一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置，包括加載裝置，被測(cè)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置，采集裝置，加載裝置通過(guò)加力塊對(duì)被測(cè)裝置中的顆粒樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，顆粒樣品依次排布在一種容積可變的裝夾盒中，從而可通過(guò)改變?nèi)莘e來(lái)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品實(shí)驗(yàn)；采用CCD攝像機(jī)采集變形前后顆粒樣品的數(shù)字散斑圖像，通過(guò)基于區(qū)域的灰度匹配算法可以計(jì)算出所選定的感興趣區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的位移和應(yīng)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量。本實(shí)用新型得到有益效果是：不僅克服了試樣材料的限制和測(cè)量尺度窄的問(wèn)題，而且具有光路簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求較低、非接觸和全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，這大大簡(jiǎn)化了操作者的操作過(guò)程，同時(shí)提高了顆粒物質(zhì)形變的測(cè)量速度與精度。
【專利說(shuō)明】一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及顆粒物質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]顆粒物質(zhì)是大量離散顆粒相互作用而形成的復(fù)雜體系，廣泛存在于自然界，與人類日常生活生產(chǎn)密切相關(guān)，比如自然界中沙石、土壤等，日常生活中的糧食、糖、鹽等，工業(yè)生產(chǎn)中的煤炭礦石、化工產(chǎn)品等，可以說(shuō)顆粒物質(zhì)是地球上存在最多、最與人類密不可分的物質(zhì)類型之一。土力學(xué)、化學(xué)工程等工程應(yīng)用學(xué)科對(duì)其宏觀性質(zhì)開(kāi)展了詳盡研究，但是對(duì)其物理機(jī)制的研究是最近20年來(lái)才逐漸得到重視的。顆粒固體中力分布規(guī)律的研究手段主要包括實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和數(shù)值模擬，但對(duì)于復(fù)雜的顆粒物質(zhì)體系，要研究清楚顆粒內(nèi)部的力學(xué)性能，尤其是細(xì)觀層面的應(yīng)變分布及顆粒間相對(duì)位置，僅僅靠數(shù)值模擬是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要有可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的顆粒接觸力的測(cè)量方法大致分為兩類:①接觸式檢測(cè)方法，包括高精度電子傳感稱量法、顯色靈敏壓痕方法等，它們可檢測(cè)顆粒體系中某一截面上的接觸力分布情況，但是不可避免的對(duì)顆粒體系帶來(lái)了干擾，由于顆粒間力鏈對(duì)局部力的變化反應(yīng)極為敏感，檢測(cè)引起的輕微改變足以使得力鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。②非接觸式檢測(cè)方法，主要包括光彈方法、熒光共聚焦顯微鏡法和磁共振彈性成像法，它們的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)干擾檢測(cè)，但熒光共聚焦法和磁共振彈性成像法測(cè)量尺度比較小，并且無(wú)法實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀測(cè)。目前，應(yīng)用最廣泛的是光彈應(yīng)力分析法，但現(xiàn)有的光彈應(yīng)力分析法僅能分析具有雙折射效應(yīng)的透明材料，所以顆粒試樣材料受到很大限制。
[0003]國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)二維數(shù)字圖像相關(guān)法(2D-DIC)的基礎(chǔ)理論方面已有了較深的研究，它是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像識(shí)別原理的非干涉、非接觸、全場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置通過(guò)保存初始狀態(tài)下的試樣表面的散斑圖像作為參考圖像，然后記錄下加載后的散斑圖像作為目標(biāo)圖像。由于圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)都記錄了相應(yīng)物點(diǎn)的灰度信息，通過(guò)基于區(qū)域的灰度匹配算法可以計(jì)算出所選定的感興趣區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的位移和應(yīng)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量。相比上述這些實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法，該測(cè)試裝置不僅克服了顆粒試樣材料的限制和測(cè)量尺度窄的問(wèn)題，而且具有光路簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求較低、非接觸和全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，這大大簡(jiǎn)化了操作者的操作過(guò)程，同時(shí)提高了顆粒物質(zhì)形變的測(cè)量速度與精度。由于顆粒配位數(shù)對(duì)顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性影響很大，一直是顆粒物質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的重要參數(shù)，故而設(shè)計(jì)了一種容積可無(wú)極調(diào)節(jié)的裝夾盒，用來(lái)固定以任意配位數(shù)排布的顆粒樣品。通過(guò)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究顆粒配位數(shù)對(duì)顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性的影響。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案:
[0006]一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置，包括加載裝置、被測(cè)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、采集裝置和工作臺(tái)，所述加載裝置通過(guò)加力塊對(duì)被測(cè)裝置中的顆粒樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，顆粒樣品依次排布在一種容積可變的裝夾盒中；
[0007]所述裝夾盒由主板和側(cè)板兩部分組成，所述主板底面和正面開(kāi)有MlO的螺紋孔，所述側(cè)板底面和正面開(kāi)有直徑D = 11的通槽，所述主板的螺紋孔和側(cè)板的通槽通過(guò)螺栓連接，并實(shí)現(xiàn)容積無(wú)極調(diào)節(jié)；所述螺栓預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)側(cè)板固定；所述螺栓旋松，實(shí)現(xiàn)側(cè)板無(wú)極調(diào)節(jié)，從而可通過(guò)改變?nèi)莘e來(lái)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品實(shí)驗(yàn)；
[0008]所述驅(qū)動(dòng)裝置包括手柄，滾珠絲桿，絲桿螺母，Y向?qū)к墸脚_(tái)和螺旋升降裝置；滾珠絲桿通過(guò)軸承座支撐在工作臺(tái)上，所述平臺(tái)中央與絲桿螺母固連，所述平臺(tái)的四角與所述Y向?qū)к壨ㄟ^(guò)滑塊連接，所述Y向?qū)к壊捎肏型對(duì)稱布置，保證Y向運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，以保證顆粒樣品與與采集裝置中的CCD攝像機(jī)的工作距離合理穩(wěn)定；所述螺旋升降裝置通過(guò)螺栓固定在平臺(tái)上，由螺旋套筒和螺柱組成，為了獲得精確的相關(guān)分析結(jié)果，可通過(guò)微調(diào)螺柱調(diào)節(jié)成像鏡面，使其平行于顆粒樣品表面；
[0009]所述米集裝直包括(XD攝像機(jī)，成像鏡頭，光源和計(jì)算機(jī)；所述(XD攝像機(jī)固定在螺柱上，所述成像鏡頭安裝在CCD攝像機(jī)上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連，所述光源可通過(guò)支座固定在工作臺(tái)上。
[0010]基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)單軸壓縮過(guò)程的應(yīng)變測(cè)試方法，采用CCD攝像機(jī)采集變形前后顆粒樣品的數(shù)字散斑圖像，由于散斑圖像每一點(diǎn)的灰度值不同，每一點(diǎn)附近的一個(gè)小區(qū)域中的灰度分布與其它點(diǎn)也是不盡相同的，這種小區(qū)域稱為子區(qū)。進(jìn)而將變形前的數(shù)字灰度場(chǎng)中某一區(qū)域定義為樣本子區(qū)，將變形后與之對(duì)應(yīng)的區(qū)域稱為目標(biāo)子區(qū)，經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件處理系統(tǒng)就可以識(shí)別出目標(biāo)子區(qū)與樣本子區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及兩者的差異可推斷出樣品的變形信息，從而計(jì)算出所選定的子區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)的位移和應(yīng)變。
[0011 ] 所述檢驗(yàn)方法包括如下步驟:
[0012](I)顆粒樣品由一種黑色橡膠材料制備而成，并做清潔處理，然后噴啞光白漆，控制噴漆大小形成均勻表面散斑圖。再先后將顆粒樣品以6個(gè)和4個(gè)兩種配位級(jí)數(shù)排布于容積無(wú)極調(diào)節(jié)的裝夾盒中，顆粒排布方式見(jiàn)附圖2和附圖3。由于裝夾盒可無(wú)極調(diào)節(jié)，因而顆粒樣品可以以任意的排布方式獲得上述所沒(méi)有列舉出的其它配位數(shù)。
[0013](2)通過(guò)手柄調(diào)節(jié)確定合理的顆粒樣品與CXD攝像機(jī)的工作距離，同時(shí)微調(diào)螺旋升降裝置，以保證成像鏡頭與顆粒樣品表面平行。
[0014](3)打開(kāi)圖像采集系統(tǒng)，并將光源調(diào)整到合適的角度亮度，設(shè)置圖像采集參數(shù)，保存路徑，準(zhǔn)備開(kāi)始?jí)嚎s試驗(yàn)和圖像采集。
[0015](4)再次檢查儀器和系統(tǒng)，確保各方面正常工作，開(kāi)啟加載系統(tǒng)，通過(guò)加力塊對(duì)顆粒樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行CCD攝像機(jī)的圖像采集，采集的樣品圖像會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在之前建立的文件夾中。
[0016](5)最后通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)法處理分析采集到的圖像，得到顆粒物質(zhì)在單軸壓縮過(guò)程中的位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)。
[0017]本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為:基于數(shù)字圖像相關(guān)法在拉伸等試驗(yàn)中優(yōu)良的應(yīng)用效果，結(jié)合顆粒物質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的不足，針對(duì)顆粒物質(zhì)在單軸壓縮過(guò)程中的變形檢測(cè)，實(shí)用新型了該應(yīng)變測(cè)試裝置。由于顆粒配位數(shù)對(duì)顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性影響很大，一直是顆粒物質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的重要參數(shù)，故而設(shè)計(jì)了一種容積可無(wú)極調(diào)節(jié)的裝夾盒，用來(lái)固定以任意配位數(shù)排布的顆粒樣品。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:采用該裝置利用二維數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)顆粒物質(zhì)單軸壓縮過(guò)程中的變形進(jìn)行測(cè)量，不僅克服了試樣材料的限制和測(cè)量尺度窄的問(wèn)題，而且具有光路簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求較低、非接觸和全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，這大大簡(jiǎn)化了操作者的操作過(guò)程，同時(shí)提高了顆粒物質(zhì)形變的測(cè)量速度與精度。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種容積無(wú)極調(diào)節(jié)的裝夾盒，用來(lái)盛放顆粒樣品，通過(guò)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究顆粒配位數(shù)對(duì)顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性的影響。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是顆粒配位數(shù)為6的樣品排布示意圖；
[0021]圖3是顆粒配位數(shù)為4的樣品排布示意圖；
[0022]圖4是容積可無(wú)極調(diào)節(jié)的裝夾盒結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5是螺旋升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖中符號(hào)說(shuō)明如下:1加載裝置；2顆粒樣品；3加力塊；4裝夾盒；5螺旋升降裝置；6CCD攝像機(jī)；7光源；8平臺(tái)；9滾珠絲桿；10Y向?qū)к墸?1手柄；12計(jì)算機(jī)；13工作臺(tái)。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0026]一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)單軸壓縮過(guò)程的應(yīng)變測(cè)量方法，其特點(diǎn)是利用數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行形變測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算得到不同配位數(shù)下樣品表面的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。
[0027]參照?qǐng)D1、圖4、圖5，應(yīng)變測(cè)量裝置包括加載裝置I，驅(qū)動(dòng)裝置，采集裝置和工作臺(tái)13。被測(cè)裝置包括裝夾盒4和顆粒樣品2 ;驅(qū)動(dòng)裝置包括螺旋升降裝置5、平臺(tái)8、滾珠絲杠9、Y向?qū)к?0和手柄11 ;采集裝置包括CXD攝像機(jī)6、光源7和計(jì)算機(jī)12。所述加載裝置I通過(guò)加力塊3對(duì)被測(cè)裝置中的顆粒樣品2進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，顆粒樣品2依次排布在一種容積可變的裝夾盒4中。
[0028]所述裝夾盒4由主板41和側(cè)板42兩部分組成,所述主板41底面和正面開(kāi)有MlO的螺紋孔，所述側(cè)板42底面和正面開(kāi)有直徑D = 11的通槽，所述主板的螺紋孔和側(cè)板的通槽通過(guò)螺栓43連接，并實(shí)現(xiàn)容積無(wú)極調(diào)節(jié)。所述螺栓43預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)側(cè)板42固定；所述螺栓43旋松，實(shí)現(xiàn)側(cè)板42無(wú)極調(diào)節(jié)，從而可通過(guò)改變?nèi)莘e來(lái)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品實(shí)驗(yàn)。
[0029]所述驅(qū)動(dòng)裝置包括手柄11，滾珠絲桿9，Y向?qū)к?0，平臺(tái)8和螺旋升降裝置5。滾珠絲桿9通過(guò)軸承座支撐在工作臺(tái)13上，所述平臺(tái)8中央與絲桿螺母固連，四角與Y向?qū)к?0滑塊固連，所述Y向?qū)к?0采用H型對(duì)稱布置，保證Y向運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，以保證顆粒樣品2與攝像機(jī)6的工作距離合理穩(wěn)定。所述螺旋升降裝置5通過(guò)螺栓固定在平臺(tái)8上，由螺旋套筒51和螺柱52組成，為了獲得精確的相關(guān)分析結(jié)果，可通過(guò)微調(diào)螺柱52調(diào)節(jié)成像鏡面，使其平行于顆粒樣品2表面。
[0030]所述采集裝置包括CXD攝像機(jī)6，成像鏡頭，光源7和計(jì)算機(jī)12。所述CXD攝像機(jī)6通過(guò)M6的雙頭螺栓53固定在螺柱52上，所述成像鏡頭安裝在CXD攝像機(jī)6上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)12相連，所述光源7可通過(guò)支座固定在工作臺(tái)13上。
[0031 ] 所述檢驗(yàn)方法包括如下步驟:
[0032](I)基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)單軸壓縮過(guò)程的應(yīng)變測(cè)試方法，首先是顆粒樣品散斑圖的制備。顆粒樣品2由一種黑色橡膠材料制備而成，并做清潔處理，然后噴啞光白漆，控制噴漆大小形成均勻表面散斑圖。再先后將顆粒樣品2以6個(gè)配位級(jí)數(shù)21和4個(gè)配位級(jí)數(shù)22排布于容積無(wú)極調(diào)節(jié)的裝夾盒4中，顆粒排布方式見(jiàn)附圖2和附圖3。由于裝夾盒可無(wú)極調(diào)節(jié)，因而顆粒樣品可以以任意的排布方式獲得上述所沒(méi)有列舉出的其它配位數(shù)。
[0033](2)通過(guò)手柄11調(diào)節(jié)確定合理的樣品2與CXD攝像機(jī)6的工作距離，同時(shí)微調(diào)螺旋升降裝置5，以保證成像鏡頭與樣品表面平行。
[0034](3)打開(kāi)圖像采集系統(tǒng)，并將光源7調(diào)整到合適的角度亮度，設(shè)置圖像采集參數(shù)，保存路徑，準(zhǔn)備開(kāi)始?jí)嚎s試驗(yàn)和圖像采集。
[0035](4)再次檢查儀器和系統(tǒng)，確保各方面正常工作，開(kāi)啟加載系統(tǒng)1，通過(guò)加力塊3對(duì)顆粒樣品2進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行CCD攝像機(jī)6的圖像采集，采集的樣品圖像會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在之前建立的文件夾中。
[0036](5)最后通過(guò)二維數(shù)字圖像相關(guān)法處理分析采集到的圖像，得到顆粒物質(zhì)在單軸壓縮過(guò)程中的位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)?；谏邎D像每一點(diǎn)的灰度值不同，每一點(diǎn)附近的一個(gè)小區(qū)域中的灰度分布于其它點(diǎn)也是不盡相同的，這種小區(qū)域稱為子區(qū)。進(jìn)而將變形前的數(shù)字灰度場(chǎng)中某一區(qū)域定義為樣本子區(qū)，將變形后與之對(duì)應(yīng)的區(qū)域稱為目標(biāo)子區(qū)，經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件處理系統(tǒng)就可以識(shí)別出目標(biāo)子區(qū)與樣本子區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及兩者的差異可推斷出樣品的變形信息，從而計(jì)算出所選定的子區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)的位移和應(yīng)變。
【權(quán)利要求】
1.一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物質(zhì)應(yīng)變測(cè)試裝置，包括加載裝置(1)、被測(cè)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、采集裝置和工作臺(tái)(13)，其特征在于:所述加載裝置(1)通過(guò)加力塊(3)對(duì)被測(cè)裝置中的顆粒樣品(2)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，顆粒樣品(2)依次排布在一種容積可變的裝夾盒⑷中； 所述裝夾盒(4)由主板(41)和側(cè)板(42)兩部分組成，所述主板(41)底面和正面開(kāi)有M10的螺紋孔，所述側(cè)板(42)底面和正面開(kāi)有直徑D = 11的通槽，所述主板(41)的螺紋孔和側(cè)板的通槽通過(guò)螺栓連接，并實(shí)現(xiàn)容積無(wú)極調(diào)節(jié)；所述螺栓(43)預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)側(cè)板(42)固定；所述螺栓(43)旋松，實(shí)現(xiàn)側(cè)板(42)無(wú)極調(diào)節(jié)，從而可通過(guò)改變?nèi)莘e來(lái)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品實(shí)驗(yàn)； 所述驅(qū)動(dòng)裝置包括手柄(11)，滾珠絲桿(9)，絲桿螺母，Y向?qū)к?10)，平臺(tái)(8)和螺旋升降裝置(5);滾珠絲桿(9)通過(guò)軸承座支撐在工作臺(tái)(13)上，所述平臺(tái)(8)中央與絲桿螺母固連，所述平臺(tái)的四角與所述Y向?qū)к?10)通過(guò)滑塊連接，所述Y向?qū)к?10)采用Η型對(duì)稱布置，保證Υ向運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，以保證顆粒樣品(2)與采集裝置中的(XD攝像機(jī)(6)的工作距離合理穩(wěn)定；所述螺旋升降裝置(5)通過(guò)螺栓固定在平臺(tái)(8)上，由螺旋套筒(51)和螺柱(52)組成，為了獲得精確的相關(guān)分析結(jié)果，可通過(guò)微調(diào)螺柱(52)調(diào)節(jié)成像鏡面，使其平行于顆粒樣品(2)表面； 所述采集裝置包括CCD攝像機(jī)￠)，成像鏡頭，光源(7)和計(jì)算機(jī)(12);所述CCD攝像機(jī)(6)固定在螺柱上，所述成像鏡頭安裝在CCD攝像機(jī)(6)上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)(12)相連，所述光源(7)可通過(guò)支座固定在工作臺(tái)(13)上。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK204128897SQ201420528158
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】計(jì)時(shí)鳴, 戴婷, 韋偉, 葛江勤 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)