高精度实验室压力机主要依靠集成高分辨率测力计和线性可变差动变压器 (LVDT) 来表征岩石力学。这些传感器协同工作，捕获微小的法向和切向变形数据，这对于确定准确岩石断裂建模所需的接触刚度和摩擦参数至关重要。
数值模拟的准确性与其校准数据一样。通过利用高分辨率传感器测量岩石的物理相互作用，工程师可以计算出精确的惩罚参数和弹簧刚度值，从而确保模型能够反映真实的接触动力学。
实验室压力机中的传感器生态系统
为了获得数值模拟的准确输入，实验室压力机必须充当精密数据采集系统。这需要独立的传感器来同时测量力和位移。
测力计：测量力
高分辨率测力计是量化施加在岩石样品上的应力的主要机制。
它们监测测试过程中施加的载荷，提供计算应力所需的原始力数据。此处分辨率至关重要，因为即使是力的微小波动也必须被记录下来，以便准确绘制岩石的破坏阈值。
LVDT：跟踪变形
线性可变差动变压器 (LVDT) 集成在一起，以极高的精度测量物理位移。
这些传感器跟踪岩石样品在载荷作用下几何形状的变化。具体来说，它们捕获微小的法向和切向变形，确保岩石表面的物理移动以微米级别记录。
从原始数据到模型参数
这些传感器收集的数据具有特定的计算目的：弥合物理实验与数值模拟之间的差距。
计算接触刚度
同时记录力和变形（通过测力计和 LVDT）可以计算接触刚度。
在数值建模中，这会导出“弹簧刚度”值。这些值决定了岩石表面对变形的抵抗程度，是断裂力学的基础参数。
推导惩罚参数
传感器数据还用于确定模拟算法的惩罚参数。
这些参数是数值分析中使用的数学约束，用于防止模拟表面发生不自然的穿透。准确的传感器数据可确保这些约束的现实性，使模拟与实验室中观察到的真实岩石接触动力学保持一致。
理解权衡
虽然高分辨率传感器提供最佳数据，但它们在实验设计中带来特定的挑战。
灵敏度与噪声
高分辨率测力计和 LVDT 对微小变形非常敏感。
这种灵敏度对于精度是必需的，但会使系统容易受到环境噪声或振动的影响。如果压力机未正确隔离，外部因素可能会扭曲计算出的惩罚参数，导致“嘈杂”的模拟输入，无法反映岩石的真实行为。
数据量和处理
捕获法向和切向方向的高频数据会生成大量数据集。
这需要强大的数据采集硬件，能够完美同步 LVDT 和测力计信号。力与位移读数之间轻微的失步会导致刚度计算不正确，从而使数值模型无效。
根据您的目标做出正确的选择
为确保您的实验室设置能够有效指导您的数值模型，请根据您的具体目标考虑以下建议。
- 如果您的主要重点是推导准确的惩罚参数：优先选择分辨率最高的 LVDT，以捕获定义摩擦行为的微观切向变形。
- 如果您的主要重点是通用强度测试：确保您的测力计的容量远高于预期的破坏点，但要验证其分辨率是否足够高，能够检测到断裂的开始。
实验室的精确性是模拟可靠性的唯一途径。
摘要表：
| 传感器类型 | 主要测量 | 在岩石力学中的应用 |
|---|---|---|
| 高分辨率测力计 | 法向和切向力 | 计算应力和定义破坏阈值 |
| LVDT | 微小线性变形 | 跟踪表面几何形状和微位移 |
| 同步系统 | 力 + 位移 | 推导接触刚度和惩罚参数 |
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参考文献
- Mengsu Hu, Jens Birkhölzer. A New Simplified Discrete Fracture Model for Shearing of Intersecting Fractures and Faults. DOI: 10.1007/s00603-024-03889-4
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
