技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
岩石力学试验装置，具体地说，涉及一种随动式角度传感环向应变仪及使用方法。
背景技术
[0002] 目前，在岩石力学试验中，测定岩石的物理力学参数是不可或缺的，泊松比就是其中一个重要参数。泊松比的测定需要通过实验得到试样轴向以及环向应变值，轴向应变与环向应变的比值即为试样的泊松比，在
现有技术中，对试样轴向应变的测量已经可以取得较精确值，然而对于柱状试样的环向
变形量的获取比较困难，柱状试样的环向应变测量灵敏度和
精度一直是备受关注的问题，柱状试样的侧面为曲面，直接测得试样直径的变化值存在难度，现有技术中普遍采用测量试样某一
水平面上周长的变化值间接得到试样的环向应变。由于试样环向变形的非均匀性，对于提高环向应变测量的精准度一直是个难题。现有技术测量环向应变值的方法可分为
接触式和非接触式两类，接触式较为常用，接触式测量应用比较广泛的是采用贴应变片式的环向位移
传感器，将环向位移转化为桥路
电阻电压变化值输出，固定方式一般采用链式、
钢丝绳式、箍圈式。在使用过程中发现，应变片式环向位移传感器存在量程范围小，可调控性小，应变片电阻对
温度敏感，输出电
信号受温度影响大，数据
波动性大，且使用一段时间后测量灵敏度和精度降低，使用寿命短的问题。现有技术中
钢丝绳式的固定方式在预紧固定过程中需保持较大
牵引力将钢丝绳拉紧，操作费时费力。非接触式主要采用数字图像技术实现侧向变形的测量，精度高但成本高，只适用于单轴试验使用，无法在三轴条件下使用，应用范围比较局限。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的
缺陷，提供一种随动式角度传感环向应变仪及使用方法，提高环向位移测量的量程和精度，排除温度对装置测量的影响。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种随动式角度传感环向应变仪，其特征是，主要由装配台、传动装置、角度传感器（5）、钢丝绳（3）、固定装置组成，所述装配台包括支承板（1a）和载物台（1b），支承板（1a）与试样侧面贴合，两端对称设置第一引线孔（2a），第二引线孔（2b），钢丝绳（3）可自由穿过两个引线孔，将装置与试样固定；载物台（1b）与支承板（1a）的中部连接且二者垂直，载物台（1b）中部设置第一圆形通孔（1c）；载物台（1b）底面设置凸起套筒（4），凸起套筒（4）内置
螺纹，角度传感器（5）中部侧面设有螺纹，沿轴心方向旋入载物台（1b）的凸起套筒（4），与载物台（1b）固定，传感器的
转轴（16）经通孔轴心穿过载物台（1b）；第一圆形通孔（1c）上端面设置第一
挡板（6）；载物台（1b）上近第二引线孔（2b）
位置设置固定装置，用来固定钢丝绳的一端；传动装置包括主动转盘、从动转盘（15）和平面涡卷
弹簧（14），主动转盘由第二挡板（8）、圆盘绕线器（9）、垫台（11）、固定螺丝（12）组成，轴心设置第二圆形通孔（13），可套入第一挡板（6）；平面涡卷弹簧（14）两端部分别卡入第一挡板（6）、第二挡板（8）上的第一卡槽（6a）、第二卡槽（8a），将主动转盘与载物台（1b）连接；绕线器侧面设置环形槽（10），钢丝绳（3）缠绕在槽内，端部固定在圆盘绕线器（9）上；垫台（11）在绕线器下端，减小圆盘绕线器（9）与载物台（1b）间的
摩擦力；从动转盘（15）通过边缘垂直的柱状卡舌（15a）卡入主动转盘的第三卡槽（8b），角度传感器（5）的转轴（16）端部插入从动转盘（15）轴心设置的圆柱状凹槽（15b），实现将试样变形的环向位移转化为
角位移信号输出。
[0005] 进一步地，所述固定装置由螺丝（7a）和引线器（7b）组成，可将钢丝绳（3）一端穿入引线器（7b）的水平圆形通孔（7c），并用螺丝（7a）旋紧与载物台（1b）固定，所述圆盘绕线器（9）的环形槽（10）上端面垂直设置螺孔，固定螺丝（12）旋入将钢丝绳（3）的另一端压紧固定在环形槽（10）下端面，所述引线器（7b）
焊接在载物台（1b）上，水平圆形通孔（7c）的轴线与支承板（1a）上的第二引线孔（2b）轴线重合。
[0006] 进一步地，所述载物台（1b）轮廓的圆弧部分的轴心与第一圆形通孔（1c）轴心重合，角度传感器（5）、传动装置、凸起套筒（4）、第一挡板（6）的轴心均与通孔轴心重合，保证传动装置和角度传感器（5）转轴（16）在传动过程中绕同一轴心转动，所述装配台一体成型，载物台（1b）垂直相交于支承板（1a）的中部。
[0007] 进一步地，所述第一挡板（6）为带垂直卡槽的圆环柱体，第一挡板（6）内径与第一圆形通孔（1c）孔径相等且轴心重合，第一挡板（6）外径与第二圆形通孔（13）孔径相等，卡槽长度与圆环柱体高度相等，宽度与平面涡卷弹簧（14）厚度相等，贯通第一挡板（6）
侧壁，起固定平面涡卷弹簧（14）端部作用；所述主动转盘可插入第一挡板（6）无侧向晃动，垫台（11）下端面与载物台（1b）接触，垫台（11）高度尽量小，使得主动转盘无轴向晃动，主动转盘可绕轴心自由转动；所述垫台（11）和绕线器的总高度小于第一挡板（6）的高度，主动转盘的整体高度大于第一挡板（6）的高度；所述第二挡板（8）为圆环柱体，内径大于第二通孔直径，外径小于圆盘绕线器（9）直径，第二挡板（8）上垂直对称设置第二、第三卡槽（8b），卡槽长度均与第二挡板（8）高度相等，第二卡槽（8a）宽度与平面涡卷弹簧（14）厚度相等，第三卡槽（8b）宽度与从动转盘（15）的柱状卡舌（15a）宽度相等，所述从动转盘（15）的圆盘直径与第二挡板（8）外径相等，边缘设置垂直卡舌（15a），尺寸与第三卡槽（8b）尺寸相同，卡舌（15a）插入第三卡槽（8b）无侧向错动，圆盘中心设置凸起圆柱状凹槽（15b），凹槽与传感器转轴（16）端部卡紧，其深度满足传感器转轴（16）插入后从动转盘（15）与主动转盘完全贴合，且传动装置整体轴向无位移。
[0008] 进一步地，所述平面涡卷弹簧（14）宽度小于第一挡板（6）高出圆盘绕线器（9）上端面的长度，两端分别卡入第一卡槽（6a）、第二卡槽（8a），整体水平放置在第一挡板（6）和第二挡板（8）形成的腔内，平面涡卷弹簧（14）满足在钢丝绳（3）预紧状态下，平面涡卷弹簧（14）产生的
扭矩可使装置固定在试样侧面，随试样变形始终保持水平状态。
[0009] 进一步地，所述绕线器的环形槽（10）截面为矩形，槽深度大于钢丝绳（3）直径，高度等于钢丝绳（3）直径，槽底面高度与第一、第二引线孔（2a、2b）的底面高度相等，可使钢丝绳（3）绕线始终保持水平。
[0010] 进一步地，所述垫台（11）为圆环柱体，内径与第二通孔直径相等，外径小于绕线器直径，与载物台（1b）接触面光滑，减小转盘与载物台（1b）之间的摩擦。
[0011] 进一步地，所述角度传感器（5）的转轴（16）长度满足角度传感器（5）固定在载物台（1b）上时，转轴（16）长度高于第二挡板（8）高度。
[0012] 进一步地，所述固定装置的引线器（7b）水平通孔的最低点与第一、第二引线孔（2a、2b）下端面和环形槽（10）下端面在同一水平面内，保证钢丝绳（3）固定安装在同一水平面，提高测量准确度。
[0013] 一种随动式角度传感环向应变仪的使用方法，其特征是，包括如下步骤：
[0014] 1）将钢丝绳（3）一端用固定螺丝（12）固定在主动转盘的环形槽（10）内，钢丝绳（3）沿环形槽（10）轨迹引出，穿过第一引线孔（2a），水平环绕试样侧面一圈，绳末端经第二引线孔（2b）穿入
固定器的第二通孔；
[0015] 2）支承板（1a）侧面与试样侧面贴合，牵引钢丝绳（3）末端，使得主动转盘、平面涡卷弹簧（14）和钢丝绳（3）处于预紧状态，使装置水平固定在试样侧面，旋紧螺丝（7a）固定钢丝绳（3）末端，完成装置的安装；
[0016] 3）试样产生侧向位移d时，通过钢丝绳（3）传递到主动转盘上，令环形槽（10）内径为R，主动转盘产生d/R的角度变化，带动从动转盘（15）和角度传感器（5）产生相同角度变化，通过角度传感器（5）输出变化角，实现试样环向变形位移测量。
[0017] 本发明所达到的有益效果：
[0018] 1）本发明采用钢丝绳式固定方式，与试样侧面贴合度高，对环向变形敏感度高，方便装置的安装与拆卸；与平面涡卷弹簧（14）结合使用，保证试样侧向收缩或者膨胀过程中，钢丝绳（3）始终与试样表面贴合，排除试样环向变形非均匀性导致的测量误差；
[0019] 2）本发明采用高
分辨率的角度传感器（5），直接将线位移信号转变为角位移信号输出，精度高，信号
稳定性好；
[0020] 3）本发明在测量环向位移中输出值受温度影响极小，对实验室内温度变化敏感度低；
[0021] 4）本发明采用机械式传动方式，角度传感器（5）的角度变化量即为试样环向变形量；长期使用适合各种恶劣环境工作，长期使用不会出现
输出信号波动大，测量不准确的问题；
[0022] 5）本发明可结合常规三轴试验仪实现对试样三轴压缩过程中的环向变形测量；
[0023] 6）本发明体积小、
质量轻，可以在密闭狭小空间内正常工作。
附图说明
[0024] 图1是本发明的结构示意图；
[0025] 图2是本发明的正视图；
[0026] 图3是本发明的俯视图；
[0027] 图4是本发明的后视图；
[0028] 图5是本发明的右视图；
[0029] 图6是角度传感器和从动转盘示意图；
[0030] 图7是平面涡卷弹簧布置示意图；
[0031] 图8是主动转盘示意图；
[0032] 图9是主动转盘正视图；
[0033] 图10是装配台示意图；
[0034] 图11是装配台仰视图。
[0035] 图中：1a支承板，1b载物台，1c第一圆形通孔，2a第一引线孔，2b第二引线孔，3钢丝绳，4凸起套筒，5角度传感器，6第一挡板，6a第一卡槽，6b预留卡槽，7a螺丝，7b引线器，7c水平圆形通孔，8第二挡板，8a第二卡槽，8b第三卡槽，9圆盘绕线器，10环形槽，11垫台，12固定螺丝，13第二圆形通孔，14平面涡卷弹簧，15从动转盘，15a柱状卡舌，15b圆柱状凹槽，16传感器转轴。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下
实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0037] 如图1所示，一种随动式角度传感环向应变仪，其特征是，由装配台、传动装置、角度传感器（5）、钢丝绳（3）、固定装置组成，所述装配台包括支承板（1a）和载物台（1b），支承板（1a）与试样侧面贴合，两端对称设置第一引线孔（2a）、第二引线孔（2b），钢丝绳（3）可穿过两个引线孔，将装置与试样固定；载物台（1b）与支承板（1a）的中部连接且二者垂直，如图11所示，载物台（1b）中部设置第一圆形通孔（1c）；载物台（1b）底面设置凸起套筒（4），内置螺纹；如图6所示，角度传感器（5）中部侧面设置螺纹，角度传感器（5）通过螺纹固定安装在载物台（1b）上，如图7所示，传感器的转轴（16）经通孔轴心穿过载物台（1b）；如图10所示，第一圆形通孔（1c）上端面设置第一挡板（6）；载物台（1b）上近第二引线孔（2b）位置设置固定装置，固定装置由螺丝（7a）和引线器（7b）组成，可将钢丝绳（3）一端穿入引线器（7b）的水平圆形通孔（7c），并用螺丝（7a）旋紧与载物台（1b）固定；传动装置包括主动转盘、从动转盘（15）和平面涡卷弹簧（14）；如图8、图9所示，主动转盘由第二挡板（8）、圆盘绕线器（9）、垫台（11）、固定螺丝（12）组成，轴心设置第二圆形通孔（13），可套入第一挡板（6）；如图7所示，平面涡卷弹簧（14）两端部分别卡入第一挡板（6）、第二挡板（8）上的第一卡槽（6a）、第二卡槽（8a），将主动转盘与载物台（1b）连接；绕线器侧面设置环形槽（10），钢丝绳（3）缠绕在槽内，端部用固定螺丝（12）固定在圆盘绕线器（9）上；如图9所示，垫台（11）在绕线器下端，减小圆盘绕线器（9）与载物台（1b）间的摩擦力；从动转盘（15）通过边缘垂直的柱状卡舌（15a）卡入主动转盘的第三卡槽（8b），角度传感器（5）的转轴（16）端部插入从动转盘（15）轴心设置的圆柱状凹槽（15b），实现将试样变形的环向位移转化为角位移信号输出；。
[0038] 其基本工作原理在于：试样侧向的收缩或膨胀产生的环向位移通过钢丝绳（3）牵引传动装置转动，进而带动角度传感器（5）转轴（16）转动产生角度变化信号输出。本实施例中以角度传感器（5）顺
时针转动角度变化为正值，逆时针为负值。
[0039] 本实施例中，为了保证传动装置和角度传感器（5）转轴（16）在传动过程中绕同一轴心转动，所述角度传感器（5）、传动装置、凸起套筒（4）、第一挡板（6）的轴心均与第一、第二通孔轴心重合。
[0040] 本实施例中，所述装配台一体成型，以标准圆柱形岩石试样（ Φ50×100）的常规三轴压缩试验为例，围压室内充油加围压，需将试样与液压油隔离，将试样放入厚度3mm的
橡胶套筒中，本装置固定在橡胶套筒上，故选用的支承板（1a）的圆弧半径为28mm，使得与橡胶套筒侧面完全贴合，载物台（1b）垂直相交于支承板（1a）的中部，所述固定装置的引线器（7b）焊接在载物台（1b）上，水平圆形通孔（7c）的轴线与支承板（1a）上的第二引线孔（2b）轴线重合，使得钢丝绳（3）顺利穿过第二引线孔（2b）和水平圆形通孔（7c），便于固定。
[0041] 本实施例中，所述角度传感器（5）中部侧面设有螺纹，沿轴心方向旋入载物台（1b）的凸起套筒（4），与载物台（1b）固定。
[0042] 本实施例中，所述第一挡板（6）为带垂直卡槽的圆环柱体，第一挡板（6）内径与第一圆形通孔（1c）孔径相等且轴心重合，第一挡板（6）外径与第二圆形通孔（13）孔径相等，卡槽长度与圆环柱体高度相等，宽度与平面涡卷弹簧（14）厚度相等，贯通第一挡板（6）侧壁，起固定平面涡卷弹簧（14）端部作用。
[0043] 本实施例中，所述传动装置的主动转盘可插入第一挡板（6）无侧向晃动，垫台（11）下端面与载物台（1b）接触，垫台（11）高度尽量小，使得主动转盘无轴向晃动，主动转盘可绕轴心自由转动。
[0044] 本实施例中，所述主动转盘的垫台（11）和绕线器的总高度小于第一挡板（6）的高度，主动转盘的整体高度大于第一挡板（6）的高度，平面涡卷弹簧（14）可水平放入第一挡板（6）和第二挡板（8）形成的腔室内。
[0045] 本实施例中，所述主动转盘第二挡板（8）为圆环柱体，内径大于第二通孔直径，外径小于圆盘绕线器（9）直径，第二挡板（8）上垂直对称设置第二、第三卡槽，卡槽长度均与第二挡板（8）高度相等，贯通第二挡板（8）侧壁，第二卡槽（8a）宽度与平面涡卷弹簧（14）厚度相等，第三卡槽（8b）宽度与从动转盘（15）的柱状卡舌（15a）宽度相等。
[0046] 本实施例中，所述平面涡卷弹簧（14）宽度小于第一挡板（6）高出圆盘绕线器（9）上端面的长度，两端分别卡入第一卡槽（6a）、第二卡槽（8a），整体水平放置在第一挡板（6）和第二挡板（8）形成的腔内。
[0047] 本实施例中，所述绕线器的环形槽（10）截面为矩形，槽深度大于钢丝绳（3）直径，高度等于钢丝绳（3）直径，槽底面高度与第一、第二引线孔（2a、2b）的底面高度相等，可使钢丝绳（3）绕线始终保持水平。
[0048] 本实施例中，所述垫台（11）为圆环柱体，内径与第二通孔直径相等，外径小于绕线器直径，与载物台（1b）接触面光滑，减小转盘与载物台（1b）之间的摩擦。
[0049] 本实施例中，所述圆盘绕线器（9）的环形槽（10）上端面垂直设置螺孔，固定螺丝（12）旋入将钢丝绳（3）端部压紧固定在环形槽（10）下端面。
[0050] 本实施例中，所述角度传感器（5）的转轴（16）长度满足角度传感器（5）固定在载物台（1b）上时，转轴（16）长度高于第二挡板（8）高度。
[0051] 本实施例中，所述从动转盘（15）的圆盘直径与第二挡板（8）外径相等，边缘设置垂直卡舌（15a），尺寸与第三卡槽（8b）尺寸相同，卡舌（15a）插入第三卡槽（8b）无侧向晃动，圆盘中心设置凸起圆柱状凹槽（15b），凹槽与传感器转轴（16）端部卡紧，其深度满足传感器转轴（16）插入后从动转盘（15）与主动转盘完全贴合，且传动装置整体轴向无位移。
[0052] 本实施例中，所述固定装置的引线器（7b）水平通孔的最低点与第一、第二引线孔（2a、2b）下端面、环形槽（10）下端面在同一水平面内，保证钢丝绳（3）固定安装在同一水平面，提高测量准确度。
[0053] 本实施例中，所述第一、第二引线孔（2a、2b）对称分布在支承板（1a）两端，尺寸相同且边长大于钢丝绳（3）直径，钢丝绳（3）可自由穿过。
[0054] 本实施例中，所述平面涡卷弹簧（14）满足在钢丝绳（3）预紧状态下，平面涡卷弹簧（14）产生的扭矩可使装置固定在试样侧面，随试样变形始终保持水平状态，提高测量精度。
[0055] 本实施例中，以标准圆柱形岩石试样（Φ50×100）的常规三轴压缩试验为例，将本装置结合常规三轴压缩仪实现对试样压缩过程中的环向变形量的测量，围压室内充油加围压，需将试样与液压油隔离，将试样放入厚度3mm的橡胶套筒中，本装置固定在橡胶套筒上、试样中部位置，其使用方法如下：
[0056] 1）将钢丝绳（3）一端用固定螺丝（12）固定在主动转盘的环形槽（10）内，钢丝绳（3）沿环形槽（10）轨迹引出，穿过第一引线孔（2a），水平环绕橡胶套中部侧面一圈，绳末端经第二引线孔（2b）穿入固定器的第二通孔。
[0057] 2）支承板（1a）侧面与橡胶套侧面贴合，牵引钢丝绳（3）末端，使得主动转盘、平面涡卷弹簧（14）和钢丝绳（3）处于预紧状态，使装置水平固定在试样侧面，旋紧螺丝（7a）固定钢丝绳（3）末端，完成装置的安装，记录角度传感器（5）输出的初始值θ（0 单位：°）。
[0058] 3）试验过程中，试样产生侧向位移d时，通过钢丝绳（3）传递到主动转盘上，本实施例中环形槽（10）内径为R，主动转盘产生角度变化，带动从动转盘（15）和角度传感器（5）产生相同角度变化，通过角度传感器（5）输出变化角Δθ（单位：°），计算环向位移量：
[0059] d=R*Δθ/π
[0060] 4）试验结束，松开螺丝（7a），从第二引线孔（2b）抽出钢丝绳（3），取下试样。
[0061] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
