本發(fā)明涉及力學(xué)測(cè)試，尤其涉及一種基于光彈-紅外的全場(chǎng)應(yīng)力同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、目前，在受載物體的力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定中，常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括應(yīng)變片和聲發(fā)射等，但是這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以檢測(cè)全場(chǎng)應(yīng)力分布和演化特征。光彈性測(cè)試作為一種經(jīng)典的力學(xué)測(cè)試手段，因?yàn)槠淙珗?chǎng)性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在力學(xué)分析中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，具有暫時(shí)雙折射性質(zhì)的材料種類不斷增多，可以根據(jù)不同的材料特性對(duì)于不同的工程背景制作模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，光彈性測(cè)試受限于透明材料，對(duì)于非透明材料無(wú)法進(jìn)行力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。另外，光彈性測(cè)試還受限于光路中光學(xué)鏡面的恒定角度，所以，采用光彈性測(cè)試方法難以實(shí)時(shí)分辨受載物體表面因受力而產(chǎn)生的光學(xué)干涉條紋，導(dǎo)致得到的受載物體的力學(xué)特性不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案。

2、本發(fā)明第一方面提供了一種基于光彈-紅外的全場(chǎng)應(yīng)力同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：智能光彈測(cè)試系統(tǒng)、紅外測(cè)試系統(tǒng)、試件加載系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)；

3、所述試件加載系統(tǒng)用于對(duì)試件施加載荷，所述試件為非透明巖石類固體材料，且表面貼有具有相似力學(xué)性質(zhì)的光彈貼片材料；

4、所述智能光彈測(cè)試系統(tǒng)用于利用光彈測(cè)試方法實(shí)時(shí)獲取試件貼有光彈貼片材料的表面因受力而產(chǎn)生的光學(xué)干涉條紋，進(jìn)而獲取全場(chǎng)應(yīng)力分布及隨應(yīng)力改變的條紋演化過(guò)程；

5、所述紅外測(cè)試系統(tǒng)用于利用紅外熱成像測(cè)試方法實(shí)時(shí)獲取試件貼有光彈貼片材料的對(duì)立面因受力而產(chǎn)生的溫度變化，進(jìn)而獲取全場(chǎng)應(yīng)力分布及演化過(guò)程；

6、所述同步控制系統(tǒng)用于控制所述智能光彈測(cè)試系統(tǒng)中的起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置以及第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，高速cmos相機(jī)采集光學(xué)干涉條紋的頻率，所述試件加載系統(tǒng)對(duì)試件施加載荷的頻率和所述紅外測(cè)試系統(tǒng)的紅外熱成像采集頻率。

7、優(yōu)選地，所述同步控制系統(tǒng)采用如下方法控制：每當(dāng)所述試件加載系統(tǒng)對(duì)試件施加一次載荷，則所述智能光彈測(cè)試系統(tǒng)中的起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置以及第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置均轉(zhuǎn)動(dòng)五次，對(duì)應(yīng)的高速cmos相機(jī)采集光學(xué)干涉條紋五次，紅外測(cè)試系統(tǒng)的紅外熱成像采集一次。

8、優(yōu)選地，所述智能光彈測(cè)試系統(tǒng)中的起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置以及第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置轉(zhuǎn)動(dòng)五次包括：按照下表中的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；

9、 α θ 6 γ π/2 π/2 0 0 5π/8 5π/8 π/8 π/8 3π/4 3π/4 π/4 π/4 7π/8 7π/8 3π/8 3π/8 π/2 3π/4 π/4 0

10、其中，α表示起偏鏡光軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度，θ表示第一四分之一波片快軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度，β表示檢偏鏡光軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度，γ表示第二四分之一波片快軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度。

11、優(yōu)選地，所述試件加載系統(tǒng)包括加載裝置和加載控制系統(tǒng)，所述加載裝置上設(shè)置有夾具，所述夾具上安裝有表面貼有光彈貼片材料的非透明巖石類固體材料的試件，所述加載控制系統(tǒng)用于控制所述加載裝置通過(guò)所述夾具對(duì)試件施加載荷；所述同步控制系統(tǒng)控制所述加載控制系統(tǒng)對(duì)試件施加載荷的頻率。

12、優(yōu)選地，所述智能光彈測(cè)試系統(tǒng)包括光彈測(cè)試光路、高速cmos相機(jī)、光彈圖像分析系統(tǒng)、第一控制器、第二控制器和第三控制器；沿著所述光彈測(cè)試光路依次設(shè)置有白光光源、濾波片、起偏鏡、第一四分之一波片、擴(kuò)束鏡、凸透鏡、第二四分之一波片、檢偏鏡和準(zhǔn)直鏡；所述高速cmos相機(jī)用于接收準(zhǔn)直鏡的光信號(hào)并根據(jù)光信號(hào)輸出光彈干涉圖像發(fā)送至所述光彈圖像分析系統(tǒng)中；所述光彈圖像分析系統(tǒng)用于利用光彈干涉圖像計(jì)算分析試件全場(chǎng)應(yīng)力分布及隨應(yīng)力改變的條紋演化過(guò)程；所述第一控制器用于控制起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置；所述第二控制器用于控制第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置；所述第三控制器用于控制濾波片的啟動(dòng)和結(jié)束；所述試件位于所述擴(kuò)束鏡和凸透鏡之間，以便擴(kuò)束鏡輸出的光束覆蓋所述試件并反射至凸透鏡。

13、本發(fā)明第二方面提供了一種基于光彈-紅外的全場(chǎng)應(yīng)力同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，利用如第一方面所述的基于光彈-紅外的全場(chǎng)應(yīng)力同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所述方法包括：

14、步驟一，所述試件加載系統(tǒng)對(duì)試件施加載荷；

15、步驟二，打開(kāi)白光光源，白光入射至濾波片內(nèi)，未經(jīng)濾波的白光入射至起偏鏡內(nèi)轉(zhuǎn)換為平面偏振光后進(jìn)入第一四分之一波片，產(chǎn)生的圓偏振光入射至擴(kuò)束鏡內(nèi)，擴(kuò)束鏡輸出的光束覆蓋所述試件并從試件反射至凸透鏡上，經(jīng)過(guò)凸透鏡后經(jīng)過(guò)第二四分之一波片和檢偏鏡進(jìn)入準(zhǔn)直鏡，最終高速cmos相機(jī)接收準(zhǔn)直鏡的光信號(hào)并根據(jù)光信號(hào)輸出光彈干涉圖像發(fā)送至光彈圖像分析系統(tǒng)中；與此同時(shí)，利用第一控制器控制起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置，以及利用第二控制器控制第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置；獲取全場(chǎng)等傾角數(shù)據(jù)；

16、步驟三，啟動(dòng)第三控制器將入射至濾波片內(nèi)的白光過(guò)濾為單色光，使得單色光入射至起偏鏡內(nèi)，之后的方法同步驟二；獲取全場(chǎng)等差線數(shù)據(jù)；

17、步驟四，根據(jù)全場(chǎng)等傾角數(shù)據(jù)和全場(chǎng)等差線數(shù)據(jù)以計(jì)算出全場(chǎng)應(yīng)力；

18、步驟五，重復(fù)步驟一至步驟四，得到不同載荷下的全場(chǎng)應(yīng)力以及隨應(yīng)力改變的演化過(guò)程；

19、步驟六，利用所述紅外測(cè)試系統(tǒng)，利用紅外熱成像測(cè)試方法實(shí)時(shí)獲取試件貼有光彈貼片材料的對(duì)立面因受力而產(chǎn)生的溫度變化，進(jìn)而獲取全場(chǎng)應(yīng)力分布及演化過(guò)程；

20、步驟五和步驟六的順序不分前后。

21、優(yōu)選地，實(shí)驗(yàn)均處在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行。

22、優(yōu)選地，在步驟一之前，通過(guò)紅外熱成像儀先觀察試件表面的溫度，當(dāng)試件表面的溫度均勻時(shí)再開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

23、優(yōu)選地，所述利用第一控制器控制起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置，以及利用第二控制器控制第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置包括：每當(dāng)所述試件加載系統(tǒng)對(duì)試件施加一次載荷，則起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置以及第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置均轉(zhuǎn)動(dòng)五次，對(duì)應(yīng)的高速cmos相機(jī)采集光學(xué)干涉條紋五次，紅外測(cè)試系統(tǒng)的紅外熱成像采集一次。

24、優(yōu)選地，所述起偏鏡和檢偏鏡的光軸位置以及第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸位置轉(zhuǎn)動(dòng)五次包括：按照下表中的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；

25、

26、

27、其中，α表示起偏鏡光軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度，θ表示第一四分之一波片快軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度，β表示檢偏鏡光軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度，γ表示第二四分之一波片快軸距離x軸旋轉(zhuǎn)的角度。

28、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的一種基于光彈-紅外的全場(chǎng)應(yīng)力同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的智能光彈方法、紅外高速熱成像相關(guān)方法的同步測(cè)試，自動(dòng)同時(shí)采集兩種實(shí)驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)，從而提高實(shí)驗(yàn)的可靠性；還可實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)全場(chǎng)應(yīng)力自動(dòng)分析，可以結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)直觀檢測(cè)到巖石試件的全場(chǎng)應(yīng)力分布和變化情況，并對(duì)局部應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行具體分析。打破了光彈性試驗(yàn)的透明性材料的限制，還可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，提高了應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，可以實(shí)現(xiàn)全部實(shí)驗(yàn)過(guò)程同步控制、同步測(cè)試和記錄。