高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统与方法
阅读说明：本技术 高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统与方法 (Model test multi-physical quantity information sealing acquisition system and method in high-pressure environment ) 是由 王汉鹏 刘众众 袁亮 章冲 张冰 邢文彬 于欣平 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域,提供了一种高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统与方法。其中,高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统包括多物理量传感部,其埋设在高气压环境下试验材料内；放大部,其通过伸出试验材料的第一信号线与多物理量传感部连接；处理部,其设置在模型试验装置外部,且通过第二信号线与放大部连接；第一密封结构,其采用胶状柔性密封材料包裹试验材料；第二密封结构,其用于密封第一信号线；第三密封结构,其用于密封放大部；第四密封结构,其密封伸出模型试验装置外部的第二信号线。(The invention belongs to the technical field of scientific research of mineral engineering and geotechnical engineering, and provides a model test multi-physical quantity information sealing acquisition system and method in a high-pressure environment. The model test multi-physical quantity information sealing acquisition system under the high-pressure environment comprises a multi-physical quantity sensing part, a test material and a data acquisition part, wherein the multi-physical quantity sensing part is embedded in the test material under the high-pressure environment; an amplification section connected to the multiple physical quantity sensing section through a first signal line extending out of the test material; a processing unit which is provided outside the model test apparatus and connected to the amplification unit via a second signal line; the first sealing structure wraps the test material by adopting a colloidal flexible sealing material; a second sealing structure for sealing the first signal line; a third sealing structure for sealing the amplification portion; and a fourth sealing structure sealing the second signal line extending outside the model test apparatus.)
技术领域
本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，尤其涉及一种高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
物理模型试验是煤与瓦斯突出、冲击地压等多相多场耦合煤岩动力灾害的重要研究手段。而物理模型试验必然会涉及到气-固-液耦合问题和传感器埋设、引线密封、数据采集等问题，这些问题能否得到解决是模型试验成功与否的关键。
目前，前人针对传感器引线密封已开展了大量的研究，创新出了一系列的密封装置与方法，有的装置仅能实现热电偶的密封，不涉及信号放大器的密封；有的装置不适用于在高压环境下的密封；有的装置不能拆卸和重复利用，还有的装置只能应用于硬质壳体材料的密封上，无法应用于模型试验所需的柔性材料的密封。发明人发现，现有的引线密封装置和方法，存在以下不足之处：
1)密封装置均为金属壳体等硬质材料的引线密封，未涉及模型试验所需的柔性材料的密封；
2)为保证传感器信号的精确度，需要将信号放大器置于模型试验装置内部，而信号放大器在高压环境下易损坏，这就要求实现信号放大器的独自密封，而以上装置和方法均未涉及传感器信号放大器高压环境下的密封；
3)密封装置的安装均为一次永久性的密封，无法满足模型试验的拆卸重复使用要求；
4)未形成一整套适用于高气压环境下模型试验的多物理量信息密封采集系统与方法。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供了一种高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统与方法，其密封采用胶状的柔性密封材料，放大部独自密封结构，保障了信号采集的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统，其包括：
多物理量传感部，其埋设在高气压环境下试验材料内；
放大部，其通过伸出试验材料的第一信号线与多物理量传感部连接；
处理部，其设置在模型试验装置外部，且通过第二信号线与放大部连接；
第一密封结构，其采用胶状柔性密封材料包裹试验材料；
第二密封结构，其用于密封第一信号线；
第三密封结构，其用于密封放大部；
第四密封结构，其密封伸出模型试验装置外部的第二信号线。
作为一种实施方式，所述第四密封结构为可拆卸结构且可重复性使用。
上述方案的优点在于，第四密封结构为可拆卸结构可在多次试验中重复使用，提高了元件的利用率。
作为一种实施方式，所述第一密封结构为橡胶囊，橡胶囊外部为顶底板岩石相似材料。
上述方案的优点在于，采用胶状的柔性密封材料，既可以有效的传递应力，又可以实现良好的密封效果。
作为一种实施方式，第一密封结构和第二密封结构连接处，橡胶囊增厚。
上述方案的优点在于，橡胶囊增厚处理能够保障密封效果。
作为一种实施方式，所述第二密封结构包括第一L型密封套管，第一L型密封套管套设在第一信号线外部，第一L型密封套管内部通过环氧树脂胶密封。
上述方案的优点在于，这样一方面能够使得第一信号线外部被软材料包裹，避免硬性摩擦对第一信号线造成损伤，提高信号的传输效果，另一方面提高了密封效果，提高了信号传输的准确性。
作为一种实施方式，所述第三密封结构为密封盒，密封盒上设置有航空插头且用环氧树脂胶密封，第一信号线通过航空插头连接放大部。
上述方案的优点在于，放大部独自密封结构，既可以将信号放大器置于试验装置内部，保证传感器信号的精确度，又可以避免其在高气压环境下损坏；而且航空插头能够适用于多种接头，提高数据转换的效率。
作为一种实施方式，所述密封盒上还设置有中空螺栓，第二信号线通过中空螺栓进入密封盒内与放大部连接，且中空螺栓内使用环氧树脂胶密封。
上述方案的优点在于，这样避免了第二信号线与密封盒的硬性摩擦造成损伤，提高信号的传输效果。
作为一种实施方式，所述第四密封结构包括第二L型密封套管，第二L型密封套管套设在第二信号线外部，第二L型密封套管内部通过环氧树脂胶密封。
上述方案的优点在于，这样一方面能够使得第二信号线外部被软材料包裹，避免硬性摩擦对第二信号线造成损伤，提高信号的传输效果，另一方面提高了密封效果，提高了信号传输的准确性。
本发明的第二个方面提供一种高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统的采集方法，其包括：
将多物理量传感部埋设在高气压环境下试验材料内，采用胶状柔性密封材料的第一密封结构包裹试验材料；
通过第一信号线将多物理量传感部与放大部连接，采用第二密封结构密封第一信号线，采用第三密封结构单独密封放大部；
通过第二信号线将处理部与放大部连接，采用第四密封结构密封伸出模型试验装置外部的第二信号线，由处理部接收依次经多物理量传感部、第一信号线、放大部和第二信号线传送来的多物理量信号；采用四种密封结构的相互配合，共同实现了试验材料内部多物理量信息的采集。
作为一种实施方式，第二密封结构内套入第一信号线后灌入环氧树脂胶进行密封；第四密封结构内套入第二信号线后也灌入环氧树脂胶进行密封。
上述方案的优点在于，这样一方面能够使得信号线外部被软材料包裹，避免硬性摩擦对信号线造成损伤，提高信号的传输效果，另一方面提高了密封效果，提高了信号传输的准确性。
本发明的有益效果是：
(1)第一密封结构采用胶状的柔性密封材料，既可以有效的传递应力，又可以实现良好的密封效果。
(2)放大部采用独自密封结构，既可以将信号放大器置于试验装置内部，保证传感器信号的精确度，又可以避免其在高气压环境下损坏；
(3)第四密封结构采用可拆卸形式，可在多次试验中重复使用；
(4)本发明形成了一整套适用于高气压环境下模型试验的多物理量信息密封采集系统与方法。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的多物理量信息密封采集系统各模块整体配合示意图；
图2是本发明实施例的传感器信号线引出煤层的密封示意图；
图3(a)是本发明实施例的信号放大器的密封主视图；
图3(b)是本发明实施例的信号放大器的密封侧视图；
图3(c)是本发明实施例的信号放大器的密封立体图；
图3(d)是本发明实施例的信号放大器的密封俯视图；
图3(e)是本发明实施例的信号放大器的密封剖视图；
图4是本发明实施例的信号线引出反力装置的密封示意图。
其中：1处理部；2传感器信号线引出煤层的密封；3信号放大器的密封；4信号线引出反力装置的密封；2-1传感器引线Ⅰ段；2-2环氧树脂AB胶；2-3 L型密封套管；2-4橡胶囊；2-5顶底板岩石相似材料；2-6传感器；2-7煤层；3-1信号放大器；3-2航空插头；3-3传感器引线Ⅱ段；3-4密封盒；3-5密封盒主体；3-6密封盒前盖；3-7密封盒后盖；3-8中空螺栓；3-9信号放大器引线；3-10环氧树脂AB胶；4-1外部L型引线密封套管；4-2环氧树脂AB胶；4-3 O型圈；4-4传感器引线Ⅲ段。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
为了解决背景技术中的高气压固气耦合物理模型试验中传感器埋设、引线密封、多物理量信息采集等关键问题，本发明提供一种高气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统，其包括多物理量传感部，其埋设在高气压环境下试验材料内；放大部，其通过伸出试验材料的第一信号线与多物理量传感部连接；处理部，其设置在模型试验装置外部，且通过第二信号线与放大部连接；第一密封结构，其采用胶状柔性密封材料包裹试验材料；第二密封结构，其用于密封第一信号线；第三密封结构，其用于密封放大部；第四密封结构，其密封伸出模型试验装置外部的第二信号线。
可以理解的是，多物理量传感部包括采集多种物理量的传感器，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。
放大部可采用信号放大器来实现，处理部可采用处理器及显示器来实现，在此不作详述。
高气压环境下试验材料包括煤等其他试验材料，本实施例以煤为例：
如图1所示，在本实施例中，多物理量传感部由采集多种物理量的传感器构成；放大部为信号放大器，第一信号线为传感器引线Ⅰ段；第二信号线为传感器引线Ⅲ段；传感器引线Ⅱ段为伸入第三密封结构的信号线。
在本实施中，第一密封结构为橡胶囊2-4；
具体地，橡胶囊可采用自加工形式制作成柔性橡胶囊来实现。
第二密封结构为传感器信号线引出煤层的密封2；
第三密封结构为信号放大器的密封3；
第四密封为信号线引出反力装置的密封4；
具体地，传感器信号线引出煤层的密封2实现传感器采集信号从煤层2-7中引出和煤层的柔性密封；信号放大器的密封3实现传感器信号的放大和信号放大器3-1的正常工作；信号线引出反力装置的密封4实现放大后的传感器信号引出模型装置和引线部位的密封；信号处理部1实现传感器多物理量信息的采集。
试验时，传感器采集的信号经由传感器信号线引出煤层的密封2到达信号放大器的密封3，信号放大后经由信号线引出反力装置的密封4引出模型试验装置，继而与信号处理部1连接实现多物理量信息的采集。
煤层2-7被橡胶囊2-4包裹；橡胶囊2-4外部为顶底板岩石相似材料2-5。传感器信号线引出煤层的密封2，如图2所示，包括传感器引线Ⅰ段2-1、环氧树脂AB胶2-2和L型密封套管2-3。
L型密封套管2-3穿过煤层2-7、橡胶囊2-4和顶底板岩石相似材料2-5。本实施例采用胶状的柔性密封材料，既可以有效的传递应力，又可以实现良好的密封效果。
传感器2-6埋设在煤层2-7内；传感器引线Ⅰ段2-1一端连接传感器2-6，另一端经L型密封套管2-3内部穿过，进入顶底板岩石相似材料2-5内，随后延伸到信号放大器的密封3；
L型密封套管2-3内传感器引线Ⅰ段2-1穿过后，灌入环氧树脂AB胶2-2密封。在L型密封套管2-3穿过处，橡胶囊2-4软化加厚处理，保证密封效果。这样一方面能够使得第一信号线外部被软材料包裹，避免硬性摩擦对第一信号线造成损伤，提高信号的传输效果，另一方面提高了密封效果，提高了信号传输的准确性。
信号放大器的密封3，如图3(a)-图3(e)所示，包括信号放大器3-1、信号放大器引线3-2、传感器引线Ⅱ段3-3和密封盒3-4。
信号放大器3-1放置于密封盒3-4内；密封盒3-4包括航空插头3-2、传感器引线Ⅱ段3-3、密封盒主体3-5、密封盒前盖3-6、密封盒后盖3-7、中空螺栓3-8、信号线放大器引线3-9和环氧树脂AB胶3-10。
其中，航空插头3-2安装在密封盒前盖3-6上；信号放大器3-1和航空插头3-2通过信号放大器引线3-9连接；中空螺栓3-8安装在密封盒后盖3-7上；传感器引线Ⅱ段3-3一端穿过中空螺栓3-8进入密封盒3-4内与信号放大器3-1连接，另一端与传感器引线Ⅰ段2-1连接。
中空螺栓3-8内在传感器引线Ⅱ段3-3穿过后灌环氧树脂AB胶3-10密封；中空螺栓3-8与密封盒后盖3-7之间加组合垫圈密封；在航空插头3-2安装后，在航空插头3-2与密封盒前盖3-6之间灌环氧树脂AB胶3-10密封；密封盒前盖3-6和密封盒后盖3-7与密封盒主体3-5之间加O型圈，通过螺栓连接密封。
放大部独自密封结构，既可以将信号放大器置于试验装置内部，保证传感器信号的精确度，又可以避免其在高气压环境下损坏；而且航空插头能够适用于多种接头，提高数据转换的效率。
信号线引出反力装置的密封4，如图4所示，包括外部L型引线密封套管4-1、环氧树脂4-2、O型圈4-3和传感器引线Ⅲ段4-4。
外部L型引线密封套管4-1通过自带法兰安装在试验装置上，与试验装置内部相通。外部L型引线密封套管4-1与试验装置之间加O型圈4-3密封。
传感器引线Ⅲ段4-4一端与密封盒航空插头3-2相连，另一端穿过外部L型引线密封套管4-1后与外部信号处理部1连接；
在传感器引线Ⅲ段4-4穿过后，外部L型引线密封套管4-1内灌环氧树脂AB胶4-2密封。
信号线引出反力装置的密封4为可拆卸结构。这样可在多次试验中重复使用，提高了元件的利用率。
信号处理部1可进行气压、温度、地应力等多物理量信息同步采集。
本实施例的气压环境下模型试验多物理量信息密封采集系统的采集原理为：
将多物理量传感部埋设在高气压环境下试验材料内，采用胶状柔性密封材料的第一密封结构包裹试验材料；
通过第一信号线将多物理量传感部与放大部连接，采用第二密封结构密封第一信号线，采用第三密封结构单独密封放大部；
通过第二信号线将处理部与放大部连接，采用第四密封结构密封伸出模型试验装置外部的第二信号线，由处理部接收依次经多物理量传感部、第一信号线、放大部和第二信号线传送来的多物理量信号；采用四种密封结构的相互配合，共同实现了试验材料内部多物理量信息的采集。
具体信息采集方法为：
1)将所需的传感器引线Ⅰ段2-1与对应传感器2-6准备完善并编号，将传感器引线Ⅰ段2-1穿过L型密封套管2-3，套管内灌环氧树脂AB胶2-2，干燥48h，待环氧树脂AB胶2-2完全干燥后妥善保存备用。
2)将所需的传感器引线Ⅱ段3-3准备完善并编号，令传感器引线Ⅱ段3-3穿过中空螺栓3-8，并灌环氧树脂AB胶3-10密封；将航空插头3-2安装在密封盒前盖3-6上，同样灌环氧树脂AB胶3-10密封；进而将所需的信号放大器3-1与传感器引线Ⅱ段3-3一端及航空插头3-2连接，封装在密封盒3-4内。
3)将所需的传感器引线Ⅲ段4-4准备完善并编号，将传感器引线Ⅲ段4-4穿过外部L型密封套管4-1，套管内灌环氧树脂AB胶4-2密封，进而将其通过法兰安装在试验装置上，传感器引线Ⅲ段4-4的一端进入试验装置内部。
4)试验时，将外部L型密封套管4-1通过法兰安装在试验装置上，传感器引线Ⅲ段4-4的一端进入试验装置内部与信号放大器密封盒3-4相连，另一端在试验装置外部与信号处理部1连接；信号放大器密封盒3-4置于试验装置内合适位置。
5)填充煤层2-7时，将传感器2-6埋设在既定位置，L型引线密封套管2-3一端埋入煤层2-7内，进而用橡胶囊2-4包裹煤层2-7和L型引线密封套管2-3，在L型引线密封套管2-3周围橡胶囊2-4软化加厚处理以保证密封效果；橡胶囊2-4外侧填充顶底板岩石相似材料2-5，传感器引线Ⅰ段2-1另一端与传感器引线Ⅱ段3-3相连。
本实施例的第一密封结构采用胶状的柔性密封材料，既可以有效的传递应力，又可以实现良好的密封效果。放大部采用独自密封结构，既可以将信号放大器置于试验装置内部，保证传感器信号的精确度，又可以避免其在高气压环境下损坏；第四密封结构采用可拆卸形式，可在多次试验中重复使用；形成了一整套适用于高气压环境下模型试验的多物理量信息密封采集系统与方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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