CN107121333B - 一种整体-局部相结合的试样变形测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于实验力学测量技术领域，提供一种整体‑局部相结合的试样变形测量装置及方法。该试样变形测量装置包括一号位机、二号位机、万能试验机平台、支腿、特殊处理的试样、试样夹具、试验机加载横梁和对中检测板；万能试验机平台通过四个可调高度的支腿放置在地平面上。在光学测量技术和计算机图像处理的基础上，采用摄像机组合的方式建立一种能同时实现整体测量和局部测量。局部测量的区域根据实验条件自动定位，测量尺度达到更高的精度；整体测量的观测对象是整个试样，测量结果给出试样表面的变形场分布。本发明整体‑局部相结合，能同时实现整体变形和局部变形的测量；能自动定位到需要测量的局部区域，并且局部测量的尺度达到细观层次。

Description

一种整体-局部相结合的试样变形测量装置及方法

技术领域

本发明属于实验力学测量技术领域，涉及一种整体-局部相结合的试样变形测量装置及方法。

背景技术

在试样变形的测量方法中，光学测量目前最为流行。光测技术分为干涉光学测量和非干涉光学测量。干涉光学测量技术如全息干涉、散斑干涉、云纹干涉等；非干涉光学测量技术如几何云纹技术、以及数字图像测量技术。光学测量技术在材料变形特性研究方面的应用，推动了人们探知材料力学性质和行为的研究进程。

应用光学测量和计算机图像处理技术研究材料的裂纹扩展或者损伤机制，是实验力学中一个重要的研究方向。例如，在研究金属的裂纹扩展时，通常在试样上提前制作缺口，应用光学测量技术和计算机图像处理技术得到缺口附近的变形特性进而分析裂纹扩展的变化规律。虽然这种试验方法可以研究材料的局部变形特性，但这种“局部”实际上是人为指定观测区域，得到的力学特性，可能不能完全反映材料的真实属性。

另外，土体剪切带的形成及渐进性破坏的研究已是岩土工程界重要的研究领域。剪切带是局部化变形模式之一，表现为集中剪切变形的狭窄带状区域，在该区域内经受强烈的剪切变形，而带外变形相对较小。研究土体剪切带的形成及其演化，对于评价土的工程性质、土体结构的稳定性、土工构筑物的安全等具有重要的意义。当我们研究土试样的剪切带的行为特性时，需要定位试样出现剪切带的位置，通过局部测量的方式，观察剪切带的特征。

另一方面，在材料的应力应变试验中，我们希望能同时测量整体的变形形态(包含局部变形特征)和局部区域的放大测量。这样我们就既可以根据试样整体(包含局部)的变形形态研究其应力应变特性，又可以根据局部区域的放大测量，在更高的精度上分析其变形性质和变形特征。后者可以为小应变条件下材料的应力应变性质研究和局部破坏特征的研究提供依据。

本发明在光学测量技术和计算机图像处理的基础上，采用摄像机组合的方式建立一种能同时实现整体测量和局部测量的方法。局部测量的区域根据实验条件自动定位，测量尺度达到更高的精度。整体测量的观测对象是整个试样，测量结果给出试样表面的变形场分布。此测量方法整体-局部相结合，对揭示试样整体-局部变形之间的联系具有意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种整体-局部相结合的试样变形测量装置及方法。

本发明的技术方案为：

一种整体-局部相结合的试样变形测量装置，该试样变形测量装置包括一号位机、二号位机、万能试验机平台1、支腿2、特殊处理的试样9、试样夹具10、试验机加载横梁11和对中检测板12；万能试验机平台1通过四个可调高度的支腿2放置在地平面上。

所述的一号位机包括一号减振块3、直线滑轨副4、微型升降实验台5、微调旋钮6、一号对中激光7、一号工业相机8。一号减振块3底部平稳固定安装在万能试验机平台1一侧，直线滑轨副4通过内六角螺栓固定在一号减振块3上部；微型升降实验台5安装在直线滑轨副4上，能够在直线滑轨副4上滑动，用来调节一号工业相机8的光心轴所在的竖直平面位置，保证光心轴所在的竖直平面与特殊处理的试样9中心所在竖直平面重合，并且可以通过微调旋钮6调节一号工业相机8的光心轴的高度；一号对中激光7和一号工业相机8固定在微型升降实验台5的安装平台上，一号对中激光7照射到对中检测板12的中心位置，一号工业相机8拍摄经过特殊处理的试样9的前表面；所述的特殊处理的试样9的前表面制有识别标识18，是人工制的散斑，喷涂的散斑分布越随机对实验越有利。

所述的二号位机包括二号对中激光13、放大高倍镜头14、二号工业相机15、X-Y-Z三轴移动平台16、二号减振块17。二号减振块17底部平稳固定安装万能试验机平台1另一侧，X-Y-Z三轴移动平台16固定在二号减振块17上部，X-Y-Z三轴移动平台16能够通过运动控制程序实现三轴联动，保证二号对中激光13的激光照射点和一号对中激光7的照射点重合在对中检测板12的中心上，通过二号对中激光13和一号对中激光7特定的安装角度保证一号位机的世界坐标系的原点、和二号位机的世界坐标系的原点同轴，即一号工业相机8的光轴和二号工业相机15的光轴重合且与水平面平行；二号对中激光13和二号工业相机15分别固定在X-Y-Z三轴移动平台16竖直方向的Z轴安装平台上；所述二号工业相机15的镜头前端安装一个放大高倍镜头14，用来观测特殊处理的试样9的后表面上的识别标识19。

所述特殊处理的试样9通过上下两个试样夹具10夹紧；下方试样夹具10固定在万能试验机平台中部，上方试样夹具10固定试验机加载横梁11上，通过试验机加载横梁11的上下移动对试样9进行力学测试试验；对中检测板12固定安装在试验机加载横梁11上，用来接收一号对中激光7的照射点和二号对中激光13的激光照射点。

采用上述试样变形测量装置进行整体-局部相结合的试样变形测量方法，包括以下步骤：

第一步，调整一号位机和二号位机的高度使一号对中激光7的照射点和二号对中激光13的激光照射点在对中检测板12上重合；

第二步，安装试样9，在X-Y-Z三轴移动平台16的Y向调整一号位机的位置，当试样9的识别标识全部进入位于图像视窗并清晰成像时停止Y向调整；调整二号位机在Y向的位置使试样9上的识别标识清晰成像于视窗；

第三步，设定一号位机检测的目标区域大小和二号位机的启动条件；所述的一号位机检测的目标区域最大不能超出二号位机观测区域的1/9；

第四步，启动一号位机数字图像测量系统，开始对识别标识定位，人为选取定位效果最好的图像作为参考图像并保存，开始实验测量；

第五步，待实验测量结束后，在二号位机拍摄的图片序列中选取第3～5张图片为参考图像，用散斑图像处理算法计算得到实验数据；最后结合一号位机和二号位机的各自数据曲线，分析试样的力学特性。

本发明的有益效果为：本发明能同时实现整体变形和局部变形的测量，将数字图像相关方法与数字图像测量方法结合使用，发挥各自的测量优势，并方便对实验数据做出对比；能自动定位到需要测量的局部区域，并且局部测量的尺度达到细观层次；此测量方法对研究微小应变或小应变阶段的材料变形特性提供一种试验途径；对研究松散颗粒体材料的变形特性具有意义。

附图说明

图1为试样变形测量装置的正视图；

图2为试样变形测量装置的俯视图；

图3为特制试样的前后识别标识；

图4为本测量方法的流程图；

图5为一号位机和二号位机的世界坐标系关系图；

图中：1万能试验机平台；2支腿；3一号减振块；4直线滑轨副；5微型升降实验台；6微调旋钮；7一号对中激光；8一号工业相机；9试样；10试样夹具；11试验机加载横梁；12对中检测板；13二号对中激光；14放大高倍镜头；15二号工业相机；16X-Y-Z三轴移动平台；17二号减振块；18前表面识别标识；19后表面识别标识。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。

一种整体-局部相结合的试样变形测量装置，包括一号位机、二号位机、万能试验机平台1、支腿2、特殊处理的试样9、试样夹具10、试验机加载横梁11和对中检测板12；万能试验机平台1通过四个可调高度的支腿2放置在地平面上。

一号位机中的一号减振块3底部平稳固定安装在万能试验机平台1一侧，直线滑轨副4通过内六角螺栓固定在一号减振块3上部；微型升降实验台5安装在直线滑轨副4上；一号对中激光7和一号工业相机8固定在微型升降实验台5的安装平台上，一号对中激光7照射到对中检测板12的中心位置，一号工业相机8拍摄经过特殊处理的试样9的前表面。二号位机中的二号减振块17底部平稳固定安装万能试验机平台1另一侧，X-Y-Z三轴移动平台16固定在二号减振块17上部，一号工业相机8的光轴和二号工业相机15的光轴重合且与水平面平行；二号对中激光13和二号工业相机15分别固定在X-Y-Z三轴移动平台16竖直方向的Z轴安装平台上；二号工业相机15的镜头前端安装一个放大高倍镜头14，用来观测特殊处理的试样9的后表面上的识别标识19。特殊处理的试样9通过上下两个试样夹具10夹紧；下方试样夹具10固定在万能试验机平台中部，上方试样夹具10固定试验机加载横梁11上，通过试验机加载横梁11的上下移动对试样9进行力学测试试验；对中检测板12固定安装在试验机加载横梁11上，用来接收一号对中激光7的照射点和二号对中激光13的激光照射点。

进行整体-局部相结合的试样变形测量方法，具体步骤如下：

一号工业相机从试验开始一直观测，当观测t0时刻试样的某一区域应变较此时刻其他区域大时或此区域的变形达到设定实验条件(如设定变形上限，以下称该区域为“目标区域”)，认为“目标区域”将是最值得观测的区域或为试样破坏的源头。一号位机返回“目标区域”的中心坐标值，启动试样正后方的另一个更高速工业相机(二号位机)，二号位机根据一号位机返回的坐标值实现定位并启动拍摄，并且二号位机的观测镜头较一号位机的镜头具有更大的放大倍数，能观测到试样的细观变化，记录观测并保存。实验流程图4所示。

由于一号位机的作用是获得t0时刻应变较大区域的位置坐标，并及时的反馈到二号位机，所以测量系统对一号位机观测区域所得的数据要实时处理。“目标区域”的中心位置坐标可以定位到一个小区域，这个小区域最大不能超出二号位机观测区域的1/9。正是因为一号位机在观测的过程中系统要实时处理数据，其所观测的区域识别标识采用7mmx7mm正方形黑白相间的角点如图3所示，相机拍摄帧频不能太高，若角点单元尺寸太小相机帧频过高，数据计算量增大，系统很难做到实时处理。若一号位机的测量系统采用数字图像相关方法，很难实现或者说以现在的搜索算法和计算机处理能力根本实现不了，数字图像相关方法有一对矛盾的参数，即测量精度高带来的运算速度慢，因此相关计算是数字图像相关测量的关键，而相关算法的核心其实就是搜索算法，搜索计算的速度快和精度高一直是研究其应用的核心要素。但是二号位机不要求观测过程中实时处理或者实时显示，并且二号位机要达到细观观测，其镜头具有一定的的放大倍数，那么其观测区域识别标识不适合用7mmx7mm角点单元，考虑到散斑测量的易操作性等，试样的背面(二号位机观测区)有人工散斑，用于二号位机的识别标识。在t0时刻以后要保真的观测到“目标区域”的变形，那么相机的帧频要求相对较高，带来的数据量就大。二号位机测量采用数字图像相关方法，保证一定的测量精度时，后续图像处理的运算速度也是可以接受的。

为简化一号位机、试样、二号位机三者的世界坐标系之间的坐标系换算而不影响测量方法的实现，将一号位机的镜头中心与二号位机的镜头中心同轴并在同一水平面上，Z轴平行同向，X轴平行反向，如图5所示。按照一号位机和二号位机坐标系的特殊相对关系，认为目标区域在一号位机世界坐标系下的位置坐标值即为在二号位机世界坐标系中的位置坐标值(坐标值有正负)。

Claims (2)

1.一种整体-局部相结合的试样变形测量装置，其特征在于，该试样变形测量装置包括一号位机、二号位机、万能试验机平台(1)、支腿(2)、特殊处理的试样(9)、试样夹具(10)、试验机加载横梁(11)和对中检测板(12)；万能试验机平台(1)通过四个可调高度的支腿(2)放置在地平面上；

所述的一号位机包括一号减振块(3)、直线滑轨副(4)、微型升降实验台(5)、微调旋钮(6)、一号对中激光(7)、一号工业相机(8)；一号减振块(3)底部固定安装在万能试验机平台(1)一侧，直线滑轨副(4)通过固定在一号减振块(3)上部；微型升降实验台(5)安装在直线滑轨副(4)上，能够在直线滑轨副(4)上滑动，用来调节一号工业相机(8)的光心轴所在的竖直平面位置，保证光心轴所在的竖直平面与特殊处理的试样(9)中心所在竖直平面重合，并且可以通过微调旋钮(6)调节一号工业相机(8)的光心轴的高度；一号对中激光(7)和一号工业相机(8)固定在微型升降实验台(5)的安装平台上，一号对中激光(7)照射到对中检测板(12)的中心位置，一号工业相机(8)拍摄经过特殊处理的试样(9)的前表面；所述的特殊处理的试样(9)的前表面制有识别标识(18)，是人工制的散斑，喷涂的散斑分布越随机对实验越有利；

所述的二号位机包括二号对中激光(13)、放大高倍镜头(14)、二号工业相机(15)、X-Y-Z三轴移动平台(16)、二号减振块(17)；二号减振块(17)底部固定安装万能试验机平台(1)另一侧，X-Y-Z三轴移动平台(16)固定在二号减振块(17)上部，X-Y-Z三轴移动平台(16)能够通过运动控制程序实现三轴联动，保证二号对中激光(13)的激光照射点和一号对中激光(7)的照射点重合在对中检测板(12)的中心上，通过二号对中激光(13)和一号对中激光(7)的安装，保证一号位机的世界坐标系的原点、和二号位机的世界坐标系的原点同轴，即一号工业相机(8)的光轴和二号工业相机(15)的光轴重合且与水平面平行；二号对中激光(13)和二号工业相机(15)分别固定在X-Y-Z三轴移动平台(16)竖直方向的Z轴安装平台上；所述二号工业相机(15)的镜头前端安装放大高倍镜头(14)，用来观测特殊处理的试样(9)的后表面上的识别标识(19)，所述识别标识(19)为阵列式分布的均匀散斑；

所述特殊处理的试样(9)通过上下两个试样夹具(10)夹紧；下方试样夹具(10)固定在万能试验机平台中部，上方试样夹具(10)固定试验机加载横梁(11)上，通过试验机加载横梁(11)的上下移动对试样(9)进行力学测试试验；对中检测板(12)固定安装在试验机加载横梁(11)上，用来接收一号对中激光(7)的照射点和二号对中激光(13)的激光照射点。

2.采用权利要求1所述的试样变形测量装置进行整体-局部相结合的试样变形测量方法，其特征在于以下步骤：

第一步，调整一号位机和二号位机的高度使一号对中激光(7)的照射点和二号对中激光(13)的激光照射点在对中检测板(12)上重合；

第二步，安装试样(9)，在X-Y-Z三轴移动平台(16)的Y向调整一号位机的位置，当试样(9)的识别标识全部进入位于图像视窗并清晰成像时停止Y向调整；调整二号位机在Y向的位置使试样(9)上的识别标识清晰成像于视窗；

第三步，设定一号位机检测的目标区域大小和二号位机的启动条件；所述的一号位机检测的目标区域最大不能超出二号位机观测区域的1/9；

第四步，启动一号位机数字图像测量系统，开始对识别标识定位，人为选取定位效果最好的图像作为参考图像并保存，开始实验测量；

第五步，待实验测量结束后，在二号位机拍摄的图片序列中选取第3～5张图片为参考图像，用散斑图像处理算法计算得到实验数据；最后结合一号位机和二号位机的各自数据曲线，分析试样的力学特性。