǎo)熱率的曲線圖，裝置總控板e(cuò)2與激光器系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)相連，可調(diào)控壓力和溫度的高低，供電單元e4為各系統(tǒng)提供電力支持，控制供電。

所述的模擬不同壓力下測(cè)試巖石導(dǎo)熱率的分析實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下步驟：

(1)調(diào)試檢測(cè)儀器：檢測(cè)高壓氣艙d6內(nèi)部條件及壓縮氣體含量，開合第一閥門d2及第二閥門d5，并通過(guò)第一壓力表d1及第二壓力表d4檢測(cè)系統(tǒng)氣密性；補(bǔ)充循環(huán)冷卻水箱b1內(nèi)部水量；開啟供電單元e4，檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)；

(2)試件加工處理：利用游標(biāo)卡尺和電子秤對(duì)試件的質(zhì)量和尺寸進(jìn)行測(cè)量并記錄，并計(jì)算出其他的參數(shù)，試樣的厚度依據(jù)其已有資料的熱擴(kuò)散系數(shù)決定，要求試樣無(wú)開口氣孔或貫通氣孔，磨光試樣端面并使兩端面平行，保證其兩端面與第一熱傳導(dǎo)探頭b2及第二熱傳導(dǎo)探頭b5接觸良好。測(cè)試前在待測(cè)試樣的兩面均勻噴涂石墨涂層，阻止激光射線并可觀察波長(zhǎng)段熱輻射的穿透。

(3)試件安裝：將試件安裝于樣品艙b4中，固定好第一熱傳導(dǎo)探頭b2及第二熱傳導(dǎo)探頭b5，擰緊帶孔頂緊螺栓b7，并安裝后好樣品支護(hù)架b3的支護(hù)豎桿。

(4)試驗(yàn)開始：通過(guò)裝置總控板e(cuò)2調(diào)節(jié)氣壓，分級(jí)加壓，每個(gè)壓力梯度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)溫度控制器c4開啟內(nèi)壁加熱爐b8，開始加熱至腔體達(dá)到所需的溫度并保持穩(wěn)定，通過(guò)裝置總控板e(cuò)2調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)，打開第一閥門d2，讀取第一壓力表d1數(shù)值，待穩(wěn)定后打開第二閥門d5，待第二壓力表d4穩(wěn)定后讀取數(shù)值，此時(shí)第二壓力表d4的數(shù)值即腔體內(nèi)部的數(shù)值。

開始給激光發(fā)射器a1電容組充電，激光脈沖照射試樣正面使試樣上表面溫度瞬時(shí)升高，第一熱傳導(dǎo)探頭b2將試樣上表面溫度信號(hào)傳遞給溫度控制器c4，同時(shí)第二熱傳導(dǎo)探頭b5將試樣下表面溫度信號(hào)傳遞給溫度控制器c4，記錄熱流變化量，溫度控制器c4將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)輸出端e1傳遞給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3繪出試樣下表面瞬態(tài)溫升曲線并通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出導(dǎo)熱率測(cè)量值。

利用循環(huán)冷卻水箱b1冷卻腔體，達(dá)到同樣溫度時(shí)繼續(xù)加壓，上升一個(gè)壓力梯度時(shí)重復(fù)上述步驟，利用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)e3繪出不同壓力下導(dǎo)熱率變化曲線。

(5)重復(fù)試驗(yàn)：根據(jù)不同試驗(yàn)要求，控制不同壓力，不同溫度環(huán)境即內(nèi)壁加熱爐b8的溫度值來(lái)重復(fù)性進(jìn)行上述步驟，獲得重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本發(fā)明首次在不同壓力條件下利用激光閃射法測(cè)試巖石的導(dǎo)熱率，通過(guò)全新設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置有效綜合溫度、壓力兩種對(duì)巖石力學(xué)主要影響因素，使得模擬試驗(yàn)更加完善，所得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)全面，測(cè)量精度高、測(cè)試周期短和測(cè)試溫度范圍寬。

本發(fā)明為模擬不同壓力情況下巖石導(dǎo)熱系數(shù)變化等一系列試驗(yàn)研究提供了一個(gè)精確平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制壓力及溫度高低，實(shí)時(shí)且精確，使試驗(yàn)具有可重復(fù)性，可模擬性；針對(duì)數(shù)值模擬，可以通過(guò)基于本發(fā)明基礎(chǔ)上的相關(guān)試驗(yàn)，來(lái)補(bǔ)充試驗(yàn)結(jié)果，使試驗(yàn)具有補(bǔ)充性與驗(yàn)證性。

實(shí)施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均包含于本案的專利范圍中。