技术领域

本发明涉及颗粒物质实验检测技术领域,尤其涉及一种基于二维 数字图像相关法的颗粒物质应变测试装置。

背景技术

颗粒物质是大量离散颗粒相互作用而形成的复杂体系，广泛存在 于自然界，与人类日常生活生产密切相关，比如自然界中沙石、土壤 等，日常生活中的粮食、糖、盐等，工业生产中的煤炭矿石、化工产 品等，可以说颗粒物质是地球上存在最多、最与人类密不可分的物质 类型之一。土力学、化学工程等工程应用学科对其宏观性质开展了详 尽研究，但是对其物理机制的研究是最近20年来才逐渐得到重视的。 颗粒固体中力分布规律的研究手段主要包括实验检测和数值模拟，但 对于复杂的颗粒物质体系，要研究清楚颗粒内部的力学性能，尤其是 细观层面的应变分布及颗粒间相对位置，仅仅靠数值模拟是远远不够 的，还要有可靠的实验数据做基础。现有的颗粒接触力的测量方法大 致分为两类：①接触式检测方法，包括高精度电子传感称量法、显色 灵敏压痕方法等，它们可检测颗粒体系中某一截面上的接触力分布情 况，但是不可避免的对颗粒体系带来了干扰，由于颗粒间力链对局部 力的变化反应极为敏感，检测引起的轻微改变足以使得力链结构发生 很大变化。②非接触式检测方法，主要包括光弹方法、荧光共聚焦显 微镜法和磁共振弹性成像法，它们的优势在于无干扰检测，但荧光共 聚焦法和磁共振弹性成像法测量尺度比较小，并且无法实时、动态观 测。目前，应用最广泛的是光弹应力分析法，但现有的光弹应力分析 法仅能分析具有双折射效应的透明材料，所以颗粒试样材料受到很大 限制。

国内许多学者对二维数字图像相关法(2D-DIC)的基础理论方面 已有了较深的研究，它是一种基于计算机视觉和图像识别原理的非干 涉、非接触、全场观测技术。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于二维 数字图像相关法的颗粒物质应变测试装置。该测试装置通过保存初始 状态下的试样表面的散斑图像作为参考图像，然后记录下加载后的散 斑图像作为目标图像。由于图像中每一个像素点都记录了相应物点的 灰度信息，通过基于区域的灰度匹配算法可以计算出所选定的感兴趣 区域内所有点的位移和应变，进而实现全场测量。相比上述这些实验 检测方法，该测试装置不仅克服了颗粒试样材料的限制和测量尺度窄 的问题，而且具有光路简单，对环境要求较低、非接触和全场测量等 优点，这大大简化了操作者的操作过程，同时提高了颗粒物质形变的 测量速度与精度。由于颗粒配位数对颗粒体系应变和几何结构特性影 响很大，一直是颗粒物质实验检测的重要参数，故而设计了一种容积 可无极调节的装夹盒，用来固定以任意配位数排布的颗粒样品。通过 设计不同排布的颗粒样品进行实验，以研究颗粒配位数对颗粒体系应 变和几何结构特性的影响。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于二维数字图像相关法的颗粒物质应变测试装置，包括加 载装置、被测装置、驱动装置、采集装置和工作台，所述加载装置通 过加力块对被测装置中的颗粒样品进行单轴压缩试验，颗粒样品依次 排布在一种容积可变的装夹盒中；

所述装夹盒由主板和侧板两部分组成，所述主板底面和正面开有 M10的螺纹孔，所述侧板底面和正面开有直径D＝11的通槽，所述主板 的螺纹孔和侧板的通槽通过螺栓连接，并实现容积无极调节；所述螺 栓预紧，实现侧板固定；所述螺栓旋松，实现侧板无极调节，从而可 通过改变容积来设计不同排布的颗粒样品实验；

所述驱动装置包括手柄，滚珠丝杆，丝杆螺母，Y向导轨，平台 和螺旋升降装置；滚珠丝杆通过轴承座支撑在工作台上，所述平台中 央与丝杆螺母固连，所述平台的四角与所述Y向导轨通过滑块连接， 所述Y向导轨采用H型对称布置，保证Y向运动平稳，以保证颗粒样 品与与采集装置中的CCD摄像机的工作距离合理稳定；所述螺旋升降 装置通过螺栓固定在平台上，由螺旋套筒和螺柱组成，为了获得精确 的相关分析结果，可通过微调螺柱调节成像镜面，使其平行于颗粒样 品表面；

所述采集装置包括CCD摄像机，成像镜头，光源和计算机；所述 CCD摄像机固定在螺柱上，所述成像镜头安装在CCD摄像机上，并通 过数据线与计算机相连，所述光源可通过支座固定在工作台上。

基于二维数字图像相关法的颗粒物质单轴压缩过程的应变测试方 法，采用CCD摄像机采集变形前后颗粒样品的数字散斑图像，由于散 斑图像每一点的灰度值不同，每一点附近的一个小区域中的灰度分布 与其它点也是不尽相同的，这种小区域称为子区。进而将变形前的数 字灰度场中某一区域定义为样本子区，将变形后与之对应的区域称为 目标子区，经过相关软件处理系统就可以识别出目标子区与样本子区 间的对应关系，以及两者的差异可推断出样品的变形信息，从而计算 出所选定的子区内所有点的位移和应变。

所述检验方法包括如下步骤：

(1)颗粒样品由一种黑色橡胶材料制备而成，并做清洁处理，然 后喷哑光白漆，控制喷漆大小形成均匀表面散斑图。再先后将颗粒样 品以6个和4个两种配位级数排布于容积无极调节的装夹盒中，颗粒 排布方式见附图2和附图3。由于装夹盒可无极调节，因而颗粒样品 可以以任意的排布方式获得上述所没有列举出的其它配位数。

(2)通过手柄调节确定合理的颗粒样品与CCD摄像机的工作距 离，同时微调螺旋升降装置，以保证成像镜头与颗粒样品表面平行。

(3)打开图像采集系统，并将光源调整到合适的角度亮度，设置 图像采集参数，保存路径，准备开始压缩试验和图像采集。

(4)再次检查仪器和系统，确保各方面正常工作，开启加载系统， 通过加力块对颗粒样品进行单轴压缩试验，同时进行CCD摄像机的图 像采集，采集的样品图像会自动存储在之前建立的文件夹中。

(5)最后通过数字图像相关法处理分析采集到的图像，得到颗粒 物质在单轴压缩过程中的位移场与应变场。

本发明的技术构思为：基于数字图像相关法在拉伸等试验中优良 的应用效果，结合颗粒物质实验检测技术的不足，针对颗粒物质在单 轴压缩过程中的变形检测，发明了该应变测试装置。由于颗粒配位数 对颗粒体系应变和几何结构特性影响很大，一直是颗粒物质实验检测 的重要参数，故而设计了一种容积可无极调节的装夹盒，用来固定以 任意配位数排布的颗粒样品。

本发明的有益效果主要表现在：采用该装置利用二维数字图像相 关方法对颗粒物质单轴压缩过程中的变形进行测量，不仅克服了试样 材料的限制和测量尺度窄的问题，而且具有光路简单，对环境要求较 低、非接触和全场测量等优点，这大大简化了操作者的操作过程，同 时提高了颗粒物质形变的测量速度与精度。同时，设计了一种容积无 极调节的装夹盒，用来盛放颗粒样品，通过设计不同排布的颗粒样品 进行实验，以研究颗粒配位数对颗粒体系应变和几何结构特性的影响。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是颗粒配位数为6的样品排布示意图；

图3是颗粒配位数为4的样品排布示意图；

图4是容积可无极调节的装夹盒结构示意图；

图5是螺旋升降装置结构示意图；

图中符号说明如下：1 加载装置；2 颗粒样品；3 加力块；4 装夹 盒；5 螺旋升降装置；6 CCD摄像机；7 光源；8 平台；9 滚珠丝杆；10 Y 向导轨；11 手柄；12 计算机；13 工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种基于二维数字图像相关法的颗粒物质单轴压缩过程的应变测 量方法，其特点是利用数字图像相关法对颗粒物质进行形变测量，进 而计算得到不同配位数下样品表面的位移场和应变场。

参照图1、图4、图5，应变测量装置包括加载装置1，驱动装置，采 集装置和工作台13。被测装置包括装夹盒4和颗粒样品2；驱动装置 包括螺旋升降装置5、平台8、滚珠丝杠9、Y向导轨10和手柄11； 采集装置包括CCD摄像机6、光源7和计算机12。所述加载装置1通 过加力块3对被测装置中的颗粒样品2进行单轴压缩试验，颗粒样品 2依次排布在一种容积可变的装夹盒4中。

所述装夹盒4由主板41和侧板42两部分组成，所述主板41底面 和正面开有M10的螺纹孔，所述侧板42底面和正面开有直径D＝11的 通槽，所述主板的螺纹孔和侧板的通槽通过螺栓43连接，并实现容积 无极调节。所述螺栓43预紧，实现侧板42固定；所述螺栓43旋松， 实现侧板42无极调节，从而可通过改变容积来设计不同排布的颗粒样 品实验。

所述驱动装置包括手柄11，滚珠丝杆9，Y向导轨10，平台8和螺 旋升降装置5。滚珠丝杆9通过轴承座支撑在工作台13上，所述平台 8中央与丝杆螺母固连，四角与Y向导轨10滑块固连，所述Y向导轨 10采用H型对称布置，保证Y向运动平稳，以保证颗粒样品2与摄像 机6的工作距离合理稳定。所述螺旋升降装置5通过螺栓固定在平台 8上，由螺旋套筒51和螺柱52组成，为了获得精确的相关分析结果， 可通过微调螺柱52调节成像镜面，使其平行于颗粒样品2表面。

所述采集装置包括CCD摄像机6，成像镜头，光源7和计算机12。 所述CCD摄像机6通过M6的双头螺栓53固定在螺柱52上，所述成像 镜头安装在CCD摄像机6上，并通过数据线与计算机12相连，所述光 源7可通过支座固定在工作台13上。

所述检验方法包括如下步骤：

(1)基于二维数字图像相关法的颗粒物质单轴压缩过程的应变测 试方法，首先是颗粒样品散斑图的制备。颗粒样品2由一种黑色橡胶 材料制备而成，并做清洁处理，然后喷哑光白漆，控制喷漆大小形成 均匀表面散斑图。再先后将颗粒样品2以6个配位级数21和4个配位 级数22排布于容积无极调节的装夹盒4中，颗粒排布方式见附图2 和附图3。由于装夹盒可无极调节，因而颗粒样品可以以任意的排布 方式获得上述所没有列举出的其它配位数。

(2)通过手柄11调节确定合理的样品2与CCD摄像机6的工作 距离，同时微调螺旋升降装置5，以保证成像镜头与样品表面平行。

(3)打开图像采集系统，并将光源7调整到合适的角度亮度，设 置图像采集参数，保存路径，准备开始压缩试验和图像采集。

(4)再次检查仪器和系统，确保各方面正常工作，开启加载系统 1，通过加力块3对颗粒样品2进行单轴压缩试验，同时进行CCD摄像 机6的图像采集，采集的样品图像会自动存储在之前建立的文件夹中。

(5)最后通过二维数字图像相关法处理分析采集到的图像，得到 颗粒物质在单轴压缩过程中的位移场与应变场。基于散斑图像每一点 的灰度值不同，每一点附近的一个小区域中的灰度分布于其它点也是 不尽相同的，这种小区域称为子区。进而将变形前的数字灰度场中某 一区域定义为样本子区，将变形后与之对应的区域称为目标子区，经 过相关软件处理系统就可以识别出目标子区与样本子区间的对应关 系，以及两者的差异可推断出样品的变形信息，从而计算出所选定的 子区内所有点的位移和应变。