岩石声发射Kaiser效应及其测试系统的研究

摘要

声发射（AE）就是材料在外载荷或内力作用下以弹性波的形式释放应变能的现象。1950年，Joseph Kaiser测试声发射在木头、金属和砂石中的反应时，首次发现了所谓的声发射不可逆现象-Kaiser效应。1963年进行了首次砂石的Kaiser效应研究。目前，经过50多年进一步的研究和发展，Kaiser效应已经应用于实际当中。简单地说，Kaiser效应能够作为描述金属和岩石应力的指标。声发射是一种应力波发射，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器，即声发射监测仪。声发射监测仪用于岩体监测方面，可以预报多种灾害，避免人员伤亡和设备损坏。我国于70年代开始研究和应用声发射，希望利用声发射预报和测量裂纹扩展的开裂点。从研究范围看，已从最初的仅限于压力容器、金属疲劳和断裂力学应用等，发展到目前的金属材料、复合材料、岩石、工业制造过程监测及磁声发射等领域。尤其是伴随着声发射监测仪器的研制、生产，从初始的单通道声发射监测仪到多通道声发射监测仪器，大量的仪器用于室内试验和现场监测，声发射的Kaiser效应在岩土工程领域中的研究和应用也是取得了很大的进展。这些成果已用在我国油田生产和开发上，取得了明显的经济效益。 本文在参阅大量文献资料和前人研究的基础上，评述了声发射技术在国内国外的发展状况，并且设计了声发射测试系统，对其软硬件部分进行详细阐述，在此测试系统平台上对取自陕西韩城矿区的部分岩石进行受力破坏过程的声发射特征室内试验和声发射Kaiser效应试验研究，通过试验揭示岩石破裂过程中应力、应变、声发射参数与时间参数之间的关系，进一步对岩石Kaiser效应进行研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2问题的提出

1.3声发射技术的研究和发展现状

1.3.1国外对声发射技术的研究和发展现状

1.3.2国内对声发射技术的研究和发展情况

1.4 Kaiser效应研究现状

1.5 Kaiser的有效性及其存在的范围

1.6影响岩石声发射的几个因素

1.6.1试验机刚度

1.6.2岩石均质度

1.6.3围压效应和Kaiser效应

1.7影响岩石声发射Kaiser效应的几个因素

1.7.1加载速率对Kaiser效应的影响

1.7.2强度等级对Kaiser效应的影响

1.7.3试件大小对Kaiser效应的影响

1.7.4放置时间对Kaiser效应的影响

1.7.5干湿条件对Kaiser效应的影响

1.8声发射检测技术的应用

1.9 Kaiser效应在岩土工程中的应用

1.9.1监测系统及数据处理技术

1.9.2岩体局部冒落的预测预报

1.9.3地下水流的声发射

1.10本文研究的主要内容

2 声发射技术基本理论

2.1声发射产生的条件

2.2 Kaiser效应概述

2.2.1表征岩石记忆能力的参数

2.2.2不同岩性的Kaiser效应

2.2.3岩石记忆的多期性及记忆衰退

2.2.4 Kaiser效应未来的研究方向

2.3声发射检测方法

2.3.1声发射检测原理

2.3.2声发射信号的基本特征

2.3.3常用声发射信号的表征参数

2.3.4声发射信号处理

2.4岩石声发射的基本规律

2.4.1岩石全应力应变曲线与声发射

2.4.2岩石破坏的声发射模式

2.5岩石声发射监测系统

2.5.1声发射研究的频带及研究类型

2.5.2岩石声发射监测仪器研究状况

2.5.3影响岩石声发射监测系统选择的因素

2.6 本章小结

3 声发射测试系统硬件研究

3.1系统设计方案

3.1.1系统硬件原理框架

3.2功能单元的电路设计

3.2.1信号处理单元电路

3.2.2数据处理单元

3.2.3串口电路

3.2.4 A/D转换电路

3.2.5显示电路

3.2.6定时器电路

3.3硬件抗干扰设计

3.4 本章小结

4 声发射测试系统软件研究

4.1单片机软件开发环境介绍

4.1.1 KEIL开发套件

4.1.2软件开发流程

4.2总体流程图

4.2.1主流程图

4.2.2定时器中断处理程序

4.2.3键盘处理程序

4.2.4显示处理程序

4.2.5 A/D转换电路程序

4.2.6 I/O接口电路程序

4.2.7看门狗模块

4.3软件抗干扰设计

4.4本章小结

5岩石声发射Kaiser效应试验

5.1试验方案及关键技术

5.1.1试验基本设计路线及措施

5.1.2基本试验步骤

5.2试验数据分析

5.2.1力学参数与声发射特征参数的选取

5.2.2 Kaiser效应存在性的验证及岩石声发射Kaiser效应点的确定

5.3岩石力学参数确定

5.4岩石声发射Kaiser效应试验

5.5岩石声发射Kaiser试验结果分析

5.6岩石声发射Kaiser效应点的确定及结果

5.5本章小结

6结论

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录