地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統的製作方法
2023-12-03 03:19:36 1
專利名稱：地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種對地質軟材料的變形進行模擬加載及測量的系統，尤其是， 涉及一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統。
背景技術：
地殼巖石在構造運動的長期作用下會發生非常複雜的變形和破壞，這一過程具有兩個鮮明特點一是作用過程非常漫長，其作用時間常以百萬年計；二是加載過程比較複雜，屬多方向且時變的非穩定加載。在這種複雜作用下，地殼巖石介質會發生非常複雜的變形和破裂。認識這種複雜變形過程對於地質結構形成機制的認識有重要意義，因而對各種礦產及油氣勘探、地震機理及預測等都非常重要。在實驗研究領域，為模擬這種漫長的變形過程，常依據相似律準則，在實驗室條件下通過對相似的地質軟材料的慢速加載來模擬和研究上述變形過程。容易想到，在這種相似材料模擬研究中，有三個關鍵問題需要解決首先，要在實驗中實現對相似的地質軟材料的多軸精確加載，並要實現加載過程的時變控制， 以及一段時間內穩定加載過程的準確保持；其次，要實現對變形過程的定量觀測；再次，實時的採集信息並反饋信息。而現有研究中常採用簡易的手動加載裝置對模擬材料進行加載，然後用肉眼對變形過程進行觀察和描述。現有的手動加載這種粗放式的實驗方式在準確性、多軸、時變、穩定性和長期大量實驗方面不滿足科學研究的精確性、複雜性、重複性等要求。現有成熟的加載設備如MTS力學測試與模擬(Mechanical testing and simulation)試驗機，雖可滿足精確性要求，但其結構和能耗大不適於長期運行，且需要複雜的伺服控制系統，大大增加了實驗資金需求和耗能成本。所以如何解決上述三點關鍵問題並實現相應的效果，便成為關鍵內容。
實用新型內容本實用新型提供了一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，該系統解決了實驗中無法對地質軟材料等材料的多軸精確加載、時變可控問題以及定量觀測等問題。為了解決上述問題，本實用新型提供了一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其中，包括加載單元、控制單元和變形測量單元；其中，所述加載單元，與所述控制單元相耦接，用於接收所述控制單元的信號，根據該信號配合所述變形測量單元對被測的試件進行加載操作，並反饋加載信息給所述控制單元；所述控制單元，與所述加載單元和變形測量單元相耦接，用於控制所述加載單元和變形測量單元，並接收所述加載單元反饋的加載信息和變形測量單元反饋的該試件表面的變形信息，通過上述內容選擇合適的加載速率和採集速率；所述變形測量單元，與所述控制單元相耦接，用於接收所述控制單元的信號，根據信號配合所述加載單元對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，分析所得散斑圖像並反饋該試件表面的變形信息給所述控制單元。進一步地，本實用新型所述的一種對地質軟材料的複雜變形的測量系統，其中，所述加載單元包括兩個結構相同但方向垂直的加載子單元、一加載框架平臺和四個固定端； 其中，所述兩個結構相同但方向垂直的加載子單元與所述加載框架平臺相連接，所述四個固定端設置在所述加載子單元上。進一步地，其中，所述加載子單元包括兩個側力板、四個立柱、自鎖型電動推桿、 主動壓頭、被動壓頭和傳感器；其中所述兩個所述側力板與四個立柱垂直連接並設置在四個立柱的兩端，同時在一個所述側力板上設置所述自鎖型電動推桿，該自鎖型電動推桿與四個立柱平行設置，所述傳感器設置在另一個側力板上，並且該自鎖型電動推桿端部設置的主動壓頭與所述傳感器上設置的被動壓頭處於一條直線上。進一步地，其中，所述傳感器包括位移傳感器和載荷傳感器；其中，位移傳感器設置於電動推桿下部主動壓頭和被動壓頭之間，載荷傳感器設置在被動壓頭與側力板之間，並且該自鎖型電動推桿端部設置的主動壓頭與所述載荷傳感器上設置的被動壓頭處於一條直線上。進一步地，其中，所述變形測量單元包括C⑶相機、鏡頭以及DSCM測量分析模塊； 其中，所述CCD相機與鏡頭相連接，所述CCD相機以及鏡頭用於在所述加載子單元對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，所述相機的數據線用於把採集到的數字散斑圖像傳輸到所述DSCM測量分析模塊內。進一步地，其中，所述控制單元包括加載單元控制器、圖像採集觸發器和包含有所述DSCM測量分析模塊的計算機；其中，所述加載單元控制器，與所述計算機和圖像採集觸發器相連接，用於接收所述計算機的指示，根據指示信息指示所述圖像採集觸發器進行操作獲取該試件表面的數字散斑圖像，同時根據指示信息發送加載信號給所述加載單元對被測的試件進行加載，然後根據傳回的反饋信號對所述加載單元進行伺服控制，同時記錄位移和所述載荷傳感器的數據， 並將該數據發送給所述計算機；所述圖像採集觸發器，與所述加載單元控制器相連接，用於接收該加載單元控制器的指示，開啟所述CCD相機用於在所述加載子單元對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像；所述計算機，與所述加載單元控制器和圖像採集觸發器相連接，用於指示所述加載單元控制器和圖像採集觸發器對被測的試件進行加載，並接收、存儲所述加載單元控制器反饋的加載信息以及相機所採集的數字散斑圖像，且動態顯示分析結果，根據動態分析結果再動態調整圖像採集速率，通過所述計算機中的DSCM測量分析模塊對得到的所述數字散斑圖像進行相關匹配計算，獲取該被測的試件變形場信息，並將該變形場信息整理保存成一個完整數據文件進行存儲。進一步地，其中，所述位移傳感器和載荷傳感器同時記錄加載過程中的加載信息。進一步地，其中，所述位移傳感器所採用的測量精度的解析度為0. 001mm、量程為 40mm ο進一步地，其中，所述載荷傳感器所採用的測量精度的解析度為0. 1N、量程為10000N。[0020]進一步地，其中，所述加載單元還包括有在每個固定端上設置墊塊。與現有技術相比，本實用新型所述的地質軟材料複雜變形的測量系統具有如下特點。[0022]1、實現了一種桌面化小型的地質軟材料複雜變形模擬加載及測量的系統，可方便實現地質相似材料長時間的、雙軸、複雜時間過程的自動準確加載，並實現全場變形的定量準確測量，為研究複雜地質變形過程提供了一種方便而功能強大的實驗系統。2、採用了自鎖型電動推桿作為位移加載設備，在小型化的同時，實現了位移加載的準確化、簡易化和低能耗。3、發展了一種基於變形過程數據補償的數字散斑圖像相關方法變形測量方案，配合本系統中的變形測量單元，可完成軟材料複雜變形的全場定量測量。4、本實用新型所述系統的加載單元與變形測量單元的有機結合，按加載過程設置圖像採集速率並動態調整的方式，大大節省了存儲空間和數據處理時間。
圖1為本實用新型實施例一所述地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統的結構框圖；圖2為本實用新型實施例一所述的系統中的加載單元1具體結構圖；圖3為本實用新型實施例一中所述加載子單元11的側視圖；圖4為本實用新型實施例一所述的系統中的各組成部分的連接結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明，但不作為對本實用新型的限定。如圖1所示，為本實用新型實施例一所述的地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，該系統由三個單元組成，分別為加載單元1 (也可稱為變形模擬單元)，控制單元 2和變形測量單元3 (也可稱為圖像採集和處理單元)。其中，加載單元1目的是實現對軟材料的被測的試件可控精確加載，可實現雙軸，時變任意方案加載，加載過程準確可控，速度保持穩定，並且能夠使加載系統小型化。控制單元2目的是實現對加載單元1和變形測量單元3的控制。變形測量單元3目的是實現對變形場的定量觀測，採用DSCM方法。採用了基於變形實時分析的採集速度調節技術和相關算法。如圖2所示，本實用新型實施例一所述的系統中的加載單元1具體結構，其中，該加載單元1主要包括兩個結構相同但方向垂直的加載子單元11、加載框架平臺12、四個固定端13和四個固定端上的墊塊。所述的兩個結構相同但方向垂直的加載子單元11與加載框架平臺12相連接，所述固定端13設置在所述加載子單元11上，並且固定端13上還可以設置有墊塊，由於本領域技術人員清楚墊塊的位置，因此附圖2中並沒有示出。如圖3所示，為實施例一中的加載子單元11的側視圖，該加載子單元11包括兩個側力板111、四個立柱112、自鎖型電動推桿113、主動壓頭114、被動壓頭115、位移傳感器 116和載荷傳感器117。其中，兩個所述側力板111與四個立柱112垂直連接並設置在四個立柱112的兩端，同時在一個所述側力板111上設置有自鎖型電動推桿113，自鎖型電動推桿113與四個立柱112平行設置，位移傳感器116和載荷傳感器117設置在另一個側力板 111上，並且自鎖型電動推桿113端部設置的主動壓頭114與載荷傳感器117上設置的被動壓頭115處於一條直線上。加載子單元11的具體工作工程為加載子單元11中的主要動力源為自鎖性電動推桿113，當加載子單元11開始工作時，由其上的自鎖性電動推桿113帶動主動壓頭114按實驗要求，以位移控制方式向被動壓頭115方向運動，夾持其間的試件並加載。加載過程中主動壓頭114的位移量由位移傳感器116測得，被測的試件所承受載荷大小通過載荷傳感器117測得。兩個加載子單元11的結構是相同的，向同一個地質軟材料試件施加測試載荷， 相應的兩對主動壓頭114和被動壓頭115的相向運動軌跡是垂直的，或者說這兩個加載子單元11施加的測試載荷的力的方向是垂直的，這樣實現了雙向加載。在實際環境中的地質材料受力情況一般可歸結為雙向受力，因此，本實用新型中同時向地質軟材料試件施加兩個方向的測試載荷比常規地現有技術中僅施加一個方向的測試載荷更接近於實際情況。本實用新型採用了的自鎖性電動推桿113提供動力進行加載，自鎖性電動推桿113能夠按要求以一定的速度連續行進推動壓頭移動，也可以自鎖以保持位置。因此，兩個加載子單元均可實現複雜的加載和保持過程。能夠模擬地質軟材料的複雜加載過程。本實施例中的自鎖性電動推桿113能夠在不需要動力的情況下穩定的維持位置，這一特點使得本實用新型在提供長期穩定的加載時，省去常規伺服壓機在位移保持時的不間斷調節操作，在保持位移加載穩定性時同時節省了能耗。另外，在向軟材料被測的試件施加測試載荷過程中也會有變化測試載荷的情況， 這也有可能引起主動壓頭114的移動速度發生變化，因此也需要應用具有不同測量精度的位移傳感器116和不同測量精度的載荷傳感器117，在每個所述加載子單元上設置有上述兩個傳感器。兩個傳感器的具體精度差異根據實際測量情況而定，如果採用一個控制電路選擇應用上述兩個傳感器，可根據預先設置的移動速度閾值ζ選擇。例如，主動壓頭114的移動速度大於閾值ζ時採用測量精度低的傳感器，即載荷傳感器所採用的測量精度的解析度為0. 1N、量程為10000N ；主動壓頭114的移動速度小於等於閾值ζ時採用測量精度高的傳感器，即位移傳感器所採用的測量精度解析度為0. 001mm、量程為40mm。如圖4所示，變形測量單元3(也可稱為圖像採集和處理單元)由 CCD (Charge-coupled Device，電荷耦合元件)相機31、鏡頭32以及DSCM數字散斑相關方法(digital speckle correlation method)測量分析模塊(33內)組成；其中，所述CCD 相機31與鏡頭32相連接，所述CCD相機31以及鏡頭32用於在所述加載子單元113對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，鏡頭32的數據線用於把採集到的數字散斑圖像傳輸到控制單元2中的計算機23內設置的 DSCM測量分析模塊33上，另外，DSCM測量分析模塊Q3內)用於存儲數字散斑圖像以及控制CCD相機31的採集狀態。DSCM測量分析模塊03內)對得到的所述數字散斑圖像進行相關匹配計算，最終獲取該被測的試件變形場信息。該DSCM的基本原理是匹配物體表面不同狀態下的數字散斑圖像上的幾何點，跟蹤點的運動從而獲得物體表面變形信息。目前現有的DSCM都集中於脆性材料小變形的測量，與之對應的，DSCM中的匹配搜索算法也都是針對小變形情況的。因此，不能用於本系統中的對試件的大變形測量。本實用新型實施例一中的DSCM是在現有DSCM基礎上發展出來的一種用於對試件進行大變形測量的連續剛體位移補償的DSCM。需要說明的是，所謂散斑是指在試件表面預先噴塗上色斑(也稱為散斑)，在試件受到載荷發生變形的過程中連續獲取試件表面(噴塗色斑的表面)的數字圖像。所述連續剛體位移補償DSCM是一種基於拍攝圖像的連續性而進行連續剛體位移補償的DSCM。試驗中如果連續採集圖散斑像，則所拍攝的圖像時間間隔一般較短，兩張相鄰圖像之間的位移差較小，一般位於傳統DSCM的搜索範圍內，因此選用上一張圖像上各點的位移值作為下一張圖像上各點匹配搜索初始位置的補償值對各計算點的匹配初始位置進行調整，從而使所有計算點匹配搜索的初始位置變為計算點在上一張變形圖像上的坐標位置。最後在調整後的初始搜索位置使用三步甚至兩步或一步搜索法進行搜索，完成計算點的匹配搜索。如圖4所示，控制單元2包括加載單元控制器21、圖像採集觸發器22和包含有 DSCM測量分析模塊33的計算機23 ；其中，加載單元控制器21，用於接收計算機23的指示，根據指示信息指示圖像採集觸發器22開啟所述CCD相機31和鏡頭32用於在所述加載子單元113對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，並根據指示信息發送加載信號給所述加載單元1對被測的試件進行加載，然後根據傳回的反饋信號對加載單元 1進行伺服控制，同時記錄位移和載荷傳感器117的數據，並將該數據發送給計算機23 ；圖像採集觸發器22，用於接收加載單元控制器21的指示，開啟所述CXD相機31用於在所述加載子單元113對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像；計算機23，用於指示加載單元控制器21和圖像採集觸發器22對所述加載單元1 中的被測的試件進行加載，並接收、存儲所述加載單元控制器21反饋的加載信息以及相機 31反饋的所採集的數字散斑圖像的信息，且動態顯示分析結果，根據動態分析結果再動態調整圖像採集速度，通過所述DSCM測量分析模塊03內)對得到的所述數字散斑圖像進行相關匹配計算，最終獲取該被測的試件變形場信息(變形場信息包括載荷、位移、圖像、變形等數據)，並將變形場信息整理保存成一個完整數據文件進行存儲。本實用新型根據實施例一的結構製作完成後，對地質軟材料類的被測的試件進行操作的具體步驟如下第一，首先在實驗試件上噴制人工散斑，把試件放置到加載單元1中的加載子單元11上兩個壓頭114和115之間的加載框架平臺12上；第二，把變形測量單元3中的鏡頭32安裝到CXD相機31上，再把CXD相機31通過數據線連接到計算機23上；第三，通過控制單元2上的計算機23調節變形測量單元3中的鏡頭32的焦距、光圈獲得清晰的圖像；第四，如圖3所示，通過控制單元2上的計算機23和加載單元控制器21操作加載子單元11中的自鎖性電動推桿113運行，自鎖性電動推桿113推動主動壓頭114對試件進行加載；第五，控制單元2上的加載單元控制器21控制加載子單元11中主動壓頭114的加載速度，並通過控制單元2上的圖像採集觸發器22和計算機23來設置變形測量單元3中CCD相機31的採集速率，並將採集速率存儲在計算機23中；第六，控制單元2上的加載單元控制器21按照上一步中的加載速度和圖像採集速率對試件進行加載及其圖像採集，並存儲在計算機23中；第七，計算機23對採集的該試件表面的數字散斑圖像使用DSCM測量分析模塊(23 內)中新發展的連續剛體位移補償DSCM進行計算，得到被測的試件的變形場信息(變形場信息包括載荷、位移、圖像、變形等數據)。與現有技術相比，本實用新型所述的地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，具有如下特點1、實現了一種桌面化小型的地質軟材料複雜變形模擬加載及測量的系統，可方便實現地質相似材料長時間的、雙軸、複雜時間過程的自動準確加載，並實現全場變形的定量準確測量，為研究複雜地質變形過程提供了一種方便而功能強大的實驗系統。2、採用了自鎖型電動推桿作為位移加載設備，在小型化的同時，實現了位移加載的準確化、簡易化和低能耗。3、發展了一種基於變形過程數據補償的數字散斑圖像相關方法變形測量方案，配合本系統中的變形測量單元，可完成軟材料的變形定量測量。4、本實用新型所述系統的加載單元與變形測量單元的有機結合，按加載過程設置圖像採集速率並動態調整的方式，大大節省了存儲空間和數據處理時間。當然，本實用新型還可有其他多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本實用新型做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，包括加載單元、控制單元和變形測量單元；其中，所述加載單元，與所述控制單元相耦接，用於接收所述控制單元的信號，根據該信號配合所述變形測量單元對被測的試件進行加載操作，並反饋加載信息給所述控制單元；所述控制單元，與所述加載單元和變形測量單元相耦接，用於控制所述加載單元和變形測量單元，並接收所述加載單元反饋的加載信息和變形測量單元反饋的該試件表面的數字散斑圖像，通過上述內容獲取被測的試件變形場信息；所述變形測量單元，與所述控制單元相耦接，用於接收所述控制單元的信號，根據信號配合所述加載單元對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，分析所得散斑圖像並反饋該試件表面的變形信息給所述控制單元。
2.根據權利要求1所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述加載單元包括兩個結構相同但方向垂直的加載子單元、一個加載框架平臺和四個固定端；其中，所述兩個結構相同但方向垂直的加載子單元與所述加載框架平臺相連接，所述四個固定端設置在所述加載子單元上。
3.根據權利要求1所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述加載子單元包括兩個側力板、四個立柱、自鎖型電動推桿、主動壓頭、被動壓頭和傳感器；其中所述兩個所述側力板與四個立柱垂直連接並設置在四個立柱的兩端， 同時在一個所述側力板上設置所述自鎖型電動推桿，該自鎖型電動推桿與四個立柱平行設置，所述傳感器設置在另一個側力板上，並且該自鎖型電動推桿端部設置的主動壓頭與所述傳感器上設置的被動壓頭處於一條直線上。
4.根據權利要求3所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述傳感器包括位移傳感器和載荷傳感器；其中，位移傳感器設置於電動推桿下部主動壓頭和被動壓頭之間，載荷傳感器設置在被動壓頭與側力板之間，並且該自鎖型電動推桿端部設置的主動壓頭與所述載荷傳感器上設置的被動壓頭處於一條直線上。
5.根據權利要求4所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述變形測量單元包括CCD相機、鏡頭以及DSCM測量分析模塊；其中，所述CCD相機與鏡頭相連接，所述CCD相機以及鏡頭用於在所述加載子單元對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，所述相機的數據線用於把採集到的數字散斑圖像傳輸到所述DSCM測量分析模塊內。
6.根據權利要求5所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述控制單元包括加載單元控制器、圖像採集觸發器和包含有所述DSCM測量分析模塊的計算機；其中，所述加載單元控制器，與所述計算機和圖像採集觸發器相連接，用於接收所述計算機的指示，根據指示信息指示所述圖像採集觸發器進行操作獲取該試件表面的數字散斑圖像，同時根據散斑場計算結果反饋信息給所述加載單元以調整被測的試件的加載速率，然後根據傳回的反饋信號對所述加載單元進行伺服控制，同時記錄位移和載荷數據，並將該數據發送給所述計算機；所述圖像採集觸發器，與所述加載單元控制器相連接，用於接收該加載單元控制器的指示，開啟所述CCD相機用於在所述加載子單元對被測的試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像；所述計算機，與所述加載單元控制器和圖像採集觸發器相連接，用於指示所述加載單元控制器和圖像採集觸發器對被測的試件進行加載，並接收、存儲所述加載單元控制器反饋的加載信息以及相機所採集的數字散斑圖像，且動態顯示分析結果，根據動態分析結果再動態調整圖像採集速率，通過所述計算機中的DSCM測量分析模塊對得到的所述數字散斑圖像進行相關匹配計算，獲取該被測的試件變形場信息，並將該變形場信息整理保存成一個完整數據文件進行存儲。
7.根據權利要求4所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，同時採用所述的位移傳感器和載荷傳感器對加載過程進行記錄。
8.根據權利要求7所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述位移傳感器所採用的測量精度的解析度為0. 001mm、量程為40mm。
9.根據權利要求7所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述載荷傳感器所採用的測量精度的解析度為0. 1N、量程為10000N。
10.根據權利要求2所述的一種對地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，其特徵在於，所述加載單元還包括有在每個固定端上設置墊塊。
專利摘要本實用新型是地質軟材料的複雜變形的模擬加載及測量系統，包括加載單元，用於接收控制單元的信號，根據信號並配合變形測量單元的結果對被測的試件進行加載操作，同時反饋加載信息給控制單元；控制單元，用於控制所述加載單元和變形測量單元，並接收加載單元反饋的加載信息和變形測量單元反饋的該試件表面的變形信息；變形測量單元，用於接收控制單元的信號，根據信號配合加載單元對試件進行加載受到規定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數字散斑圖像，分析數字散斑圖像並反饋該試件表面的變形信息給控制單元。實現桌面化小型的地質軟材料複雜變形模擬加載及測量的系統，可方便實現地質軟材料複雜變形的模擬及全場變形的定量準確測量。
文檔編號G01N33/24GK202153223SQ201120262379
公開日2012年2月29日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者劉力強, 康永軍, 曹彥彥, 郭玲莉, 馬少鵬, 馬沁巍 申請人:中國地震局地質研究所, 北京理工大學