一种疲劳力学试验全过程数据采集系统

本发明属于疲劳力学试验技术领域，具体涉及一种疲劳力学试验全过程数据采集系统，可实时监测采集整个试验过程材料、构件的各项力学指标变化数据，如应力、应变、位移变形、裂缝发展等。

背景技术：

结构及构件由于交变循环载荷而引起疲劳损伤，随着循环次数的增加，损伤逐渐累积直至破坏。工程实际中如海洋平台、工业厂房吊车梁、风电塔架等经受交变载荷作用的建筑结构，因为疲劳损伤逐渐累积而导致在低于其设计承载力的情况下，重要受力构件发生断裂损坏引起严重安全事故。因此，研究材料、构件的疲劳全过程力学行为变化对工程结构具有深远指导意义。

针对疲劳行为展开疲劳试验研究，材料或构件在不同交变载荷形式下，随荷载循环次数增加，材料或构件的力学行为逐渐发生变化。目前绝大多数的疲劳试验研究，都是通过定点布置接触式应变片、位移计、力传感器采集应变、位移、荷载等数据。但是在整个试验过程中，由于采集设备与测试材料或构件直接接触，接触式应变片会由于疲劳荷载作用而发生疲劳失效，或者当材料或构件发生较大变形、断裂破坏时，接触式应变片会随试件一起发生断裂失效，位移计则由于接触点表面裂缝开展导致位移计尖端的位置和方向发生偏移，不能正常量测目标位移变形。这些问题导致在疲劳试验中获取试件完整的全过程力学行为变化数据非常困难，而这些数据对科研工作人员研究材料、构件疲劳损伤累积过程、力学行为变化具有重要的作用，数据的损失严重阻碍了疲劳力学研究的进展。

数字图像相关(dic)方法是应用计算机视觉技术的图像测量方法，基于数字散斑相关方法结合现代光电技术、图像处理和识别技术、计算机技术，能够通过物体表面随机分布的斑点或人工布置的散斑场匹配物体表面任意位置的坐标信息和试验过程的变形信息，是一种测量物体表面在承受荷载作用全场位移和应变的测量技术。

激光测距技术是指利用激光器发射激光至目标位置，并接收目标位置反射回来的激光束，根据计时器测定激光从发射到接收的时间，从而精确测量激光发射位置与目标位置的距离。随着不断发展，激光测距仪的精度逐渐提高，成本逐渐降低，同时便携方便、操作简单。如今，激光测距技术已经广泛应用于工程测控领域。

虽然数字图像相关方法和激光测距方法均在测量领域中有所应用，但是二者功能不同且相互独立，目前暂未发现将两种技术结合使用的方法和设备。如果仅仅将两种技术的设备独立应用于试验数据采集上，试验过程中不能直观观测试件的力学性能变化，并且后期数据处理较为繁琐。本发明设计了一种疲劳力学试验全过程数据采集系统，将传统数据的采集方式与数字图像测量、激光测距这些非接触式的测量技术相结合，整合到疲劳试验数据采集系统中实现疲劳试验全过程数据采集的要求。

技术实现要素：

本发明提出一种疲劳力学试验全过程数据采集系统，使用基于数字图像测量技术的应变变形采集模块、基于激光测距技术的激光测距模块，结合计算机、数据传输器、荷载采集模块采集疲劳力学试验全过程的各项力学指标数据。

所述的疲劳力学试验全过程数据采集系统，使用数字图像处理技术替代传统一次性接触式应变片，不再需要科研工作人员费时费力地为试件重复粘贴应变片，既可以测量全过程被测试件力学行为变化，又可以使科研人员更直观的观测物体表面应变变形和裂缝发展情况。应变变形采集模块主要由ccd相机、图像处理工作站、冷光灯组成，ccd相机支持低速到高速拍摄从而支持疲劳试验中不同频率的采集要求。试验准备时，通过布置ccd相机和冷光灯的位置，对试验要求监测的物体表面位置实时采集位移场、应变场数据。数据可通过数据传输器传输至计算机显示，进行实时监测物体表面应变变形和裂缝发展情况。

可选地，结合试验需要可以布置多个cdd相机对物体多表面进行监测。

进一步地，考虑到应变变形采集模块中单个ccd相机只能对物体单个表面进行监测，利用激光测距模块结合现有激光位移传感器技术可以实时测量物体任意位置处和任意方向的位移变化数据，解决了传统位移计由于试件表面裂缝开展，接触位置和方向产生偏差的测量问题。激光测距模块主要包含高精度激光测距仪、激光控制处理器。高精度激光测距仪发射激光并接收返回的激光束；激光控制处理器可以处理返回的激光信息，计算目标位移变化，并且可以控制激光束发射的频率来实现试验不同频率的采集要求。

优选地，高精度激光测距仪根据试验要求选择0.001mm及以上的高精度仪器，数量可根据试验需求配置。

进一步地，所述的荷载采集模块则主要通过力传感器实时采集试验机作动器施加在被测试件上的荷载，可结合疲劳试验机器选择相匹配的力传感器，与作动器相连接。

进一步地，数据传输器具有调用和存储数据的功能。计算机通过数据传输器调用数字图像处理工作站、激光控制处理器、力传感器的各项数据，显示应力应变云图，绘制荷载-位移、应力应变曲线，更加直观的监测试验过程中试件的力学行为变化，解决各项技术功能独立导致试验监测和数据处理困难的问题。

进一步地，数据处理模块设置支持传统接触式采集设备的数据传输通道，以支持各种型号的采集设备，增加试验数据采集方案的多样性、完备性，供研究人员根据研究需求选择采集方案。

本发明结合目前新型技术设计了一种疲劳力学试验全过程数据采集的新系统，初步解决了目前疲劳力学试验全过程数据采集的难题。虽然该套数据采集方法是针对疲劳力学试验设计的，但同样适用于其它普通力学试验，具有非接触、自动化、精度高、无损监测、操作简单、适用范围广等优点。

本发明的有益效果如下：

1.采用数字图像测量技术测量应变变形，支持全场大范围非接触式采集应变、位移数据，满足疲劳力学试验全过程的应变采集需求。

2.采用激光测距技术，支持任意位置和任意方向非接触式测量目标位移，避免由于试件变形或裂缝发展导致测量位置和方向出现偏差。

3.数据传输器存储和传输各个通道数据，将传统接触式采集方法与新型技术结合，通过计算机实时调用和处理数据更直观的监测各项力学指标变化。

4.该套数据采集方法针对疲劳力学试验全过程数据采集问题而设计，同样适用于其它普通力学试验，具有非接触、自动化、精度高、无损监测、操作简单、适用范围广等优点。

附图说明

图1疲劳力学试验全过程数据采集方法设备示意图

图2疲劳力学试验全过程数据采集方法实施例示意图

图中：1、计算机；2、数据传输器；3、应变变形采集模块；4、数字图像处理工作站；5、ccd相机；6、冷光源；7、激光测距模块；8、激光控制处理器；9、高精度激光测距仪；10、荷载采集模块；11、作动器；12、反力架；13、承台；14、方柱形试件；15、支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1介绍本发明提供的疲劳试验数据采集方法使用的各个工作模块和设备，主要由计算机1、数据传输器2、应变变形采集模块3、激光测距模块7、和荷载采集模块10组成，应变变形采集模块3包含数字图像处理工作站4、ccd相机5和冷光源6组成，激光测距模块7由激光控制处理器8和高精度激光测距仪9组成；荷载采集模块10使用目前实验室中常见的力传感器即可实现。

具体实施方式：图2，试验开始前，对方柱形试件14需要监测的表面进行刷白、人工散斑处理，以便数字图像测量应变数据，以及对激光测距测点位置进行抛光、标记。布置反力架12和承台13，选择可施加疲劳荷载的作动器11，进行安装方柱形试件14，使作动器11与方柱形试件14良好接触。

方柱形试件14安装完成后，开始布置数据采集设备。如图2，本实例布置ccd相机5和冷光源6对方柱形试件单个表面的应变进行监测。冷光源6应照亮试件14表面，使得光线均匀，调节ccd相机拍摄图像的频率以实现疲劳试验中匹配不同频率测量的要求，实时拍摄试件14表面的图像。根据测量需求组装和布置支架15用于固定高精度激光测距仪9，本实例共布置三个固定高精度激光测距仪9对目标位置发射和接收激光，测量方柱的侧向位移变形。作动器11上携带力传感器可测量疲劳荷载。数据采集设备布置完成后，进行仪器检查和校准后开始试验加载。

数字图像处理工作站4处理ccd相机5实时拍摄的图像，输出试件14表面的应变场数据；激光控制处理器8处理返回的激光信息输出方柱形试件14的侧向位移变形。计算机1通过数据传输器2调用应变、位移、荷载数据，可以显示方柱形试件14表面的应变云图，通过应变云图实时观测应变变形发展和裂缝发展。同时，可以调用各个通道的数据，绘制荷载-位移曲线、应力-应变曲线等，通过曲线可判断试件的破坏程度，预测试件何时发生疲劳失效。

上面以方柱形试件为例结合附图，展示本发明设计的疲劳力学试验全过程数据采集方法的具体实施方式，不作为本发明的限制。本发明应以权利要求书所记载的技术方案以及技术特征的等同替换方案作为保护范围。在所属领域中做出无实质性创新的改动，也应视为本发明的保护范围之内。