專利名稱：地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對地質(zhì)軟材料的變形進(jìn)行模擬加載及測量的系統(tǒng)，尤其是，涉及一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地殼巖石在構(gòu)造運(yùn)動的長期作用下會發(fā)生非常復(fù)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；二是加載過程比較復(fù)雜，屬多方向且時變的非穩(wěn)定加載。在這種復(fù)雜作用下，地殼巖石介質(zhì)會發(fā)生非常復(fù)雜的變形和破裂。認(rèn)識這種復(fù)雜變形過程對于地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成機(jī)制的認(rèn)識有重要意義，因而對各種礦產(chǎn)及油氣勘探、地震機(jī)理及預(yù)測等都非常重要。在實驗研究領(lǐng)域，為模擬這種漫長的變形過程，常依據(jù)相似律準(zhǔn)則，在實驗室條件下通過對相似的地質(zhì)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(guān)鍵問題需要解決首先，要在實驗中實現(xiàn)對相似的地質(zhì)軟材料的多軸精確加載，并要實現(xiàn)加載過程的時變控制， 以及一段時間內(nèi)穩(wěn)定加載過程的準(zhǔn)確保持；其次，要實現(xiàn)對變形過程的定量觀測；再次，實時的采集信息并反饋信息。而現(xiàn)有研究中常采用簡易的手動加載裝置對模擬材料進(jìn)行加載，然后用肉眼對變形過程進(jìn)行觀察和描述?，F(xiàn)有的手動加載這種粗放式的實驗方式在準(zhǔn)確性、多軸、時變、穩(wěn)定性和長期大量實驗方面不滿足科學(xué)研究的精確性、復(fù)雜性、重復(fù)性等要求?，F(xiàn)有成熟的加載設(shè)備如MTS力學(xué)測試與模擬(Mechanical testing and simulation)試驗機(jī)，雖可滿足精確性要求，但其結(jié)構(gòu)和能耗大不適于長期運(yùn)行，且需要復(fù)雜的伺服控制系統(tǒng)，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(guān)鍵問題并實現(xiàn)相應(yīng)的效果，便成為關(guān)鍵內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了實驗中無法對地質(zhì)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，本發(fā)明提供了一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，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，用于接收所述控制單元的信號，根據(jù)該信號配合所述變形測量單元對被測的試件進(jìn)行加載操作，并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，用于控制所述加載單元和變形測量單元，并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(nèi)容選擇合適的加載速率和采集速率；所述變形測量單元，與所述控制單元相耦接，用于接收所述控制單元的信號，根據(jù)信號配合所述加載單元對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，分析所得散斑圖像并反饋該試件表面的變形信息給所述控制單兀。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的測量系統(tǒng)，其中，所述加載單元包括兩個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)置在所述加載子單元上。進(jìn)一步地，其中，所述加載子單元包括兩個側(cè)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(cè)力板與四個立柱垂直連接并設(shè)置在四個立柱的兩端，同時在一個所述側(cè)力板上設(shè)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(shè)置，所述傳感器設(shè)置在另一個側(cè)力板上，并且該自鎖型電動推桿端部設(shè)置的主動壓頭與所述傳感器上設(shè)置的被動壓頭處于一條直線上。進(jìn)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(shè)置于電動推桿下部主動壓頭和被動壓頭之間，載荷傳感器設(shè)置在被動壓頭與側(cè)力板之間，并且該自鎖型電動推桿端部設(shè)置的主動壓頭與所述載荷傳感器上設(shè)置的被動壓頭處于一條直線上。進(jìn)一步地，其中，所述變形測量單元包括C⑶相機(jī)、鏡頭以及DSCM測量分析模塊； 其中，所述CCD相機(jī)與鏡頭相連接，所述CCD相機(jī)以及鏡頭用于在所述加載子單元對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，所述相機(jī)的數(shù)據(jù)線用于把采集到的數(shù)字散斑圖像傳輸?shù)剿鯠SCM測量分析模塊內(nèi)。進(jìn)一步地，其中，所述控制單元包括加載單元控制器、圖像采集觸發(fā)器和包含有所述DSCM測量分析模塊的計算機(jī)；其中，所述加載單元控制器，與所述計算機(jī)和圖像采集觸發(fā)器相連接，用于接收所述計算機(jī)的指示，根據(jù)指示信息指示所述圖像采集觸發(fā)器進(jìn)行操作獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，同時根據(jù)指示信息發(fā)送加載信號給所述加載單元對被測的試件進(jìn)行加載，然后根據(jù)傳回的反饋信號對所述加載單元進(jìn)行伺服控制，同時記錄位移和所述載荷傳感器的數(shù)據(jù)， 并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給所述計算機(jī)；所述圖像采集觸發(fā)器，與所述加載單元控制器相連接，用于接收該加載單元控制器的指示，開啟所述CCD相機(jī)用于在所述加載子單元對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像；所述計算機(jī)，與所述加載單元控制器和圖像采集觸發(fā)器相連接，用于指示所述加載單元控制器和圖像采集觸發(fā)器對被測的試件進(jìn)行加載，并接收、存儲所述加載單元控制器反饋的加載信息以及相機(jī)所采集的數(shù)字散斑圖像，且動態(tài)顯示分析結(jié)果，根據(jù)動態(tài)分析結(jié)果再動態(tài)調(diào)整圖像采集速率，通過所述計算機(jī)中的DSCM測量分析模塊對得到的所述數(shù)字散斑圖像進(jìn)行相關(guān)匹配計算，獲取該被測的試件變形場信息，并將該變形場信息整理保存成一個完整數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲。進(jìn)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(jìn)一步地，其中，所述位移傳感器所采用的測量精度的分辨率為0. 001mm、量程為 40mm ο進(jìn)一步地，其中，所述載荷傳感器所采用的測量精度的分辨率為0. 1N、量程為 IOOOONo
進(jìn)一步地，其中，所述加載單元還包括有在每個固定端上設(shè)置墊塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的地質(zhì)軟材料復(fù)雜變形的測量系統(tǒng)具有如下特點1、實現(xiàn)了一種桌面化小型的地質(zhì)軟材料復(fù)雜變形模擬加載及測量的系統(tǒng)，可方便實現(xiàn)地質(zhì)相似材料長時間的、雙軸、復(fù)雜時間過程的自動準(zhǔn)確加載，并實現(xiàn)全場變形的定量準(zhǔn)確測量，為研究復(fù)雜地質(zhì)變形過程提供了一種方便而功能強(qiáng)大的實驗系統(tǒng)。2、采用了自鎖型電動推桿作為位移加載設(shè)備，在小型化的同時，實現(xiàn)了位移加載的準(zhǔn)確化、簡易化和低能耗。3、發(fā)展了一種基于變形過程數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)臄?shù)字散斑圖像相關(guān)方法變形測量方案，配合本系統(tǒng)中的變形測量單元，可完成軟材料復(fù)雜變形的全場定量測量。4、本發(fā)明所述系統(tǒng)的加載單元與變形測量單元的有機(jī)結(jié)合，按加載過程設(shè)置圖像采集速率并動態(tài)調(diào)整的方式，大大節(jié)省了存儲空間和數(shù)據(jù)處理時間。


圖1為本發(fā)明實施例一所述地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明實施例一所述的系統(tǒng)中的加載單元1具體結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施例一中所述加載子單元11的側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明實施例一所述的系統(tǒng)中的各組成部分的連接結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不作為對本發(fā)明的限定。如圖1所示，為本發(fā)明實施例一所述的地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)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 (也可稱為圖像采集和處理單元)。其中，加載單元1目的是實現(xiàn)對軟材料的被測的試件可控精確加載，可實現(xiàn)雙軸，時變?nèi)我夥桨讣虞d，加載過程準(zhǔn)確可控，速度保持穩(wěn)定，并且能夠使加載系統(tǒng)小型化?？刂茊卧?目的是實現(xiàn)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(xiàn)對變形場的定量觀測，采用DSCM方法。采用了基于變形實時分析的采集速度調(diào)節(jié)技術(shù)和相關(guān)算法。如圖2所示，本發(fā)明實施例一所述的系統(tǒng)中的加載單元1具體結(jié)構(gòu)，其中，該加載單元1主要包括兩個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)置在所述加載子單元11上，并且固定端13上還可以設(shè)置有墊塊，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚墊塊的位置，因此附圖2中并沒有示出。如圖3所示，為實施例一中的加載子單元11的側(cè)視圖，該加載子單元11包括兩個側(cè)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(cè)力板111與四個立柱112垂直連接并設(shè)置在四個立柱112的兩端，同時在一個所述側(cè)力板111上設(shè)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(shè)置，位移傳感器116和載荷傳感器117設(shè)置在另一個側(cè)力板 111上，并且自鎖型電動推桿113端部設(shè)置的主動壓頭114與載荷傳感器117上設(shè)置的被動
6壓頭115處于一條直線上。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(dāng)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(yùn)動，夾持其間的試件并加載。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(jié)構(gòu)是相同的，向同一個地質(zhì)軟材料試件施加測試載荷， 相應(yīng)的兩對主動壓頭114和被動壓頭115的相向運(yùn)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(xiàn)了雙向加載。在實際環(huán)境中的地質(zhì)材料受力情況一般可歸結(jié)為雙向受力，因此，本發(fā)明中同時向地質(zhì)軟材料試件施加兩個方向的測試載荷比常規(guī)地現(xiàn)有技術(shù)中僅施加一個方向的測試載荷更接近于實際情況。本發(fā)明采用了的自鎖性電動推桿113提供動力進(jìn)行加載，自鎖性電動推桿113能夠按要求以一定的速度連續(xù)行進(jìn)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(xiàn)復(fù)雜的加載和保持過程。能夠模擬地質(zhì)軟材料的復(fù)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(wěn)定的維持位置，這一特點使得本發(fā)明在提供長期穩(wěn)定的加載時，省去常規(guī)伺服壓機(jī)在位移保持時的不間斷調(diào)節(jié)操作，在保持位移加載穩(wěn)定性時同時節(jié)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(fā)生變化，因此也需要應(yīng)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(shè)置有上述兩個傳感器。兩個傳感器的具體精度差異根據(jù)實際測量情況而定，如果采用一個控制電路選擇應(yīng)用上述兩個傳感器，可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的移動速度閾值ζ選擇。例如，主動壓頭114的移動速度大于閾值ζ時采用測量精度低的傳感器，即載荷傳感器所采用的測量精度的分辨率為0. 1N、量程為10000N ；主動壓頭114的移動速度小于等于閾值ζ時采用測量精度高的傳感器，即位移傳感器所采用的測量精度分辨率為0. 001mm、量程為40mm。如圖4所示，變形測量單元3(也可稱為圖像采集和處理單元)由 CCD (Charge-coupled Device，電荷耦合元件)相機(jī)31、鏡頭32以及DSCM數(shù)字散斑相關(guān)方法(digital speckle correlation method)測量分析模塊(33內(nèi))組成；其中，所述CCD 相機(jī)31與鏡頭32相連接，所述CCD相機(jī)31以及鏡頭32用于在所述加載子單元113對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，鏡頭32的數(shù)據(jù)線用于把采集到的數(shù)字散斑圖像傳輸?shù)娇刂茊卧?中的計算機(jī)23內(nèi)設(shè)置的 DSCM測量分析模塊33上，另外，DSCM測量分析模塊03內(nèi))用于存儲數(shù)字散斑圖像以及控制CCD相機(jī)31的采集狀態(tài)。DSCM測量分析模塊03內(nèi))對得到的所述數(shù)字散斑圖像進(jìn)行相關(guān)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(tài)下的數(shù)字散斑圖像上的幾何點，跟蹤點的運(yùn)動從而獲得物體表面變形信息。目前現(xiàn)有的DSCM都集中于脆性材料小變形的測量，與之對應(yīng)的，DSCM中的匹配搜索算法也都是針對小變形情況的。因此，不能用于本系統(tǒng)中的對試件的大變形測量。本發(fā)明實施例一中的 DSCM是在現(xiàn)有DSCM基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種用于對試件進(jìn)行大變形測量的連續(xù)剛體位移補(bǔ)償?shù)腄SCM。需要說明的是，所謂散斑是指在試件表面預(yù)先噴涂上色斑(也稱為散斑)，在試件受到載荷發(fā)生變形的過程中連續(xù)獲取試件表面(噴涂色斑的表面)的數(shù)字圖像。所述連續(xù)剛體位移補(bǔ)償DSCM是一種基于拍攝圖像的連續(xù)性而進(jìn)行連續(xù)剛體位移補(bǔ)償?shù)腄SCM。試驗中如果連續(xù)采集圖散斑像，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，一般位于傳統(tǒng)DSCM的搜索范圍內(nèi)，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(bǔ)償值對各計算點的匹配初始位置進(jìn)行調(diào)整，從而使所有計算點匹配搜索的初始位置變?yōu)橛嬎泓c在上一張變形圖像上的坐標(biāo)位置。最后在調(diào)整后的初始搜索位置使用三步甚至兩步或一步搜索法進(jìn)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、圖像采集觸發(fā)器22和包含有 DSCM測量分析模塊33的計算機(jī)23 ；其中，加載單元控制器21，用于接收計算機(jī)23的指示，根據(jù)指示信息指示圖像采集觸發(fā)器22開啟所述CCD相機(jī)31和鏡頭32用于在所述加載子單元113對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，并根據(jù)指示信息發(fā)送加載信號給所述加載單元1對被測的試件進(jìn)行加載，然后根據(jù)傳回的反饋信號對加載單元 1進(jìn)行伺服控制，同時記錄位移和載荷傳感器117的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)23 ；圖像采集觸發(fā)器22，用于接收加載單元控制器21的指示，開啟所述CXD相機(jī)31用于在所述加載子單元113對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像；計算機(jī)23，用于指示加載單元控制器21和圖像采集觸發(fā)器22對所述加載單元1 中的被測的試件進(jìn)行加載，并接收、存儲所述加載單元控制器21反饋的加載信息以及相機(jī) 31反饋的所采集的數(shù)字散斑圖像的信息，且動態(tài)顯示分析結(jié)果，根據(jù)動態(tài)分析結(jié)果再動態(tài)調(diào)整圖像采集速度，通過所述DSCM測量分析模塊03內(nèi))對得到的所述數(shù)字散斑圖像進(jìn)行相關(guān)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(shù)據(jù))，并將變形場信息整理保存成一個完整數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲。本發(fā)明根據(jù)實施例一的結(jié)構(gòu)制作完成后，對地質(zhì)軟材料類的被測的試件進(jìn)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(jī)31上，再把CXD相機(jī)31通過數(shù)據(jù)線連接到計算機(jī)23上；第三，通過控制單元2上的計算機(jī)23調(diào)節(jié)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(jī)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(yùn)行，自鎖性電動推桿113推動主動壓頭114對試件進(jìn)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，并通過控制單元2上的圖像采集觸發(fā)器22和計算機(jī)23來設(shè)置變形測量單元3 中CCD相機(jī)31的采集速率，并將采集速率存儲在計算機(jī)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采集速
8率對試件進(jìn)行加載及其圖像采集，并存儲在計算機(jī)23中；第七，計算機(jī)23對采集的該試件表面的數(shù)字散斑圖像使用DSCM測量分析模塊(23 內(nèi))中新發(fā)展的連續(xù)剛體位移補(bǔ)償DSCM進(jìn)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(shù)據(jù))。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)， 具有如下特點1、實現(xiàn)了一種桌面化小型的地質(zhì)軟材料復(fù)雜變形模擬加載及測量的系統(tǒng)，可方便實現(xiàn)地質(zhì)相似材料長時間的、雙軸、復(fù)雜時間過程的自動準(zhǔn)確加載，并實現(xiàn)全場變形的定量準(zhǔn)確測量，為研究復(fù)雜地質(zhì)變形過程提供了一種方便而功能強(qiáng)大的實驗系統(tǒng)。2、采用了自鎖型電動推桿作為位移加載設(shè)備，在小型化的同時，實現(xiàn)了位移加載的準(zhǔn)確化、簡易化和低能耗。3、發(fā)展了一種基于變形過程數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)臄?shù)字散斑圖像相關(guān)方法變形測量方案，配合本系統(tǒng)中的變形測量單元，可完成軟材料的變形定量測量。4、本發(fā)明所述系統(tǒng)的加載單元與變形測量單元的有機(jī)結(jié)合，按加載過程設(shè)置圖像采集速率并動態(tài)調(diào)整的方式，大大節(jié)省了存儲空間和數(shù)據(jù)處理時間。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，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，用于接收所述控制單元的信號，根據(jù)該信號配合所述變形測量單元對被測的試件進(jìn)行加載操作，并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，用于控制所述加載單元和變形測量單元，并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(shù)字散斑圖像，通過上述內(nèi)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，用于接收所述控制單元的信號，根據(jù)信號配合所述加載單元對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，分析所得散斑圖像并反饋該試件表面的變形信息給所述控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述加載單元包括兩個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)置在所述加載子單元上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述加載子單元包括兩個側(cè)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(cè)力板與四個立柱垂直連接并設(shè)置在四個立柱的兩端， 同時在一個所述側(cè)力板上設(shè)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(shè)置，所述傳感器設(shè)置在另一個側(cè)力板上，并且該自鎖型電動推桿端部設(shè)置的主動壓頭與所述傳感器上設(shè)置的被動壓頭處于一條直線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，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(shè)置于電動推桿下部主動壓頭和被動壓頭之間，載荷傳感器設(shè)置在被動壓頭與側(cè)力板之間，并且該自鎖型電動推桿端部設(shè)置的主動壓頭與所述載荷傳感器上設(shè)置的被動壓頭處于一條直線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述變形測量單元包括CCD相機(jī)、鏡頭以及DSCM測量分析模塊；其中，所述CCD相機(jī)與鏡頭相連接，所述CCD相機(jī)以及鏡頭用于在所述加載子單元對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，所述相機(jī)的數(shù)據(jù)線用于把采集到的數(shù)字散斑圖像傳輸?shù)剿鯠SCM測量分析模塊內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元包括加載單元控制器、圖像采集觸發(fā)器和包含有所述DSCM測量分析模塊的計算機(jī)；其中，所述加載單元控制器，與所述計算機(jī)和圖像采集觸發(fā)器相連接，用于接收所述計算機(jī)的指示，根據(jù)指示信息指示所述圖像采集觸發(fā)器進(jìn)行操作獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，同時根據(jù)散斑場計算結(jié)果反饋信息給所述加載單元以調(diào)整被測的試件的加載速率，然后根據(jù)傳回的反饋信號對所述加載單元進(jìn)行伺服控制，同時記錄位移和載荷數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給所述計算機(jī)；所述圖像采集觸發(fā)器，與所述加載單元控制器相連接，用于接收該加載單元控制器的指示，開啟所述CCD相機(jī)用于在所述加載子單元對被測的試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像；所述計算機(jī)，與所述加載單元控制器和圖像采集觸發(fā)器相連接，用于指示所述加載單元控制器和圖像采集觸發(fā)器對被測的試件進(jìn)行加載，并接收、存儲所述加載單元控制器反饋的加載信息以及相機(jī)所采集的數(shù)字散斑圖像，且動態(tài)顯示分析結(jié)果，根據(jù)動態(tài)分析結(jié)果再動態(tài)調(diào)整圖像采集速率，通過所述計算機(jī)中的DSCM測量分析模塊對得到的所述數(shù)字散斑圖像進(jìn)行相關(guān)匹配計算，獲取該被測的試件變形場信息，并將該變形場信息整理保存成一個完整數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，同時采用所述的位移傳感器和載荷傳感器對加載過程進(jìn)行記錄。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳感器所采用的測量精度的分辨率為0. 001mm、量程為40mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述載荷傳感器所采用的測量精度的分辨率為0. 1N、量程為10000N。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，其特征在于，所述加載單元還包括有在每個固定端上設(shè)置墊塊。
全文摘要
本發(fā)明是對地質(zhì)軟材料的復(fù)雜變形的模擬加載及測量系統(tǒng)，包括加載單元，用于接收控制單元的信號，根據(jù)信號并配合變形測量單元的結(jié)果對被測的試件進(jìn)行加載操作，同時反饋加載信息給控制單元；控制單元，用于控制所述加載單元和變形測量單元，并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，用于接收控制單元的信號，根據(jù)信號配合加載單元對試件進(jìn)行加載受到規(guī)定位移作用時，按時間順序獲取該試件表面的數(shù)字散斑圖像，分析數(shù)字散斑圖像并反饋該試件表面的變形信息給控制單元。本發(fā)明實現(xiàn)桌面化小型的地質(zhì)軟材料復(fù)雜變形模擬加載及測量的系統(tǒng)，可方便實現(xiàn)地質(zhì)軟材料復(fù)雜變形的模擬及全場變形的定量準(zhǔn)確測量。
文檔編號G01B11/16GK102288124SQ20111020741
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者劉力強(qiáng), 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(zhì)研究所, 北京理工大學(xué)