一種用于測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置。該裝置由高精度熱敏電阻溫度傳感器、具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭、普通環氧樹脂壓頭、防油乳膠套、鎖扣式三軸壓力室頂蓋和數據采集系統組成。其中數據采集系統包括數據采集儀和電腦。使用時，小型耐壓的高精度熱敏電阻溫度傳感器置于試樣內部，其引線與置于試樣頂端具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭下端部位分布的接點分別焊接，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭上端的快速接口與鎖扣式三軸壓力室頂蓋上的快速接口對接，從三軸壓力室頂蓋上的快速接口接出引線與數據采集系統連接；通過數據采集系統可以直接存儲數據，并能實時地觀察試樣內部溫度的變化過程。該發明可以直接地監測三軸力學測試過程中試樣內部溫度的動態演化，從而為凍土力學性質的研究提供了溫度保證。
【專利說明】一種用于測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置，主要用于三軸靜、動荷載作用下凍土試樣內部溫度的直接測量和監控。
[0002]
【背景技術】
[0003]凍土是由固體礦物顆粒、塑性冰、液態水和氣體組成的四相體系，是一種對溫度十分敏感且性質不穩定的土體，其不穩定性主要表現在力學性質的波動。凍土力學特性的研究在試驗方面基本上是圍繞溫度而進行的，一方面固定其它條件，變化試樣的初始(試驗)溫度以探討凍土特性隨該溫度變化的規律；另一方面，固定試樣的初始(試驗)溫度，探討試樣的土質、干密度、含水量、應變速率以及荷載大小、荷載作用時間等對凍土力學特性的影響。這一切表明溫度對凍土力學性質的研究具有非常重要的意義。
[0004]在大量關于凍土力學特性的研究中，所涉及的溫度是指試樣的初始溫度或試樣所處環境的溫度，也有一部分關于單軸力學試驗過程中試驗內部溫度測試的報道，其溫度測量方法是插入試樣中的溫度傳感器引線直接穿透試樣表面的乳膠套與數據采集儀連接，而在三軸力學測試中，試樣是置于液壓油中，乳膠套的微小破損都會導致試樣被油污染或浸透，顯然上述方法不適用于三軸力學測試中試樣內部溫度的測量，直至目前，還沒有這方面的測量裝置或方法。因此，研發一種測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的測量裝置，不僅可以調控力學測試期間三軸壓力室內液壓油的溫度以保證試樣的初始溫度或試驗溫度，而且可以直接測量試樣內部溫度及其隨荷載的變化過程，從而提高凍土力學測試過程中的控溫精度，并為一些力學現象及機理的解釋提供理論基礎。
【發明內容】
[0005]鑒于上述，本發明的目的旨在提供一種用于測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置。利用本裝置可以直接測量試樣內部溫度及其隨荷載的變化過程，而且可以調控三軸壓力室內液壓油的溫度以保證試樣的初始溫度或試驗溫度。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:
一種用于測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置，主要由高精度熱敏電阻溫度傳感器、具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭、普通環氧樹脂壓頭、鎖扣式三軸壓力室頂蓋、快速接口、試樣和螺紋桿構成，試樣放入與鎖扣式三軸壓力室頂蓋匹配的壓力罐中，鎖扣式三軸壓力室頂蓋蓋在壓力罐上，試樣上套有防油乳膠套，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭置于試樣的頂端，普通環氧樹脂壓頭置于試樣底端，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭和普通環氧樹脂壓頭的凹槽內嵌有橡皮圈，插入試樣內部的高精度熱敏電阻溫度傳感器的引線沿試樣與帶引線的環氧樹脂壓頭下端部位分布的引線焊接，焊接接點與具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭上端部位分布的接點對應連通，對接具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭與鎖扣式三軸壓力室頂蓋上的快速接口，鎖扣式三軸壓力室頂蓋上設有螺紋孔和冷液循環管，螺紋桿通過螺紋孔與相應的壓力罐固定相連；從三軸壓力室頂蓋上接線柱的快速接口接出引線與數據采集系統中的數據采集儀連接，數據采集儀通過數據線與電腦連接。
[0007]本發明的優點:
1、本發明通過具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭上的接點連接置于試樣內部的高精度熱敏電阻溫度傳感器引線，對接具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭與鎖扣式三軸壓力室頂蓋上的兩快速接口，并且試樣、高精度熱敏電阻溫度傳感器和具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭下半部分被密封在防油乳膠套內，然后通過鎖扣式三軸壓力室頂蓋上的快速接口接出引線與數據采集系統中的數據采集儀連接，數據采集儀通過數據線與電腦連接,從而可以直接地監測三軸力學測試過程中試樣內部溫度的動態變化過程,避免了試樣被油污染或浸透現象的發生，提高了凍土力學測試過程中的控溫精度，并為一些力學現象及機理的解釋提供基礎。
[0008]2、本發明的鎖扣式三軸壓力室頂蓋的結構是對200410026390.6的中國專利申請中試驗罐上蓋的改進。該頂蓋將螺旋式結構改為鎖扣式結構。頂蓋上設有螺紋孔、快速接口和冷液循環管。快速接口便于對接具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭上的快速接頭，并可接出弓I線又與數據采集儀連接，通過與數據采集儀連接的電腦可以直接實時地監測試樣內部的溫度變化情況。其次，螺紋桿通過螺紋孔與鎖扣式三軸壓力室頂蓋5和壓力罐固定，緊密相連，保證了壓力罐的密封。
[0009]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明實施例的高精度熱敏電阻溫度傳感器在試樣中布設剖面圖 圖2為本發明實施例的特制環氧樹脂壓頭立體示意圖。
[0011]圖3為本發明實施例的鎖扣式三軸壓力室頂蓋剖面圖。
[0012]圖4為本發明實施例的鎖扣式三軸壓力室頂蓋俯視圖。
[0013]圖5為加圍壓過程中油溫及試樣內部溫度隨時間的變化過程圖，圖中:oil代表圍壓油，Sample代表試樣。
[0014]圖6為圍壓為8.0MPa時,軸向循環荷載作用下試樣內部溫度的變化過程圖，圖中:-0.2°C、-0.5°C、-1.0°C、-2.0°C和-4.0°C分別為試樣的初始溫度。
【具體實施方式】
[0015]本發明的高精度熱敏電阻溫度傳感器1，由熱敏電阻和針形的耐壓鋼套組成，其引線為兩線制；其中熱敏電阻性能及高精度熱敏電阻溫度傳感器I的制作技術在《冰川凍土》2011第33卷第4期“高精度熱敏電阻溫度傳感器的技術改進及使用特點”的研究文章中公開，針形的耐壓鋼套長為20.0_，直徑3.0_，熱敏電阻置于距離針形的耐壓鋼套尖端
2.0mm部位處。其型號為:小型高精度熱敏電阻溫度傳感器，由蘭州中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室生產。
[0016]本發明的試樣9為粉質砂土。[0017]下面結合附圖對本發明的結構和工作原理作進一步說明:
參見圖1、2、3和4，一種用于測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置，主要由高精度熱敏電阻溫度傳感器1、具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2、普通環氧樹脂壓頭3、鎖扣式三軸壓力室頂蓋5、快速接口 7、試樣9和螺紋桿12構成。試樣9放入與鎖扣式三軸壓力室頂蓋5匹配的壓力罐中，鎖扣式三軸壓力室頂蓋5蓋在壓力罐上。試樣9上套有防油乳膠套4。具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2置于試樣9的頂端，位于鎖扣式三軸壓力室頂蓋5下方；具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2的直徑與試樣9的直徑一致，高度為30.0mm,承載力為20MPa。普通環氧樹脂壓頭3置于試樣9的底端，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2和普通環氧樹脂壓頭3的凹槽內嵌有橡皮圈8，插入試樣9內部的2個高精度熱敏電阻溫度傳感器I的引線與具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2下端部位等間距分布的3個接點焊接，焊接接點與具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2上端部位分布的接點對應連通，并且對接具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2與鎖扣式三軸壓力室頂蓋5上的快速接口 7。鎖扣式三軸壓力室頂蓋5上設有8個螺紋孔13和I組冷液循環管10，8個螺紋桿12通過螺紋孔13將鎖扣式三軸壓力室頂蓋5與壓力罐固定相連；從三軸壓力室頂蓋5上接線柱11的快速接口 7接出引線與數據采集系統6中的數據采集儀連接，數據采集儀通過數據線與電腦連接。
[0018]進行試驗前，先將2個高精度熱敏電阻溫度傳感器I插入試樣9，然后將高精度熱敏電阻溫度傳感器I上的引線沿試樣9徑向繞一圈后與具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2下端部位分布的接點焊接，并將具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2置于試樣頂端，然后將防油乳膠套4由下而上套在試樣9上，再將普通環氧樹脂壓頭3置于試樣9底端，將橡皮圈8緊密地套在具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2和普通環氧樹脂壓頭3的凹槽內，然后將試樣9放入與鎖扣式三軸壓力室頂蓋5匹配的壓力罐中，對接具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭2與鎖扣式三軸壓力室頂蓋5上的兩快速接口 7，將鎖扣式三軸壓力室頂蓋5蓋在壓力罐上，并通過8個螺紋桿12將鎖扣式三軸壓力室頂蓋5和壓力罐固定在一起，最后從三軸壓力室頂蓋5上接線柱11的快速接口 7接出引線與數據采集系統6中的數據采集儀連接，數據采集儀與電腦連接。
[0019]開啟數據采集系統6，待試樣9中的溫度達穩定至2h后，進行三軸加載測試，通過數據采集系統6中的電腦實時地監測并下載和存儲數據，直至試驗結束。
[0020]圖5和圖6分別表明了加圍壓和循環加載過程中油溫及粉質砂土試樣內部溫度的變化情況。其中試樣含水量為15.0%，干密度1.80 g/cm3,圍壓8.0MPa,加載頻率3.0Hz,循環荷載峰值為相應試樣靜抗壓強度的45%，谷值為8.03 MPa。
[0021]圖5表明油溫和試樣內部溫度隨圍壓的增加而增大，但溫度明顯滯后于力達峰值，試樣內部溫度達最大值的時間也是滯后于油溫，并且當圍壓穩定后，油溫和試樣內部溫度逐漸恢復，最終到不了初始值，說明圍壓作用改變了油及試樣的初始狀態。油溫的變化主要是由于圍壓作用導致其體積壓縮引起的，試樣溫度的變化一方面來源于油溫，另一方面也是圍壓作用引起的。
[0022]圖6表明當圍壓保持恒定時，試樣內部溫度隨軸向循環荷載作用時間的增加而升高，并且試樣初始溫度越低，其內部溫度升高越明顯。當圍壓恒定時，油的壓縮性是恒定的，所以油溫保持不變，那么此時試樣內部溫度的變化主要是由循環荷載對試樣做功引起的。[0023]根據圖5和圖6，進行低溫三軸測試時，對試樣內部溫度的測量不僅可以提升控溫精度，而且可以對一些力學現象及機理給予解釋。
【權利要求】
1.一種測量低溫三軸力學試驗過程中試樣內部溫度的裝置，主要由高精度熱敏電阻溫度傳感器(I)、具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭(2)、普通環氧樹脂壓頭(3)、鎖扣式三軸壓力室頂蓋(5)、快速接口(7)、試樣(9)和螺紋桿(12)構成，其特征在于:試樣(9)放入與鎖扣式三軸壓力室頂蓋(5)匹配的壓力罐中，鎖扣式三軸壓力室頂蓋(5)蓋在壓力罐上，試樣(9)上套有防油乳膠套(4)，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭(2)置于試樣(9)的頂端，普通環氧樹脂壓頭(3)置于試樣(9)底端，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭(2)和普通環氧樹脂壓頭(3)的凹槽內嵌有橡皮圈(8)，插入試樣(9)內部的高精度熱敏電阻溫度傳感器(I)引線沿試樣(9)與具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭(2)下端部位分布的接點焊接，具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭(2)上、下兩端部位分布的接點對應連通，對接具有快速接頭和接點的環氧樹脂壓頭(2)與鎖扣式三軸壓力室頂蓋(5)上的快速接口(7)，鎖扣式三軸壓力室頂蓋(5)上設有螺紋孔(13)和冷液循環管(10)，螺紋桿(12)通過螺紋孔(13)與相應的壓力罐固定相連；從三軸壓力室頂蓋(5)上接線柱(11)的快速接口(7)接出引線與數據采集系統(6)中的數據采集儀連接，數據采集儀通過數據線與電腦連接。
【文檔編號】G01K7/22GK103454012SQ201310366180
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】張淑娟, 孫志忠, 杜玉霞, 杜海明 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所