专利名称：一种颗粒物质光弹试验仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及散粒体力学性能测试，尤其是一种颗粒物质光弹试验仪。
技术背景
颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系，广泛存在于自然界中，比如堆石体、堰塞体和碎屑流等。最近20年来，从基本物理层面，对颗粒物质体系平衡和运动规律及其应用的研究逐渐成为力学的一个新分支一颗粒力学。
颗粒间发生接触形成诸多强度迥异的力链，它们相互交接构成网络并非均勻地贯穿于颗粒物质内。根据是否大于平均接触力将力链分为强力链与弱力链两种类型，虽然强力链数目较少，却支撑了颗粒体系的大部分重量，该力链上颗粒的轻微差异都会造成“蝼蚁之穴，溃提千里”的惊人效果，如自然界中很小震动就可能引发雪崩和塌方。因此观察力链的演化对于深化颗粒力学理论及工程灾害预测具有重要的意义。
目前常用颗粒接触力的检测方法大致分两类第一类为接触式检测方法，包括高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕方法等，这种方法可以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或多或少的干扰，由于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；第二类为非接触式检测方法，主要包括光弹实验方法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法。它们的优势在于无干扰检测，不仅可以确定颗粒的几何位置，分析体系的结构特征，更重要的是可以“看到”力，进而得到三维颗粒体系中接触力分布的全部信息，特别是力链结构。1999年美国Duke大学的Behringer教授利用光弹性法在颗粒力学研究领域做了大量的工作，使光弹方法在颗粒接触力的测量中发挥了重要的作用。2005年发表于《Nature》上的文章，就采用了该设备进行试验。随后该课题组人员利用光弹设备进行了大量的试验，发表了大量的文章。但是Behringer教授研制的光弹设备只能跟踪内部颗粒的行为，不能将宏观力学特性与力链进行很好的联系，同时不能实时跟踪宏观性质上的力、位移等物理量。 因此研制既能观察力链结构又能获得宏观力学特性的设备具有重要的意义。
同时国内还没有关于颗粒物质光弹试验仪的相关报道。该设备的研制应该能填补国内这一设备的空白。发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种颗粒物质光弹试验仪，能实时跟踪力、位移等宏观物理量，可完成全方位观测颗粒物质力学性能测试。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是
一种颗粒物质光弹试验仪，包括机柜1，机柜1上有承载框架2，承载框架2上固定连接水平滑动支架3，水平滑动支架3通过带有滚轮4的钢柱5支撑，水平滑动支架3上有发射平行光线的光源6，承载框架2内设置有颗粒容器箱7，颗粒容器箱7垂直于所述平行光线的两个侧面为玻璃板14，颗粒容器箱7内有加载钢板8，颗粒容器箱7的顶面有与加载钢板8尺寸一致的顶面开槽，颗粒容器箱7平行于所述平行光线两个侧面的至少一个上面有与加载钢板8尺寸一致的侧面开槽，承载框架2上还固定有带槽缝的水平钢管11，竖直钢管10卡在水平钢管11的槽缝中滑动，竖直钢管10上固定偏光镜9，偏光镜9镜面与所述玻璃板14平行，还包括摄像装置17，摄像装置17与光源6隔着承载框架2相对。
所述承载框架2侧面设置有侧向电缸12，顶部设置有竖向电缸13，侧向电缸12和竖向电缸13的前端都设置拉压传感器和位移传感器。
所述承载框架2由上钢板21、下钢板22、左钢板23以及右侧的竖直圆柱15组成， 上钢板21的一端和下钢板22的一端连接左钢板23，上钢板21的另一端和下钢板22的另一端连接竖直圆柱15，左钢板23所在平面与所述玻璃板14垂直，竖直圆柱15作为颗粒容器箱7的转动轴。
所述承载框架2的上钢板21和左钢板23上有与加载钢板8尺寸一致的开孔24。
所述颗粒容器箱7的底面上有与加载钢板8尺寸一致的底面开槽18，底面开槽18 上通过销钉安装与其尺寸一致的活动钢板20。
所述颗粒容器箱7的顶面开槽上安装有光弹片安装漏斗16。
本发明创造了新的颗粒物质加载设备。操作简单、安全可靠。可广泛用于研究沙子、岩土等颗粒物质力学领域。有利于加快颗粒物质的研究进展，具有较高的推广价值，市场前景广阔。


图1为本发明主视图。
图2为图1中B-B向视图。
图3为本发明去除掉侧向电缸之后的左视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图3所示，本发明为一种颗粒物质光弹试验仪，包括机柜1，机柜1上有承载框架2，承载框架2由上钢板21、下钢板22、左钢板23以及右侧的竖直圆柱15组成，上钢板21的一端和下钢板22的一端连接左钢板23，上钢板21的另一端和下钢板22的另一端连接竖直圆柱15，上钢板21和左钢板23上有与加载钢板8尺寸一致的开孔对。承载框架2上固定连接水平滑动支架3，水平滑动支架3通过带有滚轮4的钢柱5支撑，可以通过滚轮4向着承载框架2前后移动。水平滑动支架3上有发射平行光线的光源6，承载框架2 内设置有颗粒容器箱7，承载框架2的竖直圆柱15作为颗粒容器箱7的转动轴，使得颗粒容器箱7可以沿着竖直圆柱15旋转进出。
颗粒容器箱7用于放置光弹颗粒的加载钢板8，颗粒容器箱7的左侧面有与加载钢板8尺寸一致的侧面开槽，颗粒容器箱7的顶面有与加载钢板8尺寸一致的顶面开槽，顶面开槽上安装有光弹片安装漏斗16，底面上有与加载钢板8尺寸一致的开槽18，开槽18上通过销钉安装与开槽尺寸一致的活动钢板，拔掉一侧销钉，可以卸掉试验材料。颗粒容器箱 7垂直于所述平行光线的两个侧面为玻璃板14，玻璃板14所在平面与承载框架2的左钢板所在平面垂直。
加载钢板8与电缸连接，通过承载框架2与颗粒容器箱7的顶面与侧面开槽，便于将加载钢板8往里推进并改变位移。
承载框架2上还固定有带槽缝的水平钢管11，竖直钢管10卡在水平钢管11的槽缝中滑动，竖直钢管10上固定偏光镜9，偏光镜9镜面与所述玻璃板4平行，偏光镜9沿着平行光线的方向左右移动。
承载框架2的另外一侧有摄像装置17，摄像装置17与光源6隔着承载框架2相对，对实验过程中光弹材料力链的变化进行跟踪。
承载框架2侧面设置有侧向电缸12，顶部设置有竖向电缸13，两个电缸通过U性钢板固定于承载框架2上。电缸采用全数字式交流伺服器，控制高精度的交流伺服电机，连接减速机带动丝杠转动加荷，保证传动效率高，噪音低、传动平稳。
本发明的测量和控制系统如下
侧向电缸12和竖向电缸13的前端都设置拉压传感器和位移传感器，拉压传感器选用FS0. 05%高稳定度、高精度的轮辐式拉压传感器，测量加载钢板8上的力，配以高精度的测量放大系统，保证了试验力的高精度；位移传感器测量加载钢板8发生的位移。测量系统，采用M位A/D转换单片机采集系统，经微机控制数据处理，实现试样的变形测量。
控制系统软件采用基于WindowsXP操作系统平台，具有运行速度快、界面友好、操作简单、可满足不同材料的试验方法的需要。满足拉伸、压缩、弯曲测试要求。如有特殊要求，软件可定做。并可按用户要求扩展软件。可满足GB、ASTM、DIN、JIS等标准的要求。
该软件包括有以下主要特点
内核以Access数据库为中心，结合SQL语言，便于数据的求取。可方便地加入新的试验处理方法。主要功能
①力值、位移的同步测量和显示。
②试验速度任意设定。(从0 500mm/min，可无极调速)
③试验曲线实时显示，横坐标和纵坐标自动换档。
④可设置定时间停止，定负荷停止，定变形停止，可设置断裂判别条件。
⑤可任意删除已做过的某个试样的数据。
⑥可对曲线进行任意缩放操作、打印，并在曲线上选取参数点、(屈服点、弹性段等)
⑦参数计算采用VB+SQL语言，可靠、方便。
控制系统是最新的计算机软硬件技术，结合最新的半导体技术，在测力、测位移、 速度控制方面可靠、先进、易操作、灵活。硬件系统采用最新美国集成电路，满量程同一分辨率。克服了传统试验机的分档放大切换迟滞以及不同档分辨不同的弊端。加快了系统的采样速率，提高了测控系统的精度和稳定性。从而使试验结果符合科学、保真输出。
本发明基本工作过程如下
将颗粒容器箱7后侧的偏光镜9移至两侧，将颗粒容器箱7旋转出加载框架2，在颗粒容器箱7上侧安装漏斗16，利用漏斗16将光弹片装入颗粒容器箱7，取下漏斗16。然后将颗粒容器箱7推入加载框架2，将颗粒容器箱7的开槽与加载框架2的开槽按不同的面对应。将偏光镜9复位。
利用控制系统将加载钢板8移至实验预设位置。
打开光源6与高速跟踪设备即摄像装置17，通过控制系统设置实验方案，设置合适的加载方案，推动电缸与加载钢板8移动，对实验过程进行摄像与数据跟踪，直至到达实验要求。
关闭光源6与摄像装置17，将颗粒容器箱7后侧的偏光镜9移至两侧，将颗粒容器箱7旋转出加载框架2，拔掉颗粒容器箱7下部的销钉，倒出颗粒。
以上介绍的仅仅是基于本发明的较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。 任何对本发明作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的保护范围。
权利要求
1.一种颗粒物质光弹试验仪，包括机柜(1)，其特征在于，机柜(1)上有承载框架0)， 承载框架( 上固定连接水平滑动支架(3)，水平滑动支架C3)通过带有滚轮的钢柱 (5)支撑，水平滑动支架C3)上有发射平行光线的光源(6)，承载框架O)内设置有颗粒容器箱(7)，颗粒容器箱(7)垂直于所述平行光线的两个侧面为玻璃板(14)，颗粒容器箱(7) 内有加载钢板(8)，颗粒容器箱(7)的顶面有与加载钢板(8)尺寸一致的顶面开槽，颗粒容器箱(7)平行于所述平行光线两个侧面的至少一个上面有与加载钢板(8)尺寸一致的侧面开槽，承载框架(2)上还固定有带槽缝的水平钢管(11)，竖直钢管(10)卡在水平钢管(11) 的槽缝中滑动，竖直钢管(10)上固定偏光镜(9)，偏光镜(9)镜面与所述玻璃板(14)平行， 还包括摄像装置(17)，摄像装置(17)与光源(6)隔着承载框架( 相对。
2.根据权利要求1所述的颗粒物质光弹试验仪，其特征在于，所述承载框架( 侧面设置有侧向电缸(12)，顶部设置有竖向电缸(13)。
3.根据权利要求1所述的颗粒物质光弹试验仪，其特征在于，所述侧向电缸(1 和竖向电缸(1 的前端都设置拉压传感器和位移传感器。
4.根据权利要求1所述的颗粒物质光弹试验仪，其特征在于，所述承载框架( 由上钢板(21)、下钢板(22)、左钢板(23)以及右侧的竖直圆柱(15)组成，上钢板(21)的一端和下钢板02)的一端连接左钢板(23)，上钢板的另一端和下钢板02)的另一端连接竖直圆柱(15)，左钢板03)所在平面与所述玻璃板(14)垂直，竖直圆柱(15)作为颗粒容器箱(7)的转动轴。
5.根据权利要求4所述的颗粒物质光弹试验仪，其特征在于，所述承载框架( 的上钢板和左钢板03)上有与加载钢板(8)尺寸一致的开孔04)。
6.根据权利要求1所述的颗粒物质光弹试验仪，其特征在于，所述颗粒容器箱(7)的底面上有与加载钢板(8)尺寸一致的底面开槽(18)，底面开槽(18)上通过销钉安装与其尺寸一致的活动钢板00)。
7.根据权利要求1所述的颗粒物质光弹试验仪，其特征在于，所述颗粒容器箱(7)的顶面开槽上安装有光弹片安装漏斗(16)。
全文摘要
本发明为一种颗粒物质光弹试验仪，机柜上有承载框架，承载框架上固定连接水平滑动支架，水平滑动支架通过带有滚轮的钢柱支撑，其上有发射平行光线的光源，承载框架内设有颗粒容器箱，颗粒容器箱垂直于所述平行光线的两个侧面为玻璃板，将加载钢板置于颗粒容器箱内，颗粒容器箱上有与加载钢板尺寸一致的开槽，通过开槽，加载钢板能够自由进出颗粒容器箱承载框架上还固定有带槽缝的水平钢管，竖直钢管卡在水平钢管的槽缝中滑动，竖直钢管上固定偏光镜，偏光镜镜面与玻璃板平行，还包括摄像装置，摄像装置与光源隔着承载框架相对，本发明能实时跟踪力、位移等宏观物理量，可完成全方位观测颗粒物质力学性能测试。
文档编号G01N3/00GK102494814SQ201110323800
公开日2012年6月13日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者刘建国, 孙其诚, 张楚汉, 毕忠伟, 金峰 申请人:清华大学