脆性材料高低温加载下力学特性损伤变化测量系统及方法

摘要

一种脆性材料高低温加载下力学特性损伤变化测量系统及方法，属于脆性材料测量系统及方法。该系统增加了温度应力耦合加载装置，声发射信号采集装置以及影像采集装置；利用温度应力耦合加载装置，实验环境更能接近实际环境，比如深部岩石所处的环境，使得实验研究结果更具有参考价值；利用影像采集装置结合数字图像相关技术得到试验过程中试件局部的位移场以及应变场，该测量方法具有非接触、全场测量、应用广、精度高、对原始数据的采集方式简单、测量要求环境低、便于实现整个系统的自动化。利用声发射信号采集装置，通过测量压裂的能量释放来检测裂隙的形成和演化，使得加载环境下脆性材料比如岩石的损伤与衰减可以在宏观和微观下进行描述。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脆性材料测量系统及方法，特别是一种脆性材料高低温加载下力学特 性损伤变化测量系统及方法。

背景技术

岩石等脆性材料是一种极其不均匀材料，包含很多缺陷如节理、孔、裂缝、裂缝和断 层。深部岩石通常在加载下表现出非线性的力学性质并且具有不可逆的特性。另一方面， 地下结构在采矿工程，岩土工程，石油地球科学研究中，对岩石破坏失稳过程的研究有非 常重要的意义。

传统的岩石试件力学特性研究仅仅是通过试验机对岩样试件进行基本的参数的测定 (如抗压强度、抗剪强度等)和借助声发射检测技术获得相关的指标特征。深部岩石所处 的环境是比较复杂的，是在不同的温度场以及不同的应力状态下，这就使得岩石(岩体) 这种非均质的各向异性的材料的性质更加复杂，所以在室内试验研究进行岩石力学实验 时，考虑温度和应力的耦合效应对岩石力学性质的影响是必不可少的，利用高低温环境箱 或者高温炉可以在室内实验时进行实时或者高温后的岩石力学实验，这样使得实验环境更 能接近深部岩石所处的环境，也使得实验研究结果更具有参考价值。

脆性材料的表面和内部含有大量的弱面、裂隙等缺陷，在工程中，由于外界应力环境 的扰动，一系列的弱化结构发生了裂隙的萌生，扩展，联合甚至贯通，一般的室内试验系 统在实验过程中只能测试到力-位移曲线，这些数据只能提供很有限的特征性质，也不能 检测到在整个变形过程中的不均匀的裂隙的形成与演化。

经典的实验力学包括应变电测方法和各种光测方法。以电阻应变计为敏感元件的应变 电测技术因其尺寸小、重量轻、测量灵敏度高、测量应变量程大、频率响应高等优点而广 泛应用于自动化监测控制、称重计量自动化、工程和科学实验中，但是它不适应于某些特 殊环境(如高温)。后来发展起来的其他应变传感元件，如电容应变计等，可用于高温结 构长期应变测量。应变电测法的不足：应变电测方法一般是单点或逐点测量，无法得到构 件的全局应力应变分布，只能测量构件表面上的应变，而且是构件表面的平均应变，对于 应力梯度很大或应力集中的构件表面测量误差较大，而且对测量环境要求较高，任何的风 吹草动都会影响到测量结果。

常用的光测方法如光弹性法、贴片光弹法、全息光弹法、全息干涉法、云纹干涉法、 散斑干涉法等，这些传统的光测力学方法的数据采集是利用胶片或干板记录带有被测物体 表面位移或变形信息的光强分布，通过显影定影得到照片。但是由于显影定影操作费时费 力，实验条件难于精确控制，实验结果难于精确重复，不利于后续的利用计算机图像处理。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要提供一种全场测量精度高，实验结果准确的脆性材料高 低温加载下力学特性及损伤变化测量系统及方法。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：测量系统包括：力学特性测试装置、温度应 力耦合加载装置、声发射信号检测装置和影像采集装置；影像采集装置位于温度应力耦合 加载装置的一侧，力学特性测试装置和声发射信号检测装置分别与温度应力耦合加载装置 连接。

所述的力学特性测试装置：一个计算机系统，全程数字控制，能够自动计算实验试件 的应力、应变，能够控制高低温环境箱的温度，能够安全方便的操控加载装置。

所述的温度应力耦合加载装置：由具有透明壁的高低温环境箱与电液伺服的加载装置 构成，加载装置能在环境箱工作的同时进行加载，实现了温度场与应力场的耦合；环境箱 具有透明壁，方便影像采集装置采集影像。

所述的声发射信号采集装置：用美国的PCI-2声发射采集装置采集材料试验过程中的 声发射信号并采用希尔伯特黄变换对声发射信号进行分析。

所述的影像采集装置：由高速摄像机与材料试件两侧的对称光源组成，并采用数字图 像相关技术对采集到的影像进行位移场与应变场分析。

测量方法，具体包括如下步骤：

步骤一：制备实验所需的试件；

步骤二：布置好高低温环境箱在加载系统上面的位置，将声发射传感器贴在夹具压头 上面，并用医用耦合剂进行粘结，使其传输信号良好；

步骤三：将高速摄像机对准试件表面，使得拍摄面与摄像机镜头保持平行，并在试件 的两边对称的装置好两个光源，使得拍摄效果更加清晰；

步骤四：在保持试件所处温度恒定的情况下进行加载，以恒定的速率进行加载，在进 行加载的同时进行声发射信号的采集以及高速摄像机同时开始拍照；在试件加载失稳破坏 以后再持续3～5秒的时间，然后停止声发射信号采集，也停止拍照；

步骤五：将整个实验过程中采集的声发射信号，高清图像以及力学加载系统测得数据 进行后处理；包括：(1)声发射信号的提取与变换；(2)高速相机拍摄的试件破坏过程图 像的后处理。

所述的声发射信号的提取与变换：声发射信号进行提取选取有效能量信号作为声发射 信号参数，再将声发射信号与声发射信号参数信号进行希尔伯特黄变换，希尔伯特黄变换 包括经验模态分解和希尔伯特谱分析。

所述的高速相机拍摄的试件破坏过程图像的后处理：高速摄像机拍摄的高清照片进行 感光处理，使得照片统一到一致的光照强度下，然后利用数字图像相关技术在MATLAB 里面进行计算，得到试件区域内的位移场和应变场。

有益效果，由于采用了上述方案，能够测试在温度-应力耦合场中材料如岩石的力学 特性，并在力学特性测试装置上加上了声发射信号检测装置与影像采集装置，数字图像相 关技术能实现试件位移的全场测量，精度高，使得实验结果更加的准确；对声发射信号进 行分析可以得到试件在温度-应力耦合效应下的损伤与衰减，从而数字图像相关技术与声 发射系统结合的手段实现了从宏观与微观描述材料破裂的过程。

相对于现有的测试系统优点在于：

1.通过利用高低温环境箱可以在室内实验时进行实时或者高温后的脆性材料如岩石 力学实验，这样使得实验环境更能接近实际环境，比如深部岩石所处的环境，也使得实验 研究结果更具有参考价值。

2.采用数字图像相关技术得到试验过程中试件局部的位移场以及应变场，该测量方法 具有非接触、全场测量、应用广、精度高、对原始数据的采集方式简单、测量要求环境低、 便于实现整个系统的自动化。

3.利用声发射信号采集系统，通过测量压裂的能量释放来检测裂隙的形成和演化是一 种可行的和有效的技术，声发射信号的后处理为解释非线性和非稳定的信号提供了一种有 效的方法。方法使得加载下脆性材料比如岩石的损伤与衰减可以在宏观和微观下进行描 述。

附图说明：

图1为本发明脆性材料高低温加载下力学特性及损伤变化测量系统示意图。

图2为本发明脆性材料高低温加载下力学特性及损伤变化测量系统的技术路线图。

图3为本发明岩石试件在温度-应力耦合作用下的应力应变曲线以及曲线上各点对应 的试件形态图。

图4为本发明弹性模量与试件应变之间的关系以及声发射能量信号与应变之间的关 系图。

图5为本发明通过数字图像相关技术计算出来的试件表面在某点X方向上的应变图。

图6为本发明试件在线性变形阶段的声发射能量与它们的希尔伯特谱分析图。

图7为本发明试件在非线性变形阶段的声发射能量与它们的希尔伯特谱分析图。

具体实施方式

实施例1：下面结合附图和具体的实例对本发明提供的一种脆性材料高低温加载下力 学特性及损伤变化测量系统进行详细的说明。

测量系统包括：力学特性测试装置、温度应力耦合加载装置、声发射信号检测装置和 影像采集装置；影像采集装置位于温度应力耦合加载装置的一侧，力学特性测试装置和声 发射信号检测装置分别与温度应力耦合加载装置连接。

所述的力学特性测试装置：一个高智能的计算机系统，能够自动计算实验试件的应力， 应变，能够控制高低温环境箱的温度，能够安全方便的操控加载装置；与现有的力学特性 测试装置相比更加智能化，操作更加简单，更加安全，更能够节省人力。

所述的温度应力耦合加载装置：由具有透明壁的高低温环境箱与电液伺服的加载装置 构成，加载装置能在环境箱工作的同时进行加载，实现了温度场与应力场的耦合；环境箱 具有透明壁，方便影像采集装置采集影像。

所述的声发射信号采集装置：用美国的PCI-2声发射采集装置采集材料试验过程中的 声发射信号并采用希尔伯特黄变换对声发射信号进行分析；与现有的声发射采集装置相比 灵敏度更高，而且希尔伯特黄变换的后处理方法比现阶段的采用的小波变换或傅里叶变换 方法分析更加准确，更加全面。

所述的影像采集装置：由高速摄像机与材料试件两侧的对称光源组成，并采用数字图 像相关技术对采集到的影像进行位移场与应变场分析，现阶段脆性材料实验力学采用应变 电测方法和各种光测方法，与其相比，本发明采用的装置与方法精度更高，能用于全场测 量，应用更广。

测量方法，具体包括如下步骤：

步骤一：制备实验所需的试件，岩样；

步骤二：布置好高低温环境箱在加载系统上面的位置，将声发射传感器贴在夹具压头 上面，并用医用耦合剂进行粘结，使其传输信号良好；

步骤三：将高速摄像机对准试件表面，使得拍摄面与摄像机镜头保持平行，并在试件 的两边对称的装置好两个光源，使得拍摄效果更加清晰；

步骤四：在保持试件所处温度恒定的情况下进行加载，以恒定的速率进行加载，加载 速率为0.05mm/min；在进行加载的同时进行声发射信号的采集以及高速摄像机同时开始 拍照；在试件加载失稳破坏以后再持续3～5秒的时间，然后停止声发射信号采集，也停止 拍照；

步骤五：将整个实验过程中采集的声发射信号，高清图像以及力学加载系统测得数据 进行后处理；包括：(1)声发射信号的提取与变换；(2)高速相机拍摄的试件破坏过程图 像的后处理。

所述的声发射信号的提取与变换：声发射信号进行提取选取有效能量信号作为声发射 信号参数，再将声发射信号与声发射信号参数信号进行希尔伯特黄变换，希尔伯特黄变换 包括经验模态分解和希尔伯特谱分析。

所述的高速相机拍摄的试件破坏过程图像的后处理：高速摄像机拍摄的高清照片进行 感光处理，使得照片统一到一致的光照强度下，然后利用数字图像相关技术在MATLAB 里面进行计算，得到试件区域内的位移场和应变场。