本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種整體-局部相結(jié)合的試樣變形測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

在試樣變形的測量方法中，光學(xué)測量目前最為流行。光測技術(shù)分為干涉光學(xué)測量和非干涉光學(xué)測量。干涉光學(xué)測量技術(shù)如全息干涉、散斑干涉、云紋干涉等；非干涉光學(xué)測量技術(shù)如幾何云紋技術(shù)、以及數(shù)字圖像測量技術(shù)。光學(xué)測量技術(shù)在材料變形特性研究方面的應(yīng)用，推動了人們探知材料力學(xué)性質(zhì)和行為的研究進(jìn)程。

應(yīng)用光學(xué)測量和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)研究材料的裂紋擴(kuò)展或者損傷機(jī)制，是實(shí)驗(yàn)力學(xué)中一個重要的研究方向。例如，在研究金屬的裂紋擴(kuò)展時，通常在試樣上提前制作缺口，應(yīng)用光學(xué)測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)得到缺口附近的變形特性進(jìn)而分析裂紋擴(kuò)展的變化規(guī)律。雖然這種試驗(yàn)方法可以研究材料的局部變形特性，但這種“局部”實(shí)際上是人為指定觀測區(qū)域，得到的力學(xué)特性，可能不能完全反映材料的真實(shí)屬性。

另外，土體剪切帶的形成及漸進(jìn)性破壞的研究已是巖土工程界重要的研究領(lǐng)域。剪切帶是局部化變形模式之一，表現(xiàn)為集中剪切變形的狹窄帶狀區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)經(jīng)受強(qiáng)烈的剪切變形，而帶外變形相對較小。研究土體剪切帶的形成及其演化，對于評價土的工程性質(zhì)、土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、土工構(gòu)筑物的安全等具有重要的意義。當(dāng)我們研究土試樣的剪切帶的行為特性時，需要定位試樣出現(xiàn)剪切帶的位置，通過局部測量的方式，觀察剪切帶的特征。

另一方面，在材料的應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)中，我們希望能同時測量整體的變形形態(tài)(包含局部變形特征)和局部區(qū)域的放大測量。這樣我們就既可以根據(jù)試樣整體(包含局部)的變形形態(tài)研究其應(yīng)力應(yīng)變特性，又可以根據(jù)局部區(qū)域的放大測量，在更高的精度上分析其變形性質(zhì)和變形特征。后者可以為小應(yīng)變條件下材料的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)研究和局部破壞特征的研究提供依據(jù)。

本發(fā)明在光學(xué)測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理的基礎(chǔ)上，采用攝像機(jī)組合的方式建立一種能同時實(shí)現(xiàn)整體測量和局部測量的方法。局部測量的區(qū)域根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件自動定位，測量尺度達(dá)到更高的精度。整體測量的觀測對象是整個試樣，測量結(jié)果給出試樣表面的變形場分布。此測量方法整體-局部相結(jié)合，對揭示試樣整體-局部變形之間的聯(lián)系具有意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種整體-局部相結(jié)合的試樣變形測量裝置及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種整體-局部相結(jié)合的試樣變形測量裝置，該試樣變形測量裝置包括一號位機(jī)、二號位機(jī)、萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1、支腿2、特殊處理的試樣9、試樣夾具10、試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11和對中檢測板12；萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1通過四個可調(diào)高度的支腿2放置在地平面上。

所述的一號位機(jī)包括一號減振塊3、直線滑軌副4、微型升降實(shí)驗(yàn)臺5、微調(diào)旋鈕6、一號對中激光7、一號工業(yè)相機(jī)8。一號減振塊3底部平穩(wěn)固定安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1一側(cè)，直線滑軌副4通過內(nèi)六角螺栓固定在一號減振塊3上部；微型升降實(shí)驗(yàn)臺5安裝在直線滑軌副4上，能夠在直線滑軌副4上滑動，用來調(diào)節(jié)一號工業(yè)相機(jī)8的光心軸所在的豎直平面位置，保證光心軸所在的豎直平面與特殊處理的試樣9中心所在豎直平面重合，并且可以通過微調(diào)旋鈕6調(diào)節(jié)一號工業(yè)相機(jī)8的光心軸的高度；一號對中激光7和一號工業(yè)相機(jī)8固定在微型升降實(shí)驗(yàn)臺5的安裝平臺上，一號對中激光7照射到對中檢測板12的中心位置，一號工業(yè)相機(jī)8拍攝經(jīng)過特殊處理的試樣9的前表面；所述的特殊處理的試樣9的前表面制有識別標(biāo)識18，是人工制的散斑，噴涂的散斑分布越隨機(jī)對實(shí)驗(yàn)越有利。

所述的二號位機(jī)包括二號對中激光13、放大高倍鏡頭14、二號工業(yè)相機(jī)15、x-y-z三軸移動平臺16、二號減振塊17。二號減振塊17底部平穩(wěn)固定安裝萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1另一側(cè)，x-y-z三軸移動平臺16固定在二號減振塊17上部，x-y-z三軸移動平臺16能夠通過運(yùn)動控制程序?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動，保證二號對中激光13的激光照射點(diǎn)和一號對中激光7的照射點(diǎn)重合在對中檢測板12的中心上，通過二號對中激光13和一號對中激光7特定的安裝角度保證一號位機(jī)的世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)、和二號位機(jī)的世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)同軸，即一號工業(yè)相機(jī)8的光軸和二號工業(yè)相機(jī)15的光軸重合且與水平面平行；二號對中激光13和二號工業(yè)相機(jī)15分別固定在x-y-z三軸移動平臺16豎直方向的z軸安裝平臺上；所述二號工業(yè)相機(jī)15的鏡頭前端安裝一個放大高倍鏡頭14，用來觀測特殊處理的試樣9的后表面上的識別標(biāo)識19。

所述特殊處理的試樣9通過上下兩個試樣夾具10夾緊；下方試樣夾具10固定在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺中部，上方試樣夾具10固定試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11上，通過試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11的上下移動對試樣9進(jìn)行力學(xué)測試試驗(yàn)；對中檢測板12固定安裝在試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11上，用來接收一號對中激光7的照射點(diǎn)和二號對中激光13的激光照射點(diǎn)。

采用上述試樣變形測量裝置進(jìn)行整體-局部相結(jié)合的試樣變形測量方法，包括以下步驟：

第一步，調(diào)整一號位機(jī)和二號位機(jī)的高度使一號對中激光7的照射點(diǎn)和二號對中激光13的激光照射點(diǎn)在對中檢測板12上重合；

第二步，安裝試樣9，在x-y-z三軸移動平臺16的y向調(diào)整一號位機(jī)的位置，當(dāng)試樣9的識別標(biāo)識全部進(jìn)入位于圖像視窗并清晰成像時停止y向調(diào)整；調(diào)整二號位機(jī)在y向的位置使試樣9上的識別標(biāo)識清晰成像于視窗；

第三步，設(shè)定一號位機(jī)檢測的目標(biāo)區(qū)域大小和二號位機(jī)的啟動條件；所述的一號位機(jī)檢測的目標(biāo)區(qū)域最大不能超出二號位機(jī)觀測區(qū)域的1/9；

第四步，啟動一號位機(jī)數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，開始對識別標(biāo)識定位，人為選取定位效果最好的圖像作為參考圖像并保存，開始實(shí)驗(yàn)測量；

第五步，待實(shí)驗(yàn)測量結(jié)束后，在二號位機(jī)拍攝的圖片序列中選取第3～5張圖片為參考圖像，用散斑圖像處理算法計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；最后結(jié)合一號位機(jī)和二號位機(jī)的各自數(shù)據(jù)曲線，分析試樣的力學(xué)特性。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明能同時實(shí)現(xiàn)整體變形和局部變形的測量，將數(shù)字圖像相關(guān)方法與數(shù)字圖像測量方法結(jié)合使用，發(fā)揮各自的測量優(yōu)勢，并方便對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出對比；能自動定位到需要測量的局部區(qū)域，并且局部測量的尺度達(dá)到細(xì)觀層次；此測量方法對研究微小應(yīng)變或小應(yīng)變階段的材料變形特性提供一種試驗(yàn)途徑；對研究松散顆粒體材料的變形特性具有意義。

附圖說明

圖1為試樣變形測量裝置的正視圖；

圖2為試樣變形測量裝置的俯視圖；

圖3為特制試樣的前后識別標(biāo)識；

圖4為本測量方法的流程圖；

圖5為一號位機(jī)和二號位機(jī)的世界坐標(biāo)系關(guān)系圖；

圖中：1萬能試驗(yàn)機(jī)平臺；2支腿；3一號減振塊；4直線滑軌副；5微型升降實(shí)驗(yàn)臺；6微調(diào)旋鈕；7一號對中激光；8一號工業(yè)相機(jī)；9試樣；10試樣夾具；11試驗(yàn)機(jī)加載橫梁；12對中檢測板；13二號對中激光；14放大高倍鏡頭；15二號工業(yè)相機(jī)；16x-y-z三軸移動平臺；17二號減振塊；18前表面識別標(biāo)識；19后表面識別標(biāo)識。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

一種整體-局部相結(jié)合的試樣變形測量裝置，包括一號位機(jī)、二號位機(jī)、萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1、支腿2、特殊處理的試樣9、試樣夾具10、試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11和對中檢測板12；萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1通過四個可調(diào)高度的支腿2放置在地平面上。

一號位機(jī)中的一號減振塊3底部平穩(wěn)固定安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1一側(cè)，直線滑軌副4通過內(nèi)六角螺栓固定在一號減振塊3上部；微型升降實(shí)驗(yàn)臺5安裝在直線滑軌副4上；一號對中激光7和一號工業(yè)相機(jī)8固定在微型升降實(shí)驗(yàn)臺5的安裝平臺上，一號對中激光7照射到對中檢測板12的中心位置，一號工業(yè)相機(jī)8拍攝經(jīng)過特殊處理的試樣9的前表面。二號位機(jī)中的二號減振塊17底部平穩(wěn)固定安裝萬能試驗(yàn)機(jī)平臺1另一側(cè)，x-y-z三軸移動平臺16固定在二號減振塊17上部，一號工業(yè)相機(jī)8的光軸和二號工業(yè)相機(jī)15的光軸重合且與水平面平行；二號對中激光13和二號工業(yè)相機(jī)15分別固定在x-y-z三軸移動平臺16豎直方向的z軸安裝平臺上；二號工業(yè)相機(jī)15的鏡頭前端安裝一個放大高倍鏡頭14，用來觀測特殊處理的試樣9的后表面上的識別標(biāo)識19。特殊處理的試樣9通過上下兩個試樣夾具10夾緊；下方試樣夾具10固定在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺中部，上方試樣夾具10固定試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11上，通過試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11的上下移動對試樣9進(jìn)行力學(xué)測試試驗(yàn)；對中檢測板12固定安裝在試驗(yàn)機(jī)加載橫梁11上，用來接收一號對中激光7的照射點(diǎn)和二號對中激光13的激光照射點(diǎn)。

進(jìn)行整體-局部相結(jié)合的試樣變形測量方法，具體步驟如下：

一號工業(yè)相機(jī)從試驗(yàn)開始一直觀測，當(dāng)觀測t0時刻試樣的某一區(qū)域應(yīng)變較此時刻其他區(qū)域大時或此區(qū)域的變形達(dá)到設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件(如設(shè)定變形上限，以下稱該區(qū)域?yàn)椤澳繕?biāo)區(qū)域”)，認(rèn)為“目標(biāo)區(qū)域”將是最值得觀測的區(qū)域或?yàn)樵嚇悠茐牡脑搭^。一號位機(jī)返回“目標(biāo)區(qū)域”的中心坐標(biāo)值，啟動試樣正后方的另一個更高速工業(yè)相機(jī)(二號位機(jī))，二號位機(jī)根據(jù)一號位機(jī)返回的坐標(biāo)值實(shí)現(xiàn)定位并啟動拍攝，并且二號位機(jī)的觀測鏡頭較一號位機(jī)的鏡頭具有更大的放大倍數(shù)，能觀測到試樣的細(xì)觀變化，記錄觀測并保存。實(shí)驗(yàn)流程圖4所示。

由于一號位機(jī)的作用是獲得t0時刻應(yīng)變較大區(qū)域的位置坐標(biāo)，并及時的反饋到二號位機(jī)，所以測量系統(tǒng)對一號位機(jī)觀測區(qū)域所得的數(shù)據(jù)要實(shí)時處理?！澳繕?biāo)區(qū)域”的中心位置坐標(biāo)可以定位到一個小區(qū)域，這個小區(qū)域最大不能超出二號位機(jī)觀測區(qū)域的1/9。正是因?yàn)橐惶栁粰C(jī)在觀測的過程中系統(tǒng)要實(shí)時處理數(shù)據(jù)，其所觀測的區(qū)域識別標(biāo)識采用7mmx7mm正方形黑白相間的角點(diǎn)如圖3所示，相機(jī)拍攝幀頻不能太高，若角點(diǎn)單元尺寸太小相機(jī)幀頻過高，數(shù)據(jù)計(jì)算量增大，系統(tǒng)很難做到實(shí)時處理。若一號位機(jī)的測量系統(tǒng)采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，很難實(shí)現(xiàn)或者說以現(xiàn)在的搜索算法和計(jì)算機(jī)處理能力根本實(shí)現(xiàn)不了，數(shù)字圖像相關(guān)方法有一對矛盾的參數(shù)，即測量精度高帶來的運(yùn)算速度慢，因此相關(guān)計(jì)算是數(shù)字圖像相關(guān)測量的關(guān)鍵，而相關(guān)算法的核心其實(shí)就是搜索算法，搜索計(jì)算的速度快和精度高一直是研究其應(yīng)用的核心要素。但是二號位機(jī)不要求觀測過程中實(shí)時處理或者實(shí)時顯示，并且二號位機(jī)要達(dá)到細(xì)觀觀測，其鏡頭具有一定的的放大倍數(shù)，那么其觀測區(qū)域識別標(biāo)識不適合用7mmx7mm角點(diǎn)單元，考慮到散斑測量的易操作性等，試樣的背面(二號位機(jī)觀測區(qū))有人工散斑，用于二號位機(jī)的識別標(biāo)識。在t0時刻以后要保真的觀測到“目標(biāo)區(qū)域”的變形，那么相機(jī)的幀頻要求相對較高，帶來的數(shù)據(jù)量就大。二號位機(jī)測量采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，保證一定的測量精度時，后續(xù)圖像處理的運(yùn)算速度也是可以接受的。

為簡化一號位機(jī)、試樣、二號位機(jī)三者的世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)系換算而不影響測量方法的實(shí)現(xiàn)，將一號位機(jī)的鏡頭中心與二號位機(jī)的鏡頭中心同軸并在同一水平面上，z軸平行同向，x軸平行反向，如圖5所示。按照一號位機(jī)和二號位機(jī)坐標(biāo)系的特殊相對關(guān)系，認(rèn)為目標(biāo)區(qū)域在一號位機(jī)世界坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)值即為在二號位機(jī)世界坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)值(坐標(biāo)值有正負(fù))。