[发明专利]离心模型3D光学位移测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对土工离心试验中模型的位移进行测量的装置。

背景技术

在许多工程科学中，常常需要用小比尺的物理模型去揭示和分析现象的本质和机理，以验证和解决工程实际问题。例如，在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，土的力学特性和水力特性随应力水平而变化。利用小比尺离心模型的试验，可以采用与原型相同的材料，在离心试验机形成的高加速度场中达到与原型相同的应力水平，从而使模型与原型的应力应变相等，变形相似，破坏机理相同，能够再现原型特性，为理论和数值等分析方法提供真实可靠的参数依据。

在离心模型试验中，模型的位移和变形的测量一般分为2类，一类是点测量，一类是面测量。传统的位移测量方法，需要在模型上布放传感器或者标志物等测量辅助物品。这些方法普遍存在工作量大、测量精度低、测量点有限、测量辅助物品对模型干扰大等缺陷。而且，由于试验前很难准确确定离心模型发生较大变形或者发生应变局部区域的具体准确位置，因此，这些通过事先确定测量点来测量位移的方法就不能很好的满足研究离心模型变形或者应变局部化等问题的具体要求。

为克服已有方法的缺点，新的用于离心场环境中的位移测量方法得到了广泛的探索和研究。其中基于数字图像的位移测量技术因其无需对模型增加应变片等测量辅助物品，从而不会导致干扰等优点已在离心模型试验中得到了一定的研究，例如，《岩土工程学报》2007年1月第1期中张嘎、牟太平、张建民发表的“基于图像分析的土坡离心模型试验变形场测量”，以及《岩石力学与工程学报》2010年9月第29卷增2中张敏、吴宏伟发表的“颗粒图像测速技术在离心试验变形分析中的应用”等文章所记录的用于离心试验中的位移测量方法，均提及使用非接触式光学位移测量方法对离心模型进行位移测量。

在已有的利用非接触式光学位移测量方法对离心模型进行位移测量的装置或方法的研究中，均只提供了测量模型侧面的二维变形的方法，也即是，使用侧面采用透明材质的模型箱，将图像采集设备固定在模型箱透明侧壁的外侧，从而可以用非接触式光学位移测量方法对所述离心模型的侧面在贴合于模型箱侧壁的平面上的二维位移进行测量。但是，这些非接触式光学位移测量方法并不能对所述离心模型的侧面在垂直于所述模型箱侧壁的方向上的位移进行测量，也即是，已有的利用非接触式光学位移测量方法对离心模型进行位移测量的装置或方法的研究中，不能提供对于离心模型进行3D方向，即三维方向的位移测量。

在离心试验中，模型顶部的三维位移数据（及水平方向和垂直方向位移数据）是离心试验中需要采集的重要数据之一，虽然市场上现在已经有了应用于汽车制造、钣金成形等领域的能够测量被测物的三维变形的非接触式光学位移测量设备，例如，美国CSI公司（Correlated Solutions，Inc.）提供的Vic-3D非接触应变测量系统就可以提供三维空间内的位移、应变数据测量，但由于非接触式光学位移测量方法对于图像采集设备（例如照相机、摄像机）有着严格的位置固定要求，而当其用于离心试验环境，对离心模型顶面数据进行图像采集时，由于图像采集设备与离心模型顶面在离心试验过程中均会产生位移，因此，现在并没有很好的方法在所述图像采集设备与所述离心模型顶面均产生位移时进行测量，也就是现在还不能利用非接触式光学位移测量方法，特别是用于测量三维位移的3D光学位移测量方法从离心模型上部对模型进行三维位移测量。

发明内容

本发明提供了一种离心模型3D光学位移测量系统，该设备可减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述问题，本发明提出了一种离心模型3D光学位移测量系统，其用于在离心试验中对土工模型顶面的三维位移进行测量，其包括一个用于装载所述土工模型并放置于离心机吊篮中的长方体结构的模型箱，所述模型箱顶部固定连接有一根支撑梁，所述支撑梁固定连接有三根安装杆，在所述安装杆上均连接有摄像头，所述模型箱内进一步固定有用于照明的光源；所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机吊篮内与所述摄像头连接的影像采集设备，所述影像采集设备包括一个分别与所述摄像头连接的信号接收器，一个与所述信号接收器连接的处理器，一个与所述处理器连接的存储卡，一个与所述处理器连接的第一无线模块；所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机外的控制设备，所述控制设备包括一个用于与所述第一无线模块建立通讯连接的第二无线模块以及一个与所述第二无线模块连接的控制主机。

优选地，所述支撑梁端面边沿与所述模型箱边沿均设置有用于校准所述支撑梁安装位置的刻度标尺。