CN108801815B - 一种动态加载的电测-数字图像相关法同步实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态加载的电测‑数字图像相关法同步实验系统及方法，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；该系统综合了两种实验方法的优点，通过综合对比分析两种方法同时测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究裂纹起裂及扩展过程中的断裂机理；该系统既能对试件施加动态荷载，也能对试件施加准静态荷载，且同时适用于透明及非透明材料试件的实验测量，应用灵活广泛。
Description
技术领域
本发明涉及实验力学研究领域的动态断裂力学实验研究方法，尤其涉及一种研究裂纹起裂及扩展过程中断裂机理的实验系统及方法。
背景技术
岩石是自然界最常见的材料之一，同时也是人类建造工程最常用的材料。因此研究并了解岩石在不同外界条件下的物理和力学性质对工程结构的安全性设计具有非常重要的意义。其中，岩石的动态断裂问题一直是该领域的热点。在岩土工程中，岩石的动态断裂现象广泛地存在于矿物开采、能源开发、环境保护和土木工程之中，且是大部分地质灾害现象(如地震、山体滑坡及岩爆等)的根本起因之一，这使得研究岩石类准脆性材料在动态载荷作用下，裂纹起裂及扩展过程中的断裂机理具有重要的实际意义。但是，岩石介质由于其自身内部存在的大量微裂隙、节理及断层，使得其动态断裂行为变得极为复杂且具有较高的随机性。因此，选取合理的测试方法对岩石类准脆性材料的动态断裂机理进行实验研究已显得十分必要。
近年来，随着科技的不断进步，国内外众多学者通过相对成熟的理论体系以及相对精密的实验设备对岩石材料的动态断裂机理进行研究。目前，国内外学者已采取不同的测试方法对裂纹起裂及扩展过程中的动态断裂变化规律和机理进行了研究，并取得了一定的成果，但是利用应变片电测方法和数字图像相关(DIC)方法同步分析运动裂纹尖端位移场、应力场和应变场变化规律的研究尚未进行。
目前市面上的数字图像相关(DIC)实验系统，只能应用于宏观的、低速的实验情况下测定试件的应变，测试对象一般为汽车外壳、笔记本外壳、钢筋、钢板等等在外力作用下应变非常明显的实验材料，并且材料发生变形的整个过程十分缓慢。而岩石是典型的脆性材料，在冲击荷载作用下，发生的应变非常微小，几乎难以观测。同时，岩石的断裂过程非常迅速，只有几微秒，到目前为止，从来没有数字图像相关(DIC)实验系统能够观测岩石材料在冲击荷载作用下的断裂行为。
发明内容
本发明提供了一种可同步利用应变片电测法和数字图像相关法研究岩石材料中运动裂纹起裂和扩展机理的实验系统。。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种动态加载的电测-数字图像相关法同步实验系统，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；
数据处理中心中安装数字散斑图像计算程序和超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发；在配套测试程序设置各项参数和数字散斑图像计算程序设置各项参数；
配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；
数字散斑图像计算程序设置各项参数包括：子区窗口(也称相关计算窗口)(subset size)：大小31～41像素长；子区间隔(subset spacing)：一般选取0，可得到选区每个像素点的位移；勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割；应变计算窗口：大小一般选择15个像素长；
试件一面喷斑另一面粘贴应变片；超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向数字散斑图像计算程序中导入散斑参考图像，选取裂纹扩展区域；
实验开始时，落锤下落击中冲击头，冲击头对试件施加荷载，使试件产生运动裂纹；落锤和冲击头均为金属制品，落锤击中冲击头的瞬间，落锤、冲击头、信号线形成闭合通路，使延迟信号控制器5接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至超动态应变仪和超高速摄影机，超高速摄影机通过信号线传递信号至电容充电器；此时，超动态应变仪开始采集电测数据并存储于数据采集仪中并传输到超动态应变仪配套测试程序，同时，已经过电容充电器充电完毕的LED闪光灯光源开始工作，超高速摄影机拍摄记录数字散斑图像，传输到数字散斑图像计算程序；从而实现了电测法和数字图像相关法的同步测试和两种方法的实验数据同步采集和记录。
所述的实验系统，通过改变落锤8的重量，可以改变冲击头9对试件34施加载荷的大小；通过改变落锤8的下落高度，可以改变冲击头9对试件34的加载率。
所述的实验系统，可在试件34上粘贴多个应变片，从而可以实现裂纹扩展全过程中的电测数据测量。
所述的实验系统，将实验加载台7上的落锤8和冲击头9更换为伺服液压机，对试件34施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。
所述的实验系统，通过改变LED闪光灯光源的放置位置，可以实现透射式和反射式数字图像相关实验的光路要求，从而可以广泛应用于透明性和非透明性材料的数字图像相关实验测量。
所述的实验系统，基于不同材料起裂时间和裂纹扩展速度不同的特点，通过调节延迟信号控制器5控制电测数据和数字图像相关法图片的记录起始时间，从而更精确地记录试件34在断裂过程中的电测数据和数字图像相关法的图片信息。
所述的实验系统，超动态应变仪配套测试程序根据应变片电测结果自动计算出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度等力学参数；实验前，输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；实验过程中，每个应变片会采集应变峰值以及产生应变峰值的时间；
超动态应变仪配套测试程序根据上述各项数据，利用公式：
裂尖动态应力强度因子：
式中，变量
变量
变量κ＝-cos(2α)；
为应变片测得的应变峰值。所述的实验系统，利用matlab软件编程，通过采集到的DIC应变数据直接得出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度等各项参数；
数字散斑图像计算程序中具体算法如下：
裂纹尖端附近位移场公式如下：
上式中：
μ为岩石材料剪切模量；
平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；
A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数；
A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；
A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；
若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解；将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝arg minxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε，此时的xk+1为所求值，可用xk+1代替x0进行后续的计算；其中Jk为雅克比矩阵；
按照同样方法可以算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算；
A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：
即u＝h×x，由最小二乘法求解线性超定方程可知x＝(hTh)-1hTu；
A5、再由求出应力强度因子；裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离；裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量；
A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止；
A7、导出得到的数据。
根据任一所述的试验系统的实验方法，其操作步骤包括：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑；将试件需要喷斑的表面朝上置于白纸之上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀地喷涂黑色散斑，喷涂过程需要严格控制喷涂速率，过高或过低的喷涂速率均会造成散斑大小不均匀，进而引起数字图像相关实验的数据测量偏差；黑斑喷涂完毕后，将试件置于阴凉通风处干燥48小时；
其次，根据实验需要对试件粘贴应变片；贴片前，在试件非喷斑表面用标记笔对应变片贴片位置进行准确标记，用细砂纸在贴片位置沿45度进行小范围轻微打磨，然后用浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁；用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放应变片后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢；胶粘剂不宜过多，以免影响试件的裂纹扩展路径；粘贴应变片后，将试件固定于实验加载台上；
再次，连接实验系统；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试软件的触发方式设置为外触发；向计算程序中输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；
然后，调试数字图像相关实验系统；保证超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源，充电三十秒；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向软件中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域；将超动态应变仪和超高速摄影仪调节至待触发模式；
最后，释放落锤使其下落击中冲击头，对试件施加荷载，试件产生裂纹并扩展，此时系统自动同步采集记录电测实验数据和数字图像相关实验数据。
本发明所述的一种动态加载的电测-数字图像相关实验系统及方法的优点在于：(1)能够实现电测法和数字图像相关法的同步测试；(2)通过改变落锤的重量和下落高度，能够改变冲击头对试件施加冲击荷载的大小和加载率；(3)能够自动同时开始采集两种实验方法的数据，从而减小实验误差；(4)根据实验需要，可在试件上粘贴多个应变片，采集多组电测数据；(5)根据实验需要，可以适当调整试件表面斑点大小，从而提高实验结果的测量精度；(6)根据实验需要，可将实验加载台上的冲击头更换为伺服液压机，对试件施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。(7)根据实验需要，可以改变LED闪光灯光源放置位置，从而实现透射式和反射式数字图像相关实验光路。(8)通过调节延迟信号控制器，从而更精确地记录试件在断裂全过程中的电测数据和数字图像相关法的图片信息。本实验系统已进行了相关的实验，得到了较好的实验结果。
附图说明
图1为本发明实验系统结构图；
图2为本发明试件贴片位置示意图；
图3为数字散斑图像计算模块流程图
图4为数字散斑图像计算模块流程图；
图中：1-2LED闪光灯光源、3电容充电器、4超高速摄影机、5延迟信号控制器、6数据处理中心、7实验加载台、8落锤、9冲击头、10数据采集仪、11超动态应变仪、12-14桥盒、15-25信号线、26-28屏蔽线、29-31应变片、32-33电源充电线、34试件。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，动态加载的电测-数字图像相关法同步实验系统，包括LED闪光灯光源1-2、电容充电器3、超高速摄影机4、延迟信号控制器5、数据处理中心6、实验加载台7、落锤8、冲击头9、数据采集仪10、超动态应变仪11、桥盒12-14、信号线15-25、屏蔽线26-28、应变片29-31、电源充电线32-33、试件34；其中，数据采集仪10位于超动态应变仪11内部，落锤8和冲击头9位于实验加载台7中。
用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心6，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心6，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器。
数据处理中心中6安装数字散斑图像计算程序和超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中6安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发。在配套测试程序设置各项参数和数字散斑图像计算程序设置各项参数；
配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数。
数字散斑图像计算程序设置各项参数包括：子区窗口(也称相关计算窗口)(subset size)：大小31～41像素长。子区间隔(subset spacing)：一般选取0，可得到选区每个像素点的位移。勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割。应变计算窗口：大小一般选择15个像素长。
试件一面喷斑另一面粘贴应变片；超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角。用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源。将超高速摄影机的触发方式设置为外触发。向数字散斑图像计算程序中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域。
所述的实验系统，实验开始时，落锤8下落击中冲击头9，冲击头9对试件34施加荷载，使试件34产生运动裂纹。由于落锤8和冲击头9均为金属制品，落锤8击中冲击头9的瞬间，落锤8、冲击头9、信号线15-17形成闭合通路，使延迟信号控制器5接到断通信号，延迟信号控制器5接到断通信号后，发出触发信号至超动态应变仪11和超高速摄影机4，超高速摄影机4通过信号线25传递信号至电容充电器3。此时，超动态应变仪11开始采集电测数据并存储于数据采集仪10中并传输到超动态应变仪配套测试程序，同时，已经过电容充电器3充电完毕的LED闪光灯光源1-2开始工作，超高速摄影机4拍摄记录数字散斑图像，传输到数字散斑图像计算程序。从而实现了电测法和数字图像相关法的同步测试和两种方法的实验数据同步采集和记录。
运动裂纹尖端经过一个应变片所在区域时，这个应变片就会采集到电信号，根据这个电信号，就可以计算出此时裂纹尖端的动态应力强度因子。三个应变片依次贴在实验过程中运动裂纹会经过的地方就可以了。用两个应变片之间的裂纹扩展长度除以这两个应变片采集到信号的时间间隔，就是裂纹扩展速度。
所述的实验系统，通过改变落锤8的重量，可以改变冲击头9对试件34施加载荷的大小；通过改变落锤8的下落高度，可以改变冲击头9对试件34的加载率。
所述的实验系统，可在试件34上粘贴多个应变片，从而可以实现裂纹扩展全过程中的电测数据测量。
所述的实验系统，根据实验所需图片的分辨率可以适当调整试件34表面斑点大小，从而提高实验结果的测量精度。
所述的实验系统，可将实验加载台7上的落锤8和冲击头9更换为伺服液压机，对试件34施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。
所述的实验系统，超动态应变仪11具有多个通道，可连接多个桥盒，从而采集多个应变片的数据。
所述的实验系统，通过改变LED闪光灯光源1-2的放置位置，可以实现透射式和反射式数字图像相关实验的光路要求，从而可以广泛应用于透明性和非透明性材料的数字图像相关实验测量。
所述的实验系统，基于不同材料起裂时间和裂纹扩展速度不同的特点，通过调节延迟信号控制器5控制电测数据和数字图像相关法图片的记录起始时间，从而更精确地记录试件34在断裂过程中的电测数据和数字图像相关法的图片信息。
所述的实验系统，超动态应变仪配套测试程序根据应变片电测结果自动计算出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度等力学参数。实验前，输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数。实验过程中，每个应变片会采集应变峰值以及产生应变峰值的时间。
超动态应变仪配套测试程序根据上述各项数据，利用公式：
裂尖动态应力强度因子：
式中，变量
变量
变量κ＝-cos(2α)；
为应变片测得的应变峰值。
所述的实验系统，利用matlab软件编程，能通过采集到的DIC应变数据直接得出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度等各项参数。
数字散斑图像计算程序中具体算法如下：
裂纹尖端附近位移场公式如下：
上式中：
μ为岩石材料剪切模量；
平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；
A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数。
A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y。
A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；
若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解。将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝arg minxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε，此时的xk+1为所求值，可用xk+1代替x0进行后续的计算。其中Jk为雅克比矩阵。
按照同样方法可以算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算。
A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：
即u＝h×x，由最小二乘法求解线性超定方程可知x＝(hTh)-1hTu。
A5、再由求出应力强度因子。裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离。裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量。
A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y。重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止。
A7、导出得到的数据。
所述的实验系统，系统使用超高速摄影仪采集实验数据，每秒钟能够拍摄数百万张数字散斑(DIC)图片，可以完整精确地观测到岩石试件的整个断裂破坏过程。
本发明的一种动态加载的电测-数字图像相关实验系统，其具体操作方法是：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑。将试件需要喷斑的表面朝上置于白纸之上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀地喷涂黑色散斑，喷涂过程需要严格控制喷涂速率，过高或过低的喷涂速率均会造成散斑大小不均匀，进而引起数字图像相关实验的数据测量偏差。黑斑喷涂完毕后，将试件置于阴凉通风处干燥48小时。
其次，根据实验需要对试件粘贴应变片。贴片前，在试件表面(非喷斑表面)用标记笔对应变片贴片位置进行准确标记，用细砂纸在贴片位置沿45度进行小范围轻微打磨，然后用浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁。用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放应变片后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢。胶粘剂不宜过多，以免影响试件的裂纹扩展路径。需注意的是，如果应变片粘贴不合格，如粘贴位置距实验时的裂纹扩展轨迹过远或过近、粘贴朝向角偏差过大、胶粘剂涂覆过多或不足，都会造成电测结果失真。因此，准确地确定并标记贴片位置是实验的关键。粘贴应变片后，将试件固定于实验加载台上。
再次，连接实验系统。用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器。将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试软件的触发方式设置为外触发。向计算程序中输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数。
然后，调试数字图像相关实验系统。保证超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角。用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源，充电三十秒。将超高速摄影机的触发方式设置为外触发。向软件中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域。然后，将超动态应变仪和超高速摄影仪调节至待触发模式。
最后，释放落锤使其下落击中冲击头，对试件施加荷载，试件产生裂纹并扩展，此时系统自动同步采集记录电测实验数据和数字图像相关实验数据。
所述的落锤可根据实验改变下落高度或重量，对模型进行冲击加载。
所述的LED闪光灯光源可根据实验需要调整位置，满足反射式和透射式动态数字图像相关实验光路。
所述的超动态应变仪含有多个通道，可以记录多个测试点的实验数据。
以冲击荷载作用下研究花岗岩试件单裂纹起裂及扩展的断裂机理实验为例进行说明。
如图1、图2所示，具体步骤包括：
首先，根据实验要求对试件34进行人工喷斑。将试件34需要喷斑的表面朝上置于白纸之上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件34放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀地喷涂黑色散斑，喷涂过程需要严格控制喷涂速率，过高或过低的喷涂速率均会造成散斑大小不均匀，进而引起数字图像相关实验的数据测量偏差。黑斑喷涂完毕后，将试件34置于阴凉通风处干燥48小时。
其次，根据实验需要对试件34粘贴应变片。贴片前，在试件34表面(非喷斑表面)用标记笔对应变片贴片位置进行准确标记，用细砂纸在贴片位置沿45度进行小范围轻微打磨，然后用浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁。用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放应变片后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢。胶粘剂不宜过多，以免影响试件34的裂纹扩展路径。粘贴应变片后，将试件34固定于实验加载台7上。
再次，连接实验系统。用屏蔽线26连接桥盒12和试件34上的应变片29，用屏蔽线27连接桥盒13和试件34上的应变片30，用屏蔽线28连接桥盒14和试件34上的应变片31。用信号线15、信号线16、信号线17将落锤8、冲击头9和延迟信号控制器5连接，并调节延迟信号控制器5触发模式为“断通”触发模式。用信号线18连接桥盒12和超动态应变仪11，用信号线19连接桥盒13和超动态应变仪11，用信号线20连接桥盒14和超动态应变仪11。用信号线21连接延迟信号控制器5和超动态应变仪11，用信号线23连接延迟信号控制器5和超高速摄影机4，用信号线22连接超动态应变仪11和数据处理中心6，用信号线24连接超高速摄影机4和数据处理中心6，用信号线25连接超高速摄影机4和电容充电器3。将数据处理中心6中安装的超动态应变仪11配套测试软件的触发方式设置为外触发。向计算程序中输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数。
然后，调试数字图像相关实验系统。调节超高速摄影机4置于试件34喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机4的焦距调节至试件34喷斑表面处，将LED闪光灯光源1-2对称地置于试件34喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件34喷斑表面的法线呈45°角。用电源充电线32连接电容充电器3和LED闪光灯光源1，用电源充电线33连接电容充电器3和LED闪光灯光源2，充电三十秒。将超高速摄影机4的触发方式设置为外触发。向软件中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域。
然后，将超动态应变仪11和超高速摄影仪4调节至待触发模式。
最后，释放落锤8使其下落击中冲击头9，对试件34施加荷载，试件34产生裂纹并扩展，此时系统自动同步采集记录电测实验数据和数字图像相关实验数据，并保存在数据处理中心6中。
应当理解的是，以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种动态加载的电测-数字图像相关法同步实验系统，其特征在于，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；
数据处理中心中安装数字散斑图像计算程序和超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发；在超动态应变仪配套测试程序设置各项参数和数字散斑图像计算程序设置各项参数；
超动态应变仪配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型；
数字散斑图像计算程序设置各项参数包括：子区窗口：大小31～41像素长；子区间隔：选取0，得到选区每个像素点的位移；勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时将子区分割；应变计算窗口：大小选择15个像素长；
试件一面喷斑另一面粘贴应变片；超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向数字散斑图像计算程序中导入散斑参考图像，选取裂纹扩展区域；
实验开始时，落锤下落击中冲击头，冲击头对试件施加荷载，使试件产生运动裂纹；落锤和冲击头均为金属制品，落锤击中冲击头的瞬间，落锤、冲击头、信号线形成闭合通路，使延迟信号控制器接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至超动态应变仪和超高速摄影机，超高速摄影机通过信号线传递信号至电容充电器；此时，超动态应变仪开始采集电测数据并存储于数据采集仪中并传输到超动态应变仪配套测试程序，同时，已经过电容充电器充电完毕的LED闪光灯光源开始工作，超高速摄影机拍摄记录数字散斑图像，传输到数字散斑图像计算程序；从而实现了电测法和数字图像相关法的同步测试和两种方法的实验数据同步采集和记录。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，通过改变落锤的重量，改变冲击头对试件施加载荷的大小；通过改变落锤的下落高度，改变冲击头对试件的加载率。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，试件上粘贴多个应变片，从而实现裂纹扩展全过程中的电测数据测量。
4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，将实验加载台上的落锤和冲击头更换为伺服液压机，对试件施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。
5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，通过改变LED闪光灯光源的放置位置，实现透射式和反射式数字图像相关实验的光路要求，从而广泛应用于透明性和非透明性材料的数字图像相关实验测量。
6.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，基于不同材料起裂时间和裂纹扩展速度不同的特点，通过调节延迟信号控制器控制电测数据和数字图像相关法图片的记录起始时间，从而更精确地记录试件在断裂过程中的电测数据和数字图像相关法的图片信息。
7.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，超动态应变仪配套测试程序根据应变片电测结果自动计算出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度；实验前，输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型；实验过程中，每个应变片会采集应变峰值以及产生应变峰值的时间；
超动态应变仪配套测试程序利用公式计算裂尖尖端动态应力强度因子：
式中，变量
变量
变量κ＝-cos(2α)；
为应变片测得的应变峰值。
8.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，利用matlab软件编程，通过采集到的DIC应变数据直接得出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度；
数字散斑图像计算程序包括如下算法：
裂纹尖端附近位移场公式如下：
上式中：
μ为岩石材料剪切模量；
平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；
A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数；
A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；
A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；
若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，得：用非线性最小二乘法求解；将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x)......fn(x)]，n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝arg minxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε，此时的xk+1为所求值，用xk+1代替x0进行后续的计算；其中Jk为雅克比矩阵；
按照同样方法算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算；
A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：
即u＝h×m，由最小二乘法求解线性超定方程可知m＝(hTh)-1hTu；
A5、再由求出应力强度因子；裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离；裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量；
A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止；
A7、导出得到的数据。
9.根据权利要求1-8任一所述的实验系统的试验方法，其特征在于，其操作步骤包括：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑；将试件需要喷斑的表面朝上置于白纸之上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀地喷涂黑色散斑，喷涂过程需要严格控制喷涂速率，过高或过低的喷涂速率均会造成散斑大小不均匀，进而引起数字图像相关实验的数据测量偏差；黑斑喷涂完毕后，将试件置于阴凉通风处干燥48小时；
其次，根据实验需要对试件粘贴应变片；贴片前，在试件非喷斑表面用标记笔对应变片贴片位置进行准确标记，用细砂纸在贴片位置沿45度进行小范围轻微打磨，然后用浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁；用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放应变片后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即粘牢；胶粘剂不宜过多，以免影响试件的裂纹扩展路径；粘贴应变片后，将试件固定于实验加载台上；
再次，连接实验系统；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发；向数字散斑图像计算程序中输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型；
然后，调试数字图像相关实验系统；保证超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源，充电三十秒；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向软件中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域；将超动态应变仪和超高速摄影仪调节至待触发模式；
最后，释放落锤使其下落击中冲击头，对试件施加荷载，试件产生裂纹并扩展，此时系统自动同步采集记录电测实验数据和数字图像相关实验数据。
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