[发明专利]一种基于透明光弹材料同时测量饱和颗粒介质应力和位移的方法

权利要求书

1.一种基于透明光弹材料测量饱和颗粒介质应力和位移的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，颗粒介质的配置：采用直径为2-4cm的透明光弹材料颗粒，借助阿贝折射仪测出与透明光弹材料颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明光弹材料颗粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一层，之后利用软管沿模型箱壁从下向上慢慢充满孔隙液体，最终配制成饱和颗粒材料介质，即饱和透明光弹颗粒模型(5)；

步骤二，采集设备安置：采集设备包括数字相机(1)、计算机(2)、分析镜片(3)、扇面激光光源(4)、饱和透明光弹颗粒模型(5)、偏振镜片(6)和光源(7)，分析镜片(3)、饱和透明光弹颗粒模型(5)、偏振镜片(6)和光源(7)同轴，光源(7)依次通过偏振镜片(6)、饱和透明光弹颗粒模型(5)和分析镜片(3)后，被数字相机(1)捕捉，数字相机(1)与计算机(2)连接；扇面激光光源(4)位于饱和透明光弹颗粒模型(5)正下方，用于提供扇形激光光源；

步骤三：在饱和颗粒材料介质表层放置加载板，加载试验机通过加载板将外力施加到透明光弹材料颗粒上；施加荷载前，打开扇面激光光源(4)，照射饱和透明光弹颗粒模型(5)，扇面激光和透明光弹材料颗粒介质相互作用产生激光散斑，同时设定好数字相机(1)的位置、焦距和采集时间间隔；

步骤四，施加荷载：对配制的饱和颗粒材料介质施加荷载，在饱和颗粒材料介质内引起应力和变形以及颗粒的运动；同时启动数字相机(1)的图像采集功能，连续施加到荷载一定值后停止加载；

步骤五：设置偏振片：正交平面偏振光场中分析镜(3)的初始角度β＝45°，α、β分别为偏振镜片(6)和分析镜片(3)与参考轴x夹角，α初始角度为135°，θ为饱和透明光弹颗粒模型(5)第一主应力σ₁与参考轴x夹角θ＝60°；同步旋转分析镜片(3)的角度β，得到相应的图片；

步骤六，图像采集：采用白光四步相移法和黄光六步相移法，用数字相机(1)记录透明光弹材料颗粒受荷载运动过程中的两幅光弹性条纹图，然后利用光弹应力分析的原理和处理方法分析透明光弹材料颗粒内部的应力，利用两幅光弹性条纹图的相关性分析间隔时间Δt内透明光弹材料颗粒发生的位移；把第一幅图像划分为n个子窗口，把第二幅图像也划分成n个子窗口，然后对第一幅图中的每个子窗口和第二幅图中的每个子窗口进行相关系数运算，相关系数最大的子窗口就是第一幅图中的子窗口发生变形和位移后对应的窗口；若计算得到第一幅图中的子窗口I₁中心位置为(m,n)，它对应第二幅图中的子窗口I₂中心的位置为(m+s,n+t)，则第一幅图中的子窗口I₁分别在两个方向上发生了s和t个像素的位移；

步骤七：利用数字相机(1)标定参数，计算子窗口中心的实际位置和s，t对应的实际位移值s_w，t_w；

步骤八：得到应力，绘制力链：光源(7)通过偏振镜片(6)进入饱和透明光弹颗粒模型(5)，在饱和透明光弹颗粒模型(5)内产生相位差，根据应力光学定律，得到主应力差；通过白光四步彩色相移法，由于饱和透明光弹颗粒模型(5)内各点的主应力方向是不同的，获得特定角度的等倾线；通过黄光六步相移法得到等色线，处理图片，进而得到主应力数值的分布曲线；之后根据应力的分布大小，相应的绘制力链的大小。