基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測試裝置及方法，是應(yīng)用于計算機視覺技術(shù)的一種圖像測量方法，屬于顆粒物質(zhì)實驗檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【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)科對其宏觀性質(zhì)開展了詳盡研宄，但是對其物理機制的研宄是最近20年來才逐漸得到重視的。顆粒固體中力分布規(guī)律的研宄手段主要包括實驗檢測和數(shù)值模擬，但對于復(fù)雜的顆粒物質(zhì)體系，要研宄清楚顆粒內(nèi)部的力學(xué)性能，尤其是細觀層面的應(yīng)變分布及顆粒間相對位置，僅僅靠數(shù)值模擬是遠遠不夠的，還要有可靠的實驗數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)。現(xiàn)有的顆粒接觸力的測量方法大致分為兩類:①接觸式檢測方法，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，但是不可避免的對顆粒體系帶來了干擾，由于顆粒間力鏈對局部力的變化反應(yīng)極為敏感，檢測引起的輕微改變足以使得力鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。例如對于一般使用的電阻應(yīng)變片接觸式測量方法，受其測量手段的限制，不能得到全場數(shù)據(jù)，且測量范圍有限，不能得到物體整體上的變形規(guī)律。
[0003]②非接觸式檢測方法，包括干涉測量技術(shù)(例如全息照相干涉法，散斑千涉法)和非干涉技術(shù)(例如網(wǎng)格法和數(shù)字圖像相關(guān)測量法)。由于干涉測量技術(shù)要求有相干光源，光路復(fù)雜，且測量結(jié)果易受外界震動的影響，多在具有隔振臺的實驗室中進行，應(yīng)用范圍受到了極大的限制。而非干涉測量技術(shù)是通過對比變形前后物體表面的灰度強度來決定表面變形量，對光源和測量環(huán)境要求較低。
[0004]國內(nèi)許多學(xué)者對二維數(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宄，它是一種基于計算機視覺和圖像識別原理的非干涉、非接觸、全場觀測技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明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(2D-DIC)的顆粒物質(zhì)單軸壓縮過程的多自由度自動應(yīng)變測試裝置。較現(xiàn)有的技術(shù)不僅提高了檢測的自動化程度，使檢測過程更加可控，結(jié)果更加準(zhǔn)確；同時也增加了自由度，可實現(xiàn)多角度拍攝。該測試裝置通過保存初始狀態(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。由于圖像中每一個像素點都記錄了相應(yīng)物點的灰度信息，通過基于區(qū)域的灰度匹配算法可以計算出所選定的感興趣區(qū)域內(nèi)所有點的位移和應(yīng)變，進而實現(xiàn)全場測量。相比上述這些實驗檢測方法，該測試裝置不僅克服了顆粒試樣材料的限制和測量尺度窄的問題，而且具有光路簡單，對環(huán)境要求較低、非接觸和全場測量等優(yōu)點，這大大簡化了操作者的操作過程，同時提高了顆粒物質(zhì)形變的測量速度與精度。由于顆粒配位數(shù)對顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性影響很大，一直是顆粒物質(zhì)實驗檢測的重要參數(shù)，故而設(shè)計了一種容積可無極調(diào)節(jié)的裝夾盒，用來固定以任意配位數(shù)排布的顆粒樣品。同時，攝像頭在水平面上的移動通過兩個引動器直接進行調(diào)節(jié)，避免了手調(diào)時帶來的誤差。攝像頭采用了球鉸鏈的安裝方式，使攝像頭可以多角度拍攝，提高了操作者可控性。通過設(shè)計不同排布的顆粒樣品進行實驗，以研宄顆粒配位數(shù)對顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性的影響。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測試裝置，包括加載裝置、測試裝置、驅(qū)動裝置和采集裝置，所述加載裝置通過加力塊對設(shè)置在測試裝置中的顆粒樣品進行單軸壓縮試驗，所述測試裝置為容積可變、加載后側(cè)板可打開的裝夾盒，顆粒樣品依次排布在裝夾盒內(nèi)；所述采集裝置用于進行測試裝置內(nèi)顆粒樣品的圖像采集，所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述采集裝置進行運動；
[0008]所述裝夾盒包括主板、左側(cè)板、右側(cè)板、左合頁和右合頁，所述主板底面和正面開有螺紋孔，左側(cè)板和右側(cè)板的底面和正面開有通槽，所述主板的螺紋孔與左側(cè)板和右側(cè)板的通槽一一對應(yīng)且通過螺栓連接，并實現(xiàn)裝夾盒容積的無極調(diào)節(jié)；所述左合頁和右合頁分別固定在左側(cè)板和右側(cè)板上；通過轉(zhuǎn)動左合頁和右合頁使顆粒樣品暴露出來便于采集裝置進行圖像米集；
[0009]所述驅(qū)動裝置包括自帶電機的X向引動器、自帶電機的Y向引動器、工作臺、引動器連接板和螺旋升降裝置，Y向引動器固定在工作臺上，X向引動器和Y向引動器通過引動器連接板連接且呈十字形分布，所述螺旋升降裝置固定在Y向引動器的滑塊上；
[0010]所述采集裝置包括CCD攝像頭、成像鏡頭、光源和計算機，所述CCD攝像頭通過球鉸鏈固定在螺旋升降裝置的頂部，所述成像鏡頭安裝在CCD攝像頭上，并通過數(shù)據(jù)線與計算機相連；所述光源通過支座固定在工作臺上。
[0011]進一步的，所述主板底面和正面開有M8的螺紋孔，所述左側(cè)板和右側(cè)板底面開有直徑D = 9的通槽。
[0012]進一步的，所述裝夾盒的容積無極調(diào)節(jié)方式為通過螺栓預(yù)緊，實現(xiàn)左側(cè)板和右側(cè)板的固定；將螺栓旋松，實現(xiàn)左側(cè)板和右側(cè)板的無級調(diào)節(jié)。
[0013]進一步的，所述螺栓升降裝置通過螺栓固定在Y向引動器的滑塊上，所述螺栓升降裝置包括螺旋套筒和螺柱，CCD攝像頭通過球鉸鏈固定在螺柱上。
[0014]基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測試方法，包括如下步驟:
[0015](I)顆粒樣品的制備和裝夾；顆粒樣品由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個和4個兩種配位級數(shù)排布于裝夾盒中，由于裝夾盒可無極調(diào)節(jié)，加載后轉(zhuǎn)動左合頁和右合頁使顆粒樣品暴露出來便于兩個攝像頭拍攝采集，因而顆粒樣品能夠以任意的排布方式獲得上述所沒有列舉出的其它配位數(shù)。
[0016](2)通過調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)CCD攝像頭在水平面上的位置，同時微調(diào)螺旋升降裝置和球鉸鏈，以達到操作者所需要的工作位置和角度，采集到變形前后測試裝置表面的數(shù)字圖像。
[0017](3)打開圖像采集系統(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)備開始壓縮試驗和圖像采集。
[0018](4)再次檢查儀器和系統(tǒng)，確保各方面正常工作，開啟加載裝置，進行顆粒樣品的單軸壓縮試驗，同時進行CCD攝像機的圖像采集，采集的樣品圖像會自動存儲在之前計算機中建立的文件夾中。
[0019](5)最后通過數(shù)字圖像相關(guān)法處理分析采集到的圖像，得到顆粒樣品在單軸壓縮過程中的位移場與應(yīng)變場。
[0020]本發(fā)明所述的X向引動器和Y向引動器均采用電機驅(qū)動，提高了自動化程度和操作的精確度。
[0021]本發(fā)明所述的基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測試方法，采用CCD攝像機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的灰度值不同，每一點附近的一個小區(qū)域中的灰度分布與其它點也是不盡相同的，這種小區(qū)域稱為子區(qū)。進而將變形前的數(shù)字灰度場中某一區(qū)域定義為樣本子區(qū)，將變形后與之對應(yīng)的區(qū)域稱為目標(biāo)子區(qū)，經(jīng)過相關(guān)軟件處理系統(tǒng)就可以識別出目標(biāo)子區(qū)與樣本子區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系，以及兩者的差異可推斷出樣品的變形信息，從而計算出所選定的子區(qū)內(nèi)所有點的位移和應(yīng)變。
[0022]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:基于數(shù)字圖像相關(guān)法在拉伸等試驗中優(yōu)良的應(yīng)用效果，結(jié)合顆粒物質(zhì)實驗檢測技術(shù)的不足，針對顆粒物質(zhì)在單軸壓縮過程中的變形檢測，發(fā)明了該應(yīng)變測試裝置。由于顆粒配位數(shù)對顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性影響很大，一直是顆粒物質(zhì)實驗檢測的重要參數(shù)，故而設(shè)計了一種容積可無極調(diào)節(jié)的裝夾盒，用來固定以任意配位數(shù)排布的顆粒樣品。
[0023]本發(fā)明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)方法對顆粒物質(zhì)單軸壓縮過程中的變形進行測量，不僅克服了試樣材料的限制和測量尺度窄的問題，而且具有光路簡單，對環(huán)境要求較低、非接觸和全場測量等優(yōu)點，這大大簡化了操作者的操作過程，同時提高了顆粒物質(zhì)形變的測量速度與精度。同時，設(shè)計了一種容積無極調(diào)節(jié)的裝夾盒，用來盛放顆粒樣品，通過電機控制引動器的移動以調(diào)節(jié)攝像頭的位置，攝像頭與平臺采用球鉸鏈連接，大大提高了自動化程度和精確性，同時增加了可調(diào)節(jié)的自由度。通過設(shè)計不同排布的顆粒樣品進行實驗，以研宄顆粒配位數(shù)對顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性的影響。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是顆粒配位數(shù)為6的樣品排布示意圖；
[0026]圖3是顆粒配位數(shù)為4的樣品排布示意圖；