基于二维数字图像相关法的颗粒物的应变测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于二维数字图像相关法的颗粒物的应变测试装置及方法，是应用于计算机视觉技术的一种图像测量方法，属于颗粒物质实验检测技术领域。
【背景技术】
[0002]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宄，但是对其物理机制的研宄是最近20年来才逐渐得到重视的。颗粒固体中力分布规律的研宄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，要研宄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。例如对于一般使用的电阻应变片接触式测量方法，受其测量手段的限制，不能得到全场数据，且测量范围有限，不能得到物体整体上的变形规律。
[0003]②非接触式检测方法，包括干涉测量技术(例如全息照相干涉法，散斑千涉法)和非干涉技术(例如网格法和数字图像相关测量法)。由于干涉测量技术要求有相干光源，光路复杂，且测量结果易受外界震动的影响，多在具有隔振台的实验室中进行，应用范围受到了极大的限制。而非干涉测量技术是通过对比变形前后物体表面的灰度强度来决定表面变形量，对光源和测量环境要求较低。
[0004]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宄，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】
[0005]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(2D-DIC)的颗粒物质单轴压缩过程的多自由度自动应变测试装置。较现有的技术不仅提高了检测的自动化程度，使检测过程更加可控，结果更加准确；同时也增加了自由度，可实现多角度拍摄。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。同时，摄像头在水平面上的移动通过两个引动器直接进行调节，避免了手调时带来的误差。摄像头采用了球铰链的安装方式，使摄像头可以多角度拍摄，提高了操作者可控性。通过设计不同排布的颗粒样品进行实验，以研宄颗粒配位数对颗粒体系应变和几何结构特性的影响。
[0006]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0007]基于二维数字图像相关法的颗粒物的应变测试装置，包括加载装置、测试装置、驱动装置和采集装置，所述加载装置通过加力块对设置在测试装置中的颗粒样品进行单轴压缩试验，所述测试装置为容积可变、加载后侧板可打开的装夹盒，颗粒样品依次排布在装夹盒内；所述采集装置用于进行测试装置内颗粒样品的图像采集，所述驱动装置驱动所述采集装置进行运动；
[0008]所述装夹盒包括主板、左侧板、右侧板、左合页和右合页，所述主板底面和正面开有螺纹孔，左侧板和右侧板的底面和正面开有通槽，所述主板的螺纹孔与左侧板和右侧板的通槽一一对应且通过螺栓连接，并实现装夹盒容积的无极调节；所述左合页和右合页分别固定在左侧板和右侧板上；通过转动左合页和右合页使颗粒样品暴露出来便于采集装置进行图像米集；
[0009]所述驱动装置包括自带电机的X向引动器、自带电机的Y向引动器、工作台、引动器连接板和螺旋升降装置，Y向引动器固定在工作台上，X向引动器和Y向引动器通过引动器连接板连接且呈十字形分布，所述螺旋升降装置固定在Y向引动器的滑块上；
[0010]所述采集装置包括CCD摄像头、成像镜头、光源和计算机，所述CCD摄像头通过球铰链固定在螺旋升降装置的顶部，所述成像镜头安装在CCD摄像头上，并通过数据线与计算机相连；所述光源通过支座固定在工作台上。
[0011]进一步的，所述主板底面和正面开有M8的螺纹孔，所述左侧板和右侧板底面开有直径D = 9的通槽。
[0012]进一步的，所述装夹盒的容积无极调节方式为通过螺栓预紧，实现左侧板和右侧板的固定；将螺栓旋松，实现左侧板和右侧板的无级调节。
[0013]进一步的，所述螺栓升降装置通过螺栓固定在Y向引动器的滑块上，所述螺栓升降装置包括螺旋套筒和螺柱，CCD摄像头通过球铰链固定在螺柱上。
[0014]基于二维数字图像相关法的颗粒物的应变测试方法，包括如下步骤:
[0015](I)颗粒样品的制备和装夹；颗粒样品由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装夹盒中，由于装夹盒可无极调节，加载后转动左合页和右合页使颗粒样品暴露出来便于两个摄像头拍摄采集，因而颗粒样品能够以任意的排布方式获得上述所没有列举出的其它配位数。
[0016](2)通过调节驱动装置调节CCD摄像头在水平面上的位置，同时微调螺旋升降装置和球铰链，以达到操作者所需要的工作位置和角度，采集到变形前后测试装置表面的数字图像。
[0017](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。
[0018](4)再次检查仪器和系统，确保各方面正常工作，开启加载装置，进行颗粒样品的单轴压缩试验，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计算机中建立的文件夹中。
[0019](5)最后通过数字图像相关法处理分析采集到的图像，得到颗粒样品在单轴压缩过程中的位移场与应变场。
[0020]本发明所述的X向引动器和Y向引动器均采用电机驱动，提高了自动化程度和操作的精确度。
[0021]本发明所述的基于二维数字图像相关法的颗粒物的应变测试方法，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。
[0022]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。
[0023]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，通过电机控制引动器的移动以调节摄像头的位置，摄像头与平台采用球铰链连接，大大提高了自动化程度和精确性，同时增加了可调节的自由度。通过设计不同排布的颗粒样品进行实验，以研宄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】
[0024]图1是本发明整体结构示意图；
[0025]图2是颗粒配位数为6的样品排布示意图；
[0026]图3是颗粒配位数为4的样品排布示意图；