一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置及方法，该装置包括高清摄像机、待测试样、计算机及数据采集分析系统，高清摄像机与计算机及数据采集分析系统通过数据线连接，待测试样表面设置标记网格，高清摄像机的镜头正对待测试样表面的标记网格。本发明专利技术显著提高测量的效率，适应性强，测量方法简单高效。

A Global Strain Field Measuring Device and Method for Tensile Specimens of Geosynthetics

【技术实现步骤摘要】
一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置及方法
本专利技术涉及应变场测量装置及方法，特别涉及一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置及方法。
技术介绍
在现有的土工合成材料试验规程或标准中，对试验拉伸变形的表征及计算都是采用近似的名义应变或延伸率，即将试样两端夹具间距离的变化值比上试样原始长度得到名义应变值。当土工合成材料试样拉伸变形较小时，名义应变与真实应变差别不大，但当拉伸变形较大时，由于土工合成材料试样中间部分与靠近夹具的两端应变并非均匀分布，近似计算得到的名义应变与真实应变会有较大差异。因此若想要准确地研究土工合成材料的拉伸力学特性，就需要在拉伸试验中较为精确地测量试样上任意点的真实应变及分布，即整个试样的全域应变场。目前对于土工合成材料的单向拉伸试验，尚可以通过引伸计较为准确地得到试样测量区域的线应变，但是却没有一种测量方法能够较好地解决土工合成材料双向拉伸试验中试样全域真应变场的测量问题。根据测试仪器是否与试验材料相接触，可将其测量方法分为接触式测量方法和非接触式测量方法两大类。接触式测量方法工具由于简便易控、价格便宜，是目前相当常见的测量方法，其接触试样的方法大致可以分为粘附、钩刺以及手动扶靠三种类型。然而对于具有质地柔软、变形量大、厚度薄而易损伤、应变分布极不均匀等特点的土工合成材料，粘附型的应变测量工具，如电阻应变计等，往往具有与土工合成材料相比较大的模量，易影响土工合成材料力学性能试验的测试结果；钩刺型的应变测量工具，如伸长计等，容易对土工合成材料造成损伤，进而影响试验的进行；需要手动扶靠的应变测量工具，如尺规等，在需要进行连续拉伸试验、多点测量的情况下，显然无法实施。因此，对于土工合成材料双向拉伸试验中的应变场测量，接触式应变测量方法无法满足要求，而是需要一种非接触式的应变场测量装置或方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，该装置可在不接触测量对象的情况下测量应变，而且简单高效，适应性强。本专利技术的另一目的是提供所述土工合成材料拉伸试样全域应变场测量方法。技术方案：本专利技术提供一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，包括高清摄像机、待测试样、计算机及数据采集分析系统，高清摄像机与计算机及数据采集分析系统通过数据线连接，待测试样表面设置标记网格，高清摄像机的镜头正对待测试样表面的标记网格。所述高清摄像机是用于采集高清数字图像的高像素拍摄设备。所述标记网格是指按照荷载方向绘制在待测土工合成材料试样表面观测区的正交网格形图形或者点阵。所述计算机及数据采集分析系统用于数字图像数据的存储、处理、分析和应变场的计算。所述待测试样待测表面与高清摄像机镜头正对，通过调节所述高清摄像机的焦距及位置调整数字图像的视场范围，同时可通过对焦和调节光圈使数字图像中的所述标记网格足够清晰明亮。进一步地，所述待测试样边缘由夹具夹持，夹具受试验荷载作用，牵引待测试样变形。进一步地，所述高清摄像机位于固定支架上部的云台上，所述固定支架用于支撑高清摄像机，所述云台用于调整高清摄像机拍摄角度。由于土工合成材料变形较大，应该通过调节所述高清摄像机和所述固定支架使视场范围足够大以确保在试验全过程中能拍摄到完整的所述标记网格。所述的土工合成材料拉伸试样全域应变场测量方法，包括如下步骤：(1)、在待测试样观测区绘制标记网格，装样；(2)、用固定支架固定高清摄像机，调整固定支架上的云台使高清摄像机镜头与待测试样表面的标记网格正对；(3)、调节拍摄场地的光影条件，调节高清摄像机的焦距和光圈以及所述固定支架的位置，使数字图像中的标记网格清晰明亮、光影效果良好且视场足够；(4)、开启高清摄像机进行图像采集，同时开始试验；(5)、试验结束后，停止图像采集，然后将所述高清摄像机采集到的数字图像传输到计算机及数据采集分析系统上；(6)、通过计算机及数据采集分析系统读取每次采集时刻各网格点的像素坐标，通过所述像素坐标计算得到待测试样观测区内的位移场和应变场。进一步地，所述步骤(6)中应变场的计算包括如下步骤：(1)、通过计算机及数据采集分析系统读取每次采集时刻各网格点的像素坐标，记第i次采集时刻网格点j的像素坐标为(2)、计算标定比例k；(3)、计算每次采集时刻各网格点在与像素坐标系相对应的世界坐标系中的坐标，记第i次采集时刻网格点j的实际坐标为其中：(4)、计算每次采集时刻各网格点相对于初始时刻的位移，记第i次采集时刻网格点j相对于初始时刻的位移为其中：(5)、假设标记网格中网格单元自右上顶点顺时针的顶点依次为网格点a、b、c、d，通过插值方法得到每次采集时刻观测区内的位移场，记第某一网格单元内在第i次采集时刻的位移函数为ui(x，y)和vi(x，y)；(6)、应变张量需使用格林应变张量计算，假设某网格自右上顶点顺时针的顶点依次为网格点a、b、c、d，网格中心点为o点，通过下式计算每次采集时刻观测区内的应变场记，记网格中心点o在第i次采集时刻的应变为其中，可由该网格内的位移函数求导而得，代入网格中心点o的坐标后即可得到第i次采集时刻网格中心点o的应变值，按照前述方法计算出所有网格中心点的应变值，即可插值得到观测区内的应变场。进一步地，所述步骤(2)中的标定比例k计算方法为：通过对比初始未变形时刻采集到的数字图像与实际情况得到：其中，L0是初始时刻待测土工合成材料试样表面上某两点之间的像素距离；l0是初始时刻相应两点之间的实际距离。有益效果：本专利技术属于非接触式测量方法，不会给试样带来损伤，不会影响试验的正常进行，也不会影响试验结果本身的准确度；本专利技术将试样表面网格点的移动和网格单元的变形以数字图像的形式记录下来，可以实现大面积、长时间全域位移场和应变场的连续测量，可大幅提高测试工作效率；本专利技术通过处理分析数字图像来计算位移应变，若是设备较为高端先进，测量精度足以满足要求；本专利技术测量方法自动化程度高，可以减少实验人员的工作量。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为图1中待测试样的结构示意图；图3为本专利技术的网格单元位移场计算和网格中心点应变计算中的标号示意图。具体实施方式如图1-3所示，本实施例的土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，包括高清摄像机1、待测试样4、计算机及数据采集分析系统3，高清摄像机1与计算机及数据采集分析系统3通过数据线6连接，待测试样4表面设置标记网格5，高清摄像机1的镜头10正对待测试样4表面的标记网格5。待测试样4边缘由夹具9夹持，夹具9受试验荷载8作用，牵引待测试样4变形。高清摄像机1位于固定支架2上部的云台7上，固定支架2用于支撑高清摄像机1，云台7用于调整高清摄像机1拍摄角度。其中，高清摄像机1选用工业相机，该工业相机可调节拍摄的亮度和焦距，通过自带的数据线6将采集到的数字图像传输到计算机及数据采集分析系统3上。固定支架2采用三脚架，三脚架上自带的云台7可用于固定工业相机和调整其全方位角度，便于拍摄。通过计算机及数据采集分析系统3设置拍摄模式和拍摄间隔等。待测试样4选用PVC土工膜，颜色为灰色，标记网格5是采用颜色相对鲜明的油性笔和直尺按照荷载方向绘制在待测PVC土工膜正中央的10×10正方形网格线，每条网格线间距为0.5cm。本实施例的土工合成材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，其特征在于：包括高清摄像机(1)、待测试样(4)、计算机及数据采集分析系统(3)，高清摄像机(1)与计算机及数据采集分析系统(3)通过数据线(6)连接，待测试样(4)表面设置标记网格(5)，高清摄像机(1)的镜头(10)正对待测试样(4)表面的标记网格(5)。

【技术特征摘要】
1.一种土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，其特征在于：包括高清摄像机(1)、待测试样(4)、计算机及数据采集分析系统(3)，高清摄像机(1)与计算机及数据采集分析系统(3)通过数据线(6)连接，待测试样(4)表面设置标记网格(5)，高清摄像机(1)的镜头(10)正对待测试样(4)表面的标记网格(5)。2.根据权利要求1所述的土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，其特征在于：所述待测试样(4)边缘由夹具(9)夹持，夹具(9)受试验荷载(8)作用，牵引待测试样(4)变形。3.根据权利要求1所述的土工合成材料拉伸试样全域应变场测量装置，其特征在于：所述高清摄像机(1)位于固定支架(2)上部的云台(7)上，所述固定支架(2)用于支撑高清摄像机(1)，所述云台(7)用于调整高清摄像机(1)拍摄角度。4.根据权利要求1-3所述的土工合成材料拉伸试样全域应变场测量方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、在待测试样(4)观测区绘制标记网格(5)，装样；(2)、用固定支架(2)固定高清摄像机(1)，调整固定支架(2)上的云台(7)确保高清摄像机(1)镜头(10)与待测试样(4)表面的标记网格(5)正对；(3)、调节拍摄场地的光影条件，调节高清摄像机(1)的焦距和光圈以及所述固定支架(2)的位置，使数字图像中的标记网格(5)清晰明亮、光影效果良好且视场足够；(4)、开启高清摄像机(1)进行图像采集，开始试验；(5)、试验结束后，停止图像采集，然后将所述高清摄像机(1)采集到的数字图像传输到计算机及数据采集分析系统(3)上；(6)、通过计算机及数据采集分析系统(3)读取每次采集时刻各网格点的像素坐标，通过所述像素坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海民，张振，束一鸣，程醒，田振宇，冯路明，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32