基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型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(cè)試裝置，是應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的一種圖像測(cè)量方法，屬于顆粒物質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(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)開展了詳盡研宄，但是對(duì)其物理機(jī)制的研宄是最近20年來(lái)才逐漸得到重視的。顆粒固體中力分布規(guī)律的研宄手段主要包括實(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，要研宄清楚顆粒內(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。例如對(duì)于一般使用的電阻應(yīng)變片接觸式測(cè)量方法，受其測(cè)量手段的限制，不能得到全場(chǎng)數(shù)據(jù)，且測(cè)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(cè)方法，包括干涉測(cè)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(cè)量法)。由于干涉測(cè)量技術(shù)要求有相干光源，光路復(fù)雜，且測(cè)量結(jié)果易受外界震動(dòng)的影響，多在具有隔振臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，應(yīng)用范圍受到了極大的限制。而非干涉測(cè)量技術(shù)是通過(guò)對(duì)比變形前后物體表面的灰度強(qiáng)度來(lái)決定表面變形量，對(duì)光源和測(cè)量環(huán)境要求較低。
[0004]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宄，它是一種基于計(jì)算機(jī)視覺和圖像識(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】
[0005]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(2D-DIC)的顆粒物質(zhì)單軸壓縮過(guò)程的多自由度自動(dòng)應(yīng)變測(cè)試裝置。較現(xiàn)有的技術(shù)不僅提高了檢測(cè)的自動(dòng)化程度，使檢測(cè)過(guò)程更加可控，結(jié)果更加準(zhǔn)確；同時(shí)也增加了自由度，可實(shí)現(xiàn)多角度拍攝。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。同時(shí)，攝像頭在水平面上的移動(dòng)通過(guò)兩個(gè)引動(dòng)器直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了手調(diào)時(shí)帶來(lái)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(guò)設(shè)計(jì)不同排布的顆粒樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研宄顆粒配位數(shù)對(duì)顆粒體系應(yīng)變和幾何結(jié)構(gòu)特性的影響。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(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(cè)試裝置，包括加載裝置、測(cè)試裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和采集裝置，所述加載裝置通過(guò)加力塊對(duì)設(shè)置在測(cè)試裝置中的顆粒樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，所述測(cè)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(jìn)行測(cè)試裝置內(nèi)顆粒樣品的圖像采集，所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述采集裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
[0008]所述裝夾盒包括主板、左側(cè)板、右側(cè)板、左合頁(yè)和右合頁(yè)，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(duì)應(yīng)且通過(guò)螺栓連接，并實(shí)現(xiàn)裝夾盒容積的無(wú)極調(diào)節(jié)；所述左合頁(yè)和右合頁(yè)分別固定在左側(cè)板和右側(cè)板上；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)左合頁(yè)和右合頁(yè)使顆粒樣品暴露出來(lái)便于采集裝置進(jìn)行圖像米集；
[0009]所述驅(qū)動(dòng)裝置包括自帶電機(jī)的X向引動(dòng)器、自帶電機(jī)的Y向引動(dòng)器、工作臺(tái)、引動(dòng)器連接板和螺旋升降裝置，Y向引動(dòng)器固定在工作臺(tái)上，X向引動(dòng)器和Y向引動(dòng)器通過(guò)引動(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)，所述CCD攝像頭通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連；所述光源通過(guò)支座固定在工作臺(tái)上。
[0011]進(jìn)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 cm的通槽。
[0012]進(jìn)一步的，所述裝夾盒的容積無(wú)極調(diào)節(jié)方式為通過(guò)螺栓預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)左側(cè)板和右側(cè)板的固定；將螺栓旋松，實(shí)現(xiàn)左側(cè)板和右側(cè)板的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
[0013]進(jìn)一步的，所述螺栓升降裝置通過(guò)螺栓固定在Y向引動(dòng)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(guò)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(cè)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(gè)和4個(gè)兩種配位級(jí)數(shù)排布于裝夾盒中，由于裝夾盒可無(wú)極調(diào)節(jié)，加載后轉(zhuǎn)動(dòng)左合頁(yè)和右合頁(yè)使顆粒樣品暴露出來(lái)便于兩個(gè)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(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)CCD攝像頭在水平面上的位置，同時(shí)微調(diào)螺旋升降裝置和球鉸鏈，以達(dá)到操作者所需要的工作位置和角度，采集到變形前后測(cè)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?jí)嚎s試驗(yàn)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(jìn)行顆粒樣品的單軸壓縮試驗(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)在之前計(jì)算機(jī)中建立的文件夾中。
[0019](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，得到顆粒樣品在單軸壓縮過(guò)程中的位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)。
[0020]本實(shí)用新型所述的X向引動(dòng)器和Y向引動(dòng)器均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高了自動(dòng)化程度和操作的精確度。
[0021]本實(shí)用新型所述的基于二維數(shù)字圖像相關(guān)法的顆粒物的應(yīng)變測(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。
[0022]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。
[0023]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)量尺度窄的問題，而且