一种用于测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装置

1.一种测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装置，主要由高精度热敏电阻温度传感器 (1)、具有快速接头和接点的环氧树脂压头(2)、普通环氧树脂压头(3)、锁扣式三轴压力室顶盖(5)、快速接口(7)、试样(9)和螺纹杆(12)构成，其特征在于：试样(9)放入与锁扣式三轴压力室顶盖(5)匹配的压力罐中，锁扣式三轴压力室顶盖(5)盖在压力罐上，试样(9)上套有防油乳胶套(4)，具有快速接头和接点的环氧树脂压头(2)置于试样（9）的顶端，普通环氧树脂压头(3)置于试样(9)底端，具有快速接头和接点的环氧树脂压头(2)和普通环氧树脂压头(3)的凹槽内嵌有橡皮圈(8)，插入试样(9)内部的高精度热敏电阻温度传感器 (1) 引线沿试样(9)与具有快速接头和接点的环氧树脂压头(2)下端部位分布的接点焊接，具有快速接头和接点的环氧树脂压头(2)上、下两端部位分布的接点对应连通，对接具有快速接头和接点的环氧树脂压头(2)与锁扣式三轴压力室顶盖(5)上的快速接口(7)，锁扣式三轴压力室顶盖（5）上设有螺纹孔（13）和冷液循环管（10），螺纹杆（12）通过螺纹孔（13）与相应的压力罐固定相连；从锁扣式三轴压力室顶盖(5)上接线柱（11）的快速接口(7)接出引线与数据采集系统(6)中的数据采集仪连接，数据采集仪通过数据线与电脑连接。

一种用于测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装\n置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种用于测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装置，主要用于三轴静、动荷载作用下冻土试样内部温度的直接测量和监控。\n背景技术\n[0002] 冻土是由固体矿物颗粒、塑性冰、液态水和气体组成的四相体系，是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体，其不稳定性主要表现在力学性质的波动。冻土力学特性的研究在试验方面基本上是围绕温度而进行的，一方面固定其它条件，变化试样的初始（试验）温度以探讨冻土特性随该温度变化的规律；另一方面，固定试样的初始（试验）温度，探讨试样的土质、干密度、含水量、应变速率以及荷载大小、荷载作用时间等对冻土力学特性的影响。这一切表明温度对冻土力学性质的研究具有非常重要的意义。\n[0003] 在大量关于冻土力学特性的研究中，所涉及的温度是指试样的初始温度或试样所处环境的温度，也有一部分关于单轴力学试验过程中试验内部温度测试的报道，其温度测量方法是插入试样中的温度传感器引线直接穿透试样表面的乳胶套与数据采集仪连接，而在三轴力学测试中，试样是置于液压油中，乳胶套的微小破损都会导致试样被油污染或浸透，显然上述方法不适用于三轴力学测试中试样内部温度的测量，直至目前，还没有这方面的测量装置或方法。因此，研发一种测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的测量装置，不仅可以调控力学测试期间三轴压力室内液压油的温度以保证试样的初始温度或试验温度，而且可以直接测量试样内部温度及其随荷载的变化过程，从而提高冻土力学测试过程中的控温精度，并为一些力学现象及机理的解释提供理论基础。\n发明内容\n[0004] 鉴于上述，本发明的目的旨在提供一种用于测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装置。利用本装置可以直接测量试样内部温度及其随荷载的变化过程，而且可以调控三轴压力室内液压油的温度以保证试样的初始温度或试验温度。\n[0005] 本发明的目的是这样实现的：\n[0006] 一种用于测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装置，主要由高精度热敏电阻温度传感器 、具有快速接头和接点的环氧树脂压头、普通环氧树脂压头、锁扣式三轴压力室顶盖、快速接口、试样和螺纹杆构成，试样放入与锁扣式三轴压力室顶盖匹配的压力罐中，锁扣式三轴压力室顶盖盖在压力罐上，试样上套有防油乳胶套，具有快速接头和接点的环氧树脂压头置于试样的顶端，普通环氧树脂压头置于试样底端，具有快速接头和接点的环氧树脂压头和普通环氧树脂压头的凹槽内嵌有橡皮圈，插入试样内部的高精度热敏电阻温度传感器的引线沿试样与带引线的环氧树脂压头下端部位分布的引线焊接，焊接接点与具有快速接头和接点的环氧树脂压头上端部位分布的接点对应连通，对接具有快速接头和接点的环氧树脂压头与锁扣式三轴压力室顶盖上的快速接口，锁扣式三轴压力室顶盖上设有螺纹孔和冷液循环管，螺纹杆通过螺纹孔与相应的压力罐固定相连；从三轴压力室顶盖上接线柱的快速接口接出引线与数据采集系统中的数据采集仪连接，数据采集仪通过数据线与电脑连接。\n[0007] 本发明的优点：\n[0008] 1、本发明通过具有快速接头和接点的环氧树脂压头上的接点连接置于试样内部的高精度热敏电阻温度传感器引线，对接具有快速接头和接点的环氧树脂压头与锁扣式三轴压力室顶盖上的两快速接口，并且试样、高精度热敏电阻温度传感器和具有快速接头和接点的环氧树脂压头下半部分被密封在防油乳胶套内，然后通过锁扣式三轴压力室顶盖上的快速接口接出引线与数据采集系统中的数据采集仪连接，数据采集仪通过数据线与电脑连接，从而可以直接地监测三轴力学测试过程中试样内部温度的动态变化过程，避免了试样被油污染或浸透现象的发生，提高了冻土力学测试过程中的控温精度，并为一些力学现象及机理的解释提供基础。\n[0009] 2、本发明的锁扣式三轴压力室顶盖的结构是对200410026390.6的中国专利申请中试验罐上盖的改进。该顶盖将螺旋式结构改为锁扣式结构。顶盖上设有螺纹孔、快速接口和冷液循环管。快速接口便于对接具有快速接头和接点的环氧树脂压头上的快速接头，并可接出引线又与数据采集仪连接，通过与数据采集仪连接的电脑可以直接实时地监测试样内部的温度变化情况。其次，螺纹杆通过螺纹孔与锁扣式三轴压力室顶盖5和压力罐固定，紧密相连，保证了压力罐的密封。\n附图说明\n[0010] 图1为本发明实施例的高精度热敏电阻温度传感器在试样中布设剖面图[0011] 图2为本发明实施例的特制环氧树脂压头立体示意图。\n[0012] 图3为本发明实施例的锁扣式三轴压力室顶盖剖面图。\n[0013] 图4为本发明实施例的锁扣式三轴压力室顶盖俯视图。\n[0014] 图5为加围压过程中油温及试样内部温度随时间的变化过程图，图中：oil代表围压油，Sample代表试样。\n[0015] 图6为围压为8.0MPa时，轴向循环荷载作用下试样内部温度的变化过程图，图中：-0.2℃、-0.5℃、-1.0℃、-2.0℃和-4.0℃分别为试样的初始温度。\n具体实施方式\n[0016] 本发明的高精度热敏电阻温度传感器1，由热敏电阻和针形的耐压钢套组成，其引线为两线制；其中热敏电阻性能及高精度热敏电阻温度传感器1的制作技术在《冰川冻土》2011第33卷第4期“高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点”的研究文章中公开，针形的耐压钢套长为20.0mm，直径3.0mm，热敏电阻置于距离针形的耐压钢套尖端\n2.0mm部位处。其型号为：小型高精度热敏电阻温度传感器，由兰州中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室生产。\n[0017] 本发明的试样9为粉质砂土。\n[0018] 下面结合附图对本发明的结构和工作原理作进一步说明：\n[0019] 参见图1、2、3和4，一种用于测量低温三轴力学试验过程中试样内部温度的装置，主要由高精度热敏电阻温度传感器 1、具有快速接头和接点的环氧树脂压头2、普通环氧树脂压头3、锁扣式三轴压力室顶盖5、快速接口7、试样9和螺纹杆12构成。试样9放入与锁扣式三轴压力室顶盖5匹配的压力罐中，锁扣式三轴压力室顶盖5盖在压力罐上。试样\n9上套有防油乳胶套4。具有快速接头和接点的环氧树脂压头2置于试样9的顶端，位于锁扣式三轴压力室顶盖5下方；具有快速接头和接点的环氧树脂压头2的直径与试样9的直径一致，高度为30.0mm，承载力为20MPa。普通环氧树脂压头3置于试样9的底端， 具有快速接头和接点的环氧树脂压头2和普通环氧树脂压头3的凹槽内嵌有橡皮圈8，插入试样9内部的2个高精度热敏电阻温度传感器 1 的引线与具有快速接头和接点的环氧树脂压头\n2下端部位等间距分布的3个接点焊接，焊接接点与具有快速接头和接点的环氧树脂压头2上端部位分布的接点对应连通，并且对接具有快速接头和接点的环氧树脂压头2与锁扣式三轴压力室顶盖5上的快速接口7。锁扣式三轴压力室顶盖5上设有8个螺纹孔13和1组冷液循环管10，8个螺纹杆12通过螺纹孔13将锁扣式三轴压力室顶盖5与压力罐固定相连；从三轴压力室顶盖5上接线柱11的快速接口7接出引线与数据采集系统6中的数据采集仪连接，数据采集仪通过数据线与电脑连接。\n[0020] 进行试验前，先将2个高精度热敏电阻温度传感器 1插入试样9，然后将高精度热敏电阻温度传感器 1上的引线沿试样9径向绕一圈后与具有快速接头和接点的环氧树脂压头2下端部位分布的接点焊接，并将具有快速接头和接点的环氧树脂压头2置于试样顶端，然后将防油乳胶套4由下而上套在试样9上，再将普通环氧树脂压头3置于试样9底端，将橡皮圈8紧密地套在具有快速接头和接点的环氧树脂压头2和普通环氧树脂压头3的凹槽内，然后将试样9放入与锁扣式三轴压力室顶盖5匹配的压力罐中，对接具有快速接头和接点的环氧树脂压头2与锁扣式三轴压力室顶盖5上的两快速接口7，将锁扣式三轴压力室顶盖5盖在压力罐上，并通过8个螺纹杆12将锁扣式三轴压力室顶盖5和压力罐固定在一起，最后从三轴压力室顶盖5上接线柱11的快速接口7接出引线与数据采集系统6中的数据采集仪连接，数据采集仪与电脑连接。\n[0021] 开启数据采集系统6，待试样9中的温度达稳定至2h后，进行三轴加载测试，通过数据采集系统6中的电脑实时地监测并下载和存储数据，直至试验结束。\n[0022] 图5和图6分别表明了加围压和循环加载过程中油温及粉质砂土试样内部温度的\n3\n变化情况。其中试样含水量为15.0%，干密度1.80 g/cm，围压8.0MPa, 加载频率3.0Hz，循环荷载峰值为相应试样静抗压强度的45%，谷值为8.03 MPa。\n[0023] 图5表明油温和试样内部温度随围压的增加而增大，但温度明显滞后于力达峰值，试样内部温度达最大值的时间也是滞后于油温，并且当围压稳定后，油温和试样内部温度逐渐恢复，最终到不了初始值，说明围压作用改变了油及试样的初始状态。油温的变化主要是由于围压作用导致其体积压缩引起的，试样温度的变化一方面来源于油温，另一方面也是围压作用引起的。\n[0024] 图6表明当围压保持恒定时，试样内部温度随轴向循环荷载作用时间的增加而升高，并且试样初始温度越低，其内部温度升高越明显。当围压恒定时，油的压缩性是恒定的，所以油温保持不变，那么此时试样内部温度的变化主要是由循环荷载对试样做功引起的。\n[0025] 根据图5和图6，进行低温三轴测试时，对试样内部温度的测量不仅可以提升控温精度，而且可以对一些力学现象及机理给予解释。