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专利名称：地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对地质软材料的变形进行模拟加载及测量的系统，尤其是，涉及一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统。
背景技术：
地壳岩石在构造运动的长期作用下会发生非常复杂的变形和破坏，这一过程具有两个鲜明特点一是作用过程非常漫长，其作用时间常以百万年计；二是加载过程比较复杂，属多方向且时变的非稳定加载。在这种复杂作用下，地壳岩石介质会发生非常复杂的变形和破裂。认识这种复杂变形过程对于地质结构形成机制的认识有重要意义，因而对各种矿产及油气勘探、地震机理及预测等都非常重要。在实验研究领域，为模拟这种漫长的变形过程，常依据相似律准则，在实验室条件下通过对相似的地质软材料的慢速加载来模拟和研究上述变形过程。容易想到，在这种相似材料模拟研究中，有三个关键问题需要解决首先，要在实验中实现对相似的地质软材料的多轴精确加载，并要实现加载过程的时变控制， 以及一段时间内稳定加载过程的准确保持；其次，要实现对变形过程的定量观测；再次，实时的采集信息并反馈信息。而现有研究中常采用简易的手动加载装置对模拟材料进行加载，然后用肉眼对变形过程进行观察和描述。现有的手动加载这种粗放式的实验方式在准确性、多轴、时变、稳定性和长期大量实验方面不满足科学研究的精确性、复杂性、重复性等要求。现有成熟的加载设备如MTS力学测试与模拟(Mechanical testing and simulation)试验机，虽可满足精确性要求，但其结构和能耗大不适于长期运行，且需要复杂的伺服控制系统，大大增加了实验资金需求和耗能成本。所以如何解决上述三点关键问题并实现相应的效果，便成为关键内容。

发明内容
本发明提供了一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，该系统解决了实验中无法对地质软材料等材料的多轴精确加载、时变可控问题以及定量观测等问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其中，包括加载单元、控制单元和变形测量单元；其中，所述加载单元，与所述控制单元相耦接，用于接收所述控制单元的信号，根据该信号配合所述变形测量单元对被测的试件进行加载操作，并反馈加载信息给所述控制单元；所述控制单元，与所述加载单元和变形测量单元相耦接，用于控制所述加载单元和变形测量单元，并接收所述加载单元反馈的加载信息和变形测量单元反馈的该试件表面的变形信息，通过上述内容选择合适的加载速率和采集速率；所述变形测量单元，与所述控制单元相耦接，用于接收所述控制单元的信号，根据信号配合所述加载单元对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，分析所得散斑图像并反馈该试件表面的变形信息给所述控制单兀。进一步地，本发明所述的一种对地质软材料的复杂变形的测量系统，其中，所述加载单元包括两个结构相同但方向垂直的加载子单元、一加载框架平台和四个固定端；其中，所述两个结构相同但方向垂直的加载子单元与所述加载框架平台相连接，所述四个固定端设置在所述加载子单元上。进一步地，其中，所述加载子单元包括两个侧力板、四个立柱、自锁型电动推杆、 主动压头、被动压头和传感器；其中所述两个所述侧力板与四个立柱垂直连接并设置在四个立柱的两端，同时在一个所述侧力板上设置所述自锁型电动推杆，该自锁型电动推杆与四个立柱平行设置，所述传感器设置在另一个侧力板上，并且该自锁型电动推杆端部设置的主动压头与所述传感器上设置的被动压头处于一条直线上。进一步地，其中，所述传感器包括位移传感器和载荷传感器；其中，位移传感器设置于电动推杆下部主动压头和被动压头之间，载荷传感器设置在被动压头与侧力板之间，并且该自锁型电动推杆端部设置的主动压头与所述载荷传感器上设置的被动压头处于一条直线上。进一步地，其中，所述变形测量单元包括C⑶相机、镜头以及DSCM测量分析�？椋� 其中，所述CCD相机与镜头相连接，所述CCD相机以及镜头用于在所述加载子单元对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，所述相机的数据线用于把采集到的数字散斑图像传输到所述DSCM测量分析模块内。进一步地，其中，所述控制单元包括加载单元控制器、图像采集触发器和包含有所述DSCM测量分析模块的计算机；其中，所述加载单元控制器，与所述计算机和图像采集触发器相连接，用于接收所述计算机的指示，根据指示信息指示所述图像采集触发器进行操作获取该试件表面的数字散斑图像，同时根据指示信息发送加载信号给所述加载单元对被测的试件进行加载，然后根据传回的反馈信号对所述加载单元进行伺服控制，同时记录位移和所述载荷传感器的数据， 并将该数据发送给所述计算机；所述图像采集触发器，与所述加载单元控制器相连接，用于接收该加载单元控制器的指示，开启所述CCD相机用于在所述加载子单元对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像；所述计算机，与所述加载单元控制器和图像采集触发器相连接，用于指示所述加载单元控制器和图像采集触发器对被测的试件进行加载，并接收、存储所述加载单元控制器反馈的加载信息以及相机所采集的数字散斑图像，且动态显示分析结果，根据动态分析结果再动态调整图像采集速率，通过所述计算机中的DSCM测量分析�？槎缘玫降乃鍪稚咄枷窠邢喙仄ヅ浼扑悖袢「帽徊獾氖约湫纬⌒畔ⅲ⒔帽湫纬⌒畔⒄肀４娉梢桓鐾暾菸募写娲�。进一步地，其中，所述位移传感器和载荷传感器同时记录加载过程中的加载信息。进一步地，其中，所述位移传感器所采用的测量精度的分辨率为0. 001mm、量程为 40mm ο进一步地，其中，所述载荷传感器所采用的测量精度的分辨率为0. 1N、量程为 IOOOONo
进一步地，其中，所述加载单元还包括有在每个固定端上设置垫块。与现有技术相比，本发明所述的地质软材料复杂变形的测量系统具有如下特点1、实现了一种桌面化小型的地质软材料复杂变形模拟加载及测量的系统，可方便实现地质相似材料长时间的、双轴、复杂时间过程的自动准确加载，并实现全场变形的定量准确测量，为研究复杂地质变形过程提供了一种方便而功能强大的实验系统。2、采用了自锁型电动推杆作为位移加载设备，在小型化的同时，实现了位移加载的准确化、简易化和低能耗。3、发展了一种基于变形过程数据补偿的数字散斑图像相关方法变形测量方案，配合本系统中的变形测量单元，可完成软材料复杂变形的全场定量测量。4、本发明所述系统的加载单元与变形测量单元的有机结合，按加载过程设置图像采集速率并动态调整的方式，大大节省了存储空间和数据处理时间。


图1为本发明实施例一所述地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统的结构框图；图2为本发明实施例一所述的系统中的加载单元1具体结构图；图3为本发明实施例一中所述加载子单元11的侧视图；图4为本发明实施例一所述的系统中的各组成部分的连接结构图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。如图1所示，为本发明实施例一所述的地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，该系统由三个单元组成，分别为加载单元1 (也可称为变形模拟单元)，控制单元2和变形测量单元3 (也可称为图像采集和处理单元)。其中，加载单元1目的是实现对软材料的被测的试件可控精确加载，可实现双轴，时变任意方案加载，加载过程准确可控，速度保持稳定，并且能够使加载系统小型化。控制单元2目的是实现对加载单元1和变形测量单元3的控制。变形测量单元3目的是实现对变形场的定量观测，采用DSCM方法。采用了基于变形实时分析的采集速度调节技术和相关算法。如图2所示，本发明实施例一所述的系统中的加载单元1具体结构，其中，该加载单元1主要包括两个结构相同但方向垂直的加载子单元11、加载框架平台12、四个固定端 13和四个固定端上的垫块。所述的两个结构相同但方向垂直的加载子单元11与加载框架平台12相连接，所述固定端13设置在所述加载子单元11上，并且固定端13上还可以设置有垫块，由于本领域技术人员清楚垫块的位置，因此附图2中并没有示出。如图3所示，为实施例一中的加载子单元11的侧视图，该加载子单元11包括两个侧力板111、四个立柱112、自锁型电动推杆113、主动压头114、被动压头115、位移传感器 116和载荷传感器117。其中，两个所述侧力板111与四个立柱112垂直连接并设置在四个立柱112的两端，同时在一个所述侧力板111上设置有自锁型电动推杆113，自锁型电动推杆113与四个立柱112平行设置，位移传感器116和载荷传感器117设置在另一个侧力板 111上，并且自锁型电动推杆113端部设置的主动压头114与载荷传感器117上设置的被动
6压头115处于一条直线上。加载子单元11的具体工作工程为加载子单元11中的主要动力源为自锁性电动推杆113，当加载子单元11开始工作时，由其上的自锁性电动推杆113带动主动压头114按实验要求，以位移控制方式向被动压头115方向运动，夹持其间的试件并加载。加载过程中主动压头114的位移量由位移传感器116测得，被测的试件所承受载荷大小通过载荷传感器117测得。两个加载子单元11的结构是相同的，向同一个地质软材料试件施加测试载荷， 相应的两对主动压头114和被动压头115的相向运动轨迹是垂直的，或者说这两个加载子单元11施加的测试载荷的力的方向是垂直的，这样实现了双向加载。在实际环境中的地质材料受力情况一般可归结为双向受力，因此，本发明中同时向地质软材料试件施加两个方向的测试载荷比常规地现有技术中仅施加一个方向的测试载荷更接近于实际情况。本发明采用了的自锁性电动推杆113提供动力进行加载，自锁性电动推杆113能够按要求以一定的速度连续行进推动压头移动，也可以自锁以保持位置。 因此，两个加载子单元均可实现复杂的加载和保持过程。能够模拟地质软材料的复杂加载过程。本实施例中的自锁性电动推杆113能够在不需要动力的情况下稳定的维持位置，这一特点使得本发明在提供长期稳定的加载时，省去常规伺服压机在位移保持时的不间断调节操作，在保持位移加载稳定性时同时节省了能耗。另外，在向软材料被测的试件施加测试载荷过程中也会有变化测试载荷的情况， 这也有可能引起主动压头114的移动速度发生变化，因此也需要应用具有不同测量精度的位移传感器116和不同测量精度的载荷传感器117，在每个所述加载子单元上设置有上述两个传感器。两个传感器的具体精度差异根据实际测量情况而定，如果采用一个控制电路选择应用上述两个传感器，可根据预先设置的移动速度阈值ζ选择。例如，主动压头114的移动速度大于阈值ζ时采用测量精度低的传感器，即载荷传感器所采用的测量精度的分辨率为0. 1N、量程为10000N ；主动压头114的移动速度小于等于阈值ζ时采用测量精度高的传感器，即位移传感器所采用的测量精度分辨率为0. 001mm、量程为40mm。如图4所示，变形测量单元3(也可称为图像采集和处理单元)由 CCD (Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机31、镜头32以及DSCM数字散斑相关方法(digital speckle correlation method)测量分析�？�(33内)组成；其中，所述CCD 相机31与镜头32相连接，所述CCD相机31以及镜头32用于在所述加载子单元113对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，镜头32的数据线用于把采集到的数字散斑图像传输到控制单元2中的计算机23内设置的 DSCM测量分析模块33上，另外，DSCM测量分析�？�03内)用于存储数字散斑图像以及控制CCD相机31的采集状态。DSCM测量分析�？�03内)对得到的所述数字散斑图像进行相关匹配计算，最终获取该被测的试件变形场信息。该DSCM的基本原理是匹配物体表面不同状态下的数字散斑图像上的几何点，跟踪点的运动从而获得物体表面变形信息。目前现有的DSCM都集中于脆性材料小变形的测量，与之对应的，DSCM中的匹配搜索算法也都是针对小变形情况的。因此，不能用于本系统中的对试件的大变形测量。本发明实施例一中的 DSCM是在现有DSCM基础上发展出来的一种用于对试件进行大变形测量的连续刚体位移补偿的DSCM。需要说明的是，所谓散斑是指在试件表面预先喷涂上色斑(也称为散斑)，在试件受到载荷发生变形的过程中连续获取试件表面(喷涂色斑的表面)的数字图像。所述连续刚体位移补偿DSCM是一种基于拍摄图像的连续性而进行连续刚体位移补偿的DSCM。试验中如果连续采集图散斑像，则所拍摄的图像时间间隔一般较短，两张相邻图像之间的位移差较�。话阄挥诖矰SCM的搜索范围内，因此选用上一张图像上各点的位移值作为下一张图像上各点匹配搜索初始位置的补偿值对各计算点的匹配初始位置进行调整，从而使所有计算点匹配搜索的初始位置变为计算点在上一张变形图像上的坐标位置。最后在调整后的初始搜索位置使用三步甚至两步或一步搜索法进行搜索，完成计算点的匹配搜索。如图4所示，控制单元2包括加载单元控制器21、图像采集触发器22和包含有 DSCM测量分析�？�33的计算机23 ；其中，加载单元控制器21，用于接收计算机23的指示，根据指示信息指示图像采集触发器22开启所述CCD相机31和镜头32用于在所述加载子单元113对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，并根据指示信息发送加载信号给所述加载单元1对被测的试件进行加载，然后根据传回的反馈信号对加载单元 1进行伺服控制，同时记录位移和载荷传感器117的数据，并将该数据发送给计算机23 ；图像采集触发器22，用于接收加载单元控制器21的指示，开启所述CXD相机31用于在所述加载子单元113对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像；计算机23，用于指示加载单元控制器21和图像采集触发器22对所述加载单元1 中的被测的试件进行加载，并接收、存储所述加载单元控制器21反馈的加载信息以及相机 31反馈的所采集的数字散斑图像的信息，且动态显示分析结果，根据动态分析结果再动态调整图像采集速度，通过所述DSCM测量分析�？�03内)对得到的所述数字散斑图像进行相关匹配计算，最终获取该被测的试件变形场信息(变形场信息包括载荷、位移、图像、变形等数据)，并将变形场信息整理保存成一个完整数据文件进行存储。本发明根据实施例一的结构制作完成后，对地质软材料类的被测的试件进行操作的具体步骤如下第一，首先在实验试件上喷制人工散斑，把试件放置到加载单元1中的加载子单元11上两个压头114和115之间的加载框架平台12上；第二，把变形测量单元3中的镜头32安装到CXD相机31上，再把CXD相机31通过数据线连接到计算机23上；第三，通过控制单元2上的计算机23调节变形测量单元3中的镜头32的焦距、光圈获得清晰的图像；第四，如图3所示，通过控制单元2上的计算机23和加载单元控制器21操作加载子单元11中的自锁性电动推杆113运行，自锁性电动推杆113推动主动压头114对试件进行加载；第五，控制单元2上的加载单元控制器21控制加载子单元11中主动压头114的加载速度，并通过控制单元2上的图像采集触发器22和计算机23来设置变形测量单元3 中CCD相机31的采集速率，并将采集速率存储在计算机23中；第六，控制单元2上的加载单元控制器21按照上一步中的加载速度和图像采集速
8率对试件进行加载及其图像采集，并存储在计算机23中；第七，计算机23对采集的该试件表面的数字散斑图像使用DSCM测量分析�？�(23 内)中新发展的连续刚体位移补偿DSCM进行计算，得到被测的试件的变形场信息(变形场信息包括载荷、位移、图像、变形等数据)。与现有技术相比，本发明所述的地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统， 具有如下特点1、实现了一种桌面化小型的地质软材料复杂变形模拟加载及测量的系统，可方便实现地质相似材料长时间的、双轴、复杂时间过程的自动准确加载，并实现全场变形的定量准确测量，为研究复杂地质变形过程提供了一种方便而功能强大的实验系统。2、采用了自锁型电动推杆作为位移加载设备，在小型化的同时，实现了位移加载的准确化、简易化和低能耗。3、发展了一种基于变形过程数据补偿的数字散斑图像相关方法变形测量方案，配合本系统中的变形测量单元，可完成软材料的变形定量测量。4、本发明所述系统的加载单元与变形测量单元的有机结合，按加载过程设置图像采集速率并动态调整的方式，大大节省了存储空间和数据处理时间。当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，包括加载单元、控制单元和变形测量单元；其中，所述加载单元，与所述控制单元相耦接，用于接收所述控制单元的信号，根据该信号配合所述变形测量单元对被测的试件进行加载操作，并反馈加载信息给所述控制单元；所述控制单元，与所述加载单元和变形测量单元相耦接，用于控制所述加载单元和变形测量单元，并接收所述加载单元反馈的加载信息和变形测量单元反馈的该试件表面的数字散斑图像，通过上述内容获取被测的试件变形场信息；所述变形测量单元，与所述控制单元相耦接，用于接收所述控制单元的信号，根据信号配合所述加载单元对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，分析所得散斑图像并反馈该试件表面的变形信息给所述控制单元。
2.根据权利要求1所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述加载单元包括两个结构相同但方向垂直的加载子单元、一个加载框架平台和四个固定端；其中，所述两个结构相同但方向垂直的加载子单元与所述加载框架平台相连接，所述四个固定端设置在所述加载子单元上。
3.根据权利要求1所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述加载子单元包括两个侧力板、四个立柱、自锁型电动推杆、主动压头、被动压头和传感器；其中所述两个所述侧力板与四个立柱垂直连接并设置在四个立柱的两端， 同时在一个所述侧力板上设置所述自锁型电动推杆，该自锁型电动推杆与四个立柱平行设置，所述传感器设置在另一个侧力板上，并且该自锁型电动推杆端部设置的主动压头与所述传感器上设置的被动压头处于一条直线上。
4.根据权利要求3所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述传感器包括位移传感器和载荷传感器；其中，位移传感器设置于电动推杆下部主动压头和被动压头之间，载荷传感器设置在被动压头与侧力板之间，并且该自锁型电动推杆端部设置的主动压头与所述载荷传感器上设置的被动压头处于一条直线上。
5.根据权利要求4所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述变形测量单元包括CCD相机、镜头以及DSCM测量分析模块；其中，所述CCD相机与镜头相连接，所述CCD相机以及镜头用于在所述加载子单元对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，所述相机的数据线用于把采集到的数字散斑图像传输到所述DSCM测量分析模块内。
6.根据权利要求5所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述控制单元包括加载单元控制器、图像采集触发器和包含有所述DSCM测量分析�？榈募扑慊黄渲校黾釉氐ピ刂破鳎胨黾扑慊屯枷癫杉シ⑵飨嗔樱糜诮邮账黾扑慊闹甘荆葜甘拘畔⒅甘舅鐾枷癫杉シ⑵鹘胁僮骰袢「檬约砻娴氖稚咄枷瘢备萆叱〖扑憬峁蠢⌒畔⒏黾釉氐ピ缘髡徊獾氖约募釉厮俾剩缓蟾荽氐姆蠢⌒藕哦运黾釉氐ピ兴欧刂疲奔锹嘉灰坪驮睾墒荩⒔檬莘⑺透黾扑慊凰鐾枷癫杉シ⑵鳎胨黾釉氐ピ刂破飨嗔樱糜诮邮崭眉釉氐ピ刂破鞯闹甘荆羲鯟CD相机用于在所述加载子单元对被测的试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像；所述计算机，与所述加载单元控制器和图像采集触发器相连接，用于指示所述加载单元控制器和图像采集触发器对被测的试件进行加载，并接收、存储所述加载单元控制器反馈的加载信息以及相机所采集的数字散斑图像，且动态显示分析结果，根据动态分析结果再动态调整图像采集速率，通过所述计算机中的DSCM测量分析�？槎缘玫降乃鍪稚咄枷窠邢喙仄ヅ浼扑悖袢「帽徊獾氖约湫纬⌒畔ⅲ⒔帽湫纬⌒畔⒄肀４娉梢桓鐾暾菸募写娲�。
7.根据权利要求4所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，同时采用所述的位移传感器和载荷传感器对加载过程进行记录。
8.根据权利要求7所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述位移传感器所采用的测量精度的分辨率为0. 001mm、量程为40mm。
9.根据权利要求7所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述载荷传感器所采用的测量精度的分辨率为0. 1N、量程为10000N。
10.根据权利要求2所述的一种对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，其特征在于，所述加载单元还包括有在每个固定端上设置垫块。
全文摘要
本发明是对地质软材料的复杂变形的模拟加载及测量系统，包括加载单元，用于接收控制单元的信号，根据信号并配合变形测量单元的结果对被测的试件进行加载操作，同时反馈加载信息给控制单元；控制单元，用于控制所述加载单元和变形测量单元，并接收加载单元反馈的加载信息和变形测量单元反馈的该试件表面的变形信息；变形测量单元，用于接收控制单元的信号，根据信号配合加载单元对试件进行加载受到规定位移作用时，按时间顺序获取该试件表面的数字散斑图像，分析数字散斑图像并反馈该试件表面的变形信息给控制单元。本发明实现桌面化小型的地质软材料复杂变形模拟加载及测量的系统，可方便实现地质软材料复杂变形的模拟及全场变形的定量准确测量。
文档编号G01B11/16GK102288124SQ20111020741
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者刘力强, 康永军, 曹彦彦, 郭玲莉, 马少鹏, 马沁巍 申请人:中国地震局地质研究所, 北京理工大学