CN112161867B - 一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法 - Google Patents

一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112161867B
CN112161867B CN202010984782.2A CN202010984782A CN112161867B CN 112161867 B CN112161867 B CN 112161867B CN 202010984782 A CN202010984782 A CN 202010984782A CN 112161867 B CN112161867 B CN 112161867B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
laser
displacement
triaxial
axial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010984782.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112161867A (zh
Inventor
邹德高
季晓檬
孔宪京
周晨光
刘京茂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202010984782.2A priority Critical patent/CN112161867B/zh
Publication of CN112161867A publication Critical patent/CN112161867A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112161867B publication Critical patent/CN112161867B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025—Geometry of the test
    • G01N2203/0256—Triaxial, i.e. the forces being applied along three normal axes of the specimen

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明提供一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法，属于土工试验技术领域，包括压力室上下盘，及设置在压力室上下盘之间的三个结构相同的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置，其安装位置沿三轴试样圆周方向三等分点处，及外置轮辐式力传感器、外置局部位移传感器、上下孔隙水压力传感器、传感器、试样底座、三个三轴压力室腔体支柱、试样等。本发明能够动态跟踪同步测量三轴试样局部轴向‑径向位移，用于常规静动三轴试验中试样局部轴向‑径向位移测量，可实现对于三轴试样不同局部位置泊松比的精准测量；在试验过程中不会对三轴试样的变形产生干扰。本发明安装方法简便，且测量的精准度高具有良好的推广价值。

Description

一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法
技术背景
中国是一个地震频发的国家，处在环太平洋和地中海—喜马拉雅两大地震带上。近些年，随着水利水电事业的蓬勃发展，包括两河口大坝在内等处于建设中和如美大坝在内等处于预研中的大型水利工程都受到强震的威胁。为了更好地为这些大型工程提供抗震性能分析，试验结果的可靠与否对其产生重大影响。
在现阶段的动力计算数值分析中，动泊松比通常认为是常数，实际是一个随着剪应变发展而变化的量。之所以这么做是因为，没有办法准确的测量泊松比与剪应变发展之间的规律。因为坝体在强震作用下，剪应变水平通常大于0.01％，所以一般采用三轴试验仪来完成相关坝体材料的试验研究。
在三轴试验研究中，泊松比的测量方法主要是依赖局部位移的测量，包括局部轴向位移和局部径向位移，常见的方法有以下几种：
(1)固定式局部位移传感器测量法
该方法主要是在三轴试样外表面安装局部位移传感器进行点位测量，但该方法仅能测量局部径向变形；除此以为，类似的方法是将局部位移传感器安装在压力室内部，固定在压力室上盘或者支柱上，局部位移传感器触头不能随测点位置变化移动，测量结果不准确。
(2)霍尔效应传感器测量法
该方法是将霍尔效应传感器安装在固定于三轴试样表面上粘贴的铰链的一端轭上，当试样变形时，轭的换能器将打开或关闭，使铰链另一端轭发生旋转。因此，霍尔效应传感器的读数与试样径向变形之间存在一定关系，从而测量三轴试样径向变形。该方法设备安装难度极大，固定鞘会刺破乳胶膜，不利于试验进行，且该方法只能测量三轴试样径向变形。
(3)近物体传感器测量法
该方法主要的原理是：当涡流在金属靶中循环时，将会损失磁场。磁场的损失随探头和三轴试样表面测点之间的距离而变化。换能器中的线圈在目标中感应出涡流，该涡流随换能器与三轴试样表面测点之间的距离而变化。涡流的变化会引起阻抗的相应变化，可以通过将传感器连接到惠斯通电桥电路来测量。该方法主要分为固定型和浮动型，虽然测量精度相对较高，达到0.001％，但是传感器价格十分高昂，且安装难度非常大。该方法目前只用来测量试样轴向变形。
(4)光纤布拉格光栅线性变形传感器测量法
该方法是利用光纤技术为基础的光纤布拉格光栅线性变形传感器与传统LDT传感器相结合的测量方法，传感器全部布置在试样表面。该方法的基本原理与LDT传感器原理类似，不作赘述。该方法的精度主要取决于光纤布拉格光栅线性变形传感器的分辨率和校准系数。由于该方法安装过程中使用大量粘合剂，粘合剂的蠕变误差将导致测量的准确性得不到保证。该方法只用于测量试样轴向变形。
(5)图像视觉跟踪测量法
该类方法主要是采用工业相机对加载过程中的试样进行实时跟踪拍摄，再根据实时图像利用图像分析程序进行处理，获取试样的变形情况，该方法对于实验室环境要求相对较高，振动及光环境的变化都会影响测量的结果，且在每次试验开始前都要对搭载的相机设备进行调整，标定，前期准备工作繁杂。该方法可以对试样的轴向和径向变形同时测量。
上述方法均存在各自的优缺点，但是最致命的缺陷在于无法准确测量三轴试样表面某一测点实时的轴向位移和径向位移。由此可见，目前亟需一种可以同步测量三轴试样局部轴向位移和径向位移的测量装置，从而准确测算出泊松比与剪应变水平之间的关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备装置简单、试验操作方便并能够减小试验过程中对试样的干扰，同时又能够准确测量三轴试样局部轴向-径向位移的装置，并通过多局部测量的方法实现对于三轴试样泊松比与剪应变水平间关系的精确测定。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置，能够动态跟踪同步测量三轴试样局部轴向-径向位移，用于常规静动三轴试验中试样局部轴向-径向位移测量。所述的装置包括外置轮辐式力传感器1、外置局部位移传感器2、上孔隙水压力传感器3A、下孔隙水压力传感器3B、三轴压力室腔体围压传感器4、三轴压力室上盘5、内置轮辐式力传感器及试样帽组合体6、试样底座7、三轴压力室腔体支柱8A、三轴压力室腔体支柱8B、三轴压力室腔体支柱8C、三轴压力室下盘9、三轴试样10、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C，加载轴13及外延平板夹具14。所述的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C结构相同。所述的外置轮辐式力传感器1上表面连接口与加载作动装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与加载轴13上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置局部位移传感器2通过夹具将其固定在三轴压力室上盘5上，其触头与加载轴13上外延平板夹具14上表面垂直接触，用于测量三轴试样10的轴向位移；所述的上孔隙水压力传感器3A与下孔隙水压力传感器3B安装在三轴压力室上盘5上表面，分别用于测量三轴试样10上端和下端孔隙水压力值；所述的轴压力室腔体围压传感器4安装在三轴压力室上盘5上表面，触头与三轴压力室腔体内部连通，用于测量三轴压力室腔体内部压力；所述的内置轮辐式力传感器及试样帽组合体6上表面连接口与加载轴13下端相连，其下表面与三轴试样10上端面接触，用于固定三轴试样10上端；所述的试样底座7置于三轴压力室下盘9中部，其上方放置三轴试样10；所述的三轴压力室腔体支柱8A、三轴压力室腔体支柱8B、三轴压力室腔体支柱8C位于三轴压力室上盘5和三轴压力室下盘9之间，起到支撑作用。所述任意相邻两个三轴压力室腔体支柱之间均设置一个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置,三个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置安装位置为沿三轴试样10圆周方向三等分点处。
所述的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A包括步进电机11A1、电动滑台11A2、电动滑台底座11A3、激光位移传感器11A4、笔式局部位移传感器及其传动结构11A5。所述步进电机11A1连接轴与电动滑台11A2传动轴首端相连，激光位移传感器11A4通过螺栓与分离式可旋转夹具装配在电动滑台11A2台面上端中心位置处，在电动滑台11A2台面下端中心位置处装配笔式局部位移传感器及其传动结构11A5，电动滑台11A2下端嵌入电动滑台底座11A3并进行调平固定。
进一步的，所述的笔式局部位移传感器及其传动结构11A5主要包括笔式局部位移传感器11A51、笔式局部位移传感器夹具11A52、配平轴承安装槽11A53、低摩阻球面轴承11A54、带圆柱轴扇形连接垫块11A55、T型弹簧支撑11A56、弹簧11A57、激光投射平板11A58，具体如下：
所述的笔式局部位移传感器夹具11A52侧视为工字型，在中轴上侧向设置笔式局部位移传感器11A51固定孔，在固定孔旁垂直设置锚固孔，用于锁紧笔式局部位移传感器11A51；在上下端面中心位置设置通孔，用于放置螺栓使其固定在配平轴承安装槽11A53上下端面的凹槽中。
所述的配平轴承安装槽11A53为工字型结构，中部设有用于嵌入低摩阻球面轴承11A54的带边缘固定板圆形通孔，通孔一侧设置方形板槽，沿在圆形通孔轴线方向在圆形通孔边缘设置两个螺纹孔，用于固定方形盖板，上下端面设有与笔式局部位移传感器夹具11A52上下端面配合的凹槽。
所述的低摩阻球面轴承11A54装配在配平轴承安装槽11A53中心圆形通孔中，在低摩阻球面轴承11A54外壁与配平轴承安装槽11A53中心圆形通孔内壁用高强速干胶水进行固结，并在低摩阻球面轴承11A54另一侧壁用方形盖板覆盖，并用螺栓进行锚固，该方形盖板中心部位设置与配平轴承安装槽11A53中心圆形通孔中直径相同的通孔，目的在于可以使带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端可以与低摩阻球面轴承11A54内壁连接。
所述的带圆柱轴扇形连接垫块11A55可以使得笔式局部位移传感器11A51随着测点变形发生旋转，圆柱轴端与低摩阻球面轴承11A54内壁相接，并用高强度速干胶水进行固结。所述的带圆柱轴扇形连接垫块11A55为扇形体，弧度为30°，在扇形面一侧设置四个中心对称的螺纹孔，该通孔用于将带圆柱轴扇形连接垫块11A55锚固在电动滑台11A2台面下端中心位置处。在将带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘侧面设置T型弹簧支撑11A56，并用螺栓将T型弹簧支撑11A56中心轴锚固在带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘。在T型弹簧支撑11A56两翼端套置弹簧11A57。T型弹簧支撑11A56及弹簧11A57的安装主要是为了使该装置在测量过程中，在变形较迅速或者出现大变形是可以保证测量装置的稳定，防止该装置失控，造成设备损坏。
所述的激光投射平板11A58为长方体薄板，上表面光滑平整用于反射激光位移传感器11A4投射的激光，下表面开设螺纹孔用于将其锚固在配平轴承安装槽11A53上表面。
一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的方法，包括以下步骤：
第一步，组装激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A；
1.1)首先组装笔式局部位移传感器及其传动结构11A5：
将低摩阻球面轴承11A54嵌入配平轴承安装槽11A53，并在两者缝隙处灌入高强速干胶水进行固结，并在低摩阻球面轴承11A54另一侧壁用方形盖板覆盖，并用螺栓进行锚固，使低摩阻球面轴承11A54外圈可以固定在配平轴承安装槽11A53槽壁上。将笔式局部位移传感器夹具11A52垂直于工字型配平轴承安装槽11A53进行装配，使笔式局部位移传感器夹具11A52的上下端固定在配平轴承安装槽11A53上下端面的凹槽中，并在两者组合体上下面进行锚固，而后在组合体在上表面锚固激光投射平板11A58。将笔式局部位移传感器11A51插入笔式局部位移传感器夹具11A52中轴上外侧固定孔中，调整笔式局部位移传感器夹具11A52位置并调节外侧锚固孔中螺栓对笔式局部位移传感器11A51进行锁紧。上述笔式局部位移传感器11A51、笔式局部位移传感器夹具11A52、配平轴承安装槽11A53及低摩阻球面轴承11A54组装成的组合体与带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端相连；将带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端插入低摩阻球面轴承11A54内圈，并将高强速干胶水将渗入圆柱轴端与低摩阻球面轴承11A54内圈内壁进行固结。待固结完成，在带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘设置T型弹簧支撑11A56，并用螺栓将T型弹簧支撑11A56中心轴锚固带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘。在T型弹簧支撑11A56两翼端套置弹簧11A57。完成上述步骤即可获得笔式局部位移传感器及其传动结构11A5。
1.2)将笔式局部位移传感器及其传动结构11A5安装在电动滑台11A2台面下端中心位置处；将激光位移传感器11A3通过螺栓与分离式可旋转夹具装配在电动滑台11A2台面上端中心位置处；将步进电机11A1连接轴与电动滑台11A2传动轴首端相连；上述构件组合完成后，将组合体中电动滑台11A2末端嵌入电动滑台底座11A3并进行调平固定。在此步骤中，所有的连接方式均为锚接。
完成上述两个步骤即完成激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A的安装。
第二步，将组装完成的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A安装在三轴仪压力室内部，位于三轴压力室上盘5和三轴压力室下盘9之间，所述电动滑台底座11A3下表面安装在三轴压力室下盘9上表面。
第三步，调整激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A的位置，使其笔式局部位移传感器11A51触头与三轴试样10表面测点位置处粘贴的测点垫块12A接触，接触点位为测点垫块12A中心位置，保证笔式局部位移传感器11A51中心线延长线与三轴试样10轴心线相交，此时激光投射平板11A58上平面与试样轴线保证垂直，即激光投射平板11A58处于水平状态；
第四步，调整分离式可旋转夹具使得激光位移传感器11A3发射的激光束与激光投射平板11A58保证垂直，且激光入射线与反射线形成的面与笔式局部位移传感器11A51平行，如附图3所示。待激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A安装位置确定好，将其锚固在在三轴压力室下盘9上表面，完成激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量11A装置安装。
第五步，上述安装过程以其中激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A为例，另外激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C的安装方法与其第一步到第四步的过程完全相同。三个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置安装位置沿三轴试样10圆周方向三等分点处。测点高度及由实际测量需求确定，为满足测量需求，可更换不同高度的底座。
第六步，根据上述激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C的测量结果阐述三轴试样10局部泊松比的计算方法。由任意两个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置测点的测量结果计算三轴试样10三个局部位置的泊松比，上述三局部位置为测点A与测点B中间段、测点B与测点C中间段、测点A与测点C中间段，泊松比的具体计算方法以测点A与测点B中间段为例：
经激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A测量三轴试样10在测点A处得轴向位移VA和径向位移RA；经激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B测量三轴试样10在测点B处得轴向位移VB和径向位移RB；试样初始状态直径已知为R；测点A与测点B之间的垂直高度H；计算得三轴试样10测点A处径向应变为εAr及测点B处径向应变为εBr；计算得三轴试样10测点A及测点B间局部轴向应变为εAB_a，计算得，公式如下：
Figure BDA0002688789600000061
Figure BDA0002688789600000062
Figure BDA0002688789600000063
由上述结果进一步计算出三轴试样10测点A与测点B局部泊松比υAB，公式如下：
εAB_r＝(εAr+εBr)/2
Figure BDA0002688789600000064
综上所述，有由上述激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B的测量结果及上述泊松比的计算方法可以求得三轴试样10测点A和测点B中间段泊松比。其余测点间局部泊松比的计算方法与上述方法一致。
本发明激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置的测量原理如下，现根据附图6(a)及附图6(b)，进行详细描述：
由附图6(a)，激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B安装完成时，三轴试样10A处于初始状态，局部测点未发生任何方向上的位移。笔式局部位移传感器及其连接结构11A5A和笔式局部位移传感器及其连接结构11B5A与三轴试样10A轴线保持垂直，激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A投射的激光线分别与激光投射平板11A58和激光投射平板11B58保持垂直状态，此时上述测量装置均处于平衡位置；笔式局部位移传感器11A51A和笔式局部位移传感器11B51A均处于初始状态，对应测点的径向位移数值为0；电动滑台11A2A和电动滑台11B2A均处于初始状态，对应测点的轴向位移数值为0；激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A数值均处于测量范围平衡位置，对应的数值为控制参数。进一步，三轴仪作动装置开始加载，三轴试样10A发生形变至三轴试样10B，局部测点在轴向和径向均发生位移，此处，不考虑试样体局测点部发生转动平面内转动；随着局部测点的位移变化，笔式局部位移传感器及传动装置11A5B和笔式局部位移传感器及传动装置11B5B发生旋转；激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A分别测得与激光投射平板11A58B和激光投射平板11B58B之间的距离已经超越起始平衡位置，记录偏差值作为控制参数，该控制参数主要是转化为步进电机11A1A和步进电机11B1A；此时电动滑台11A2A和电动滑台11B2A尚未在控制程序的驱动下发生滑动。
由附图6(b)，三轴仪作动装置保持加载状态，三轴试样10B变形结束，此时为一个循环控制中变形位点，并不是实际试验过程中的变形结束。激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置控制程序获取激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A分别于激光投射平板11A58A和激光投射平板11B58A之间的距离变化值，将该变化值转化为步进电机11A1A和步进电机11B1A控制参数，控制步进电机11A1A和步进电机11B1A，推动电动滑台11A2A和电动滑台11B2A,当笔式局部位移传感器及其连接结构11A5C和笔式局部位移传感器及其连接结构11B5C回归至平衡位置时，步进电机11A1C和步进电机11B1C停止工作，此时电动滑台11A2C和电动滑台11B2C滑动的距离分别记作对应测点的轴向位移值；同时，笔式局部位移传感器11A51C和笔式局部位移传感器11B51C测得位移值分别记作对应测点的径向位移值；此时激光位移传感器11A4C和激光位移传感器11B4C分别与激光投射平板11A58C和激光投射平板11B58C之间的位移数值回到初始平衡状态，完成一个循环控制。
上述测量过程在试验过程中反复进行，激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A与激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B控制采集算法不在本发明内容中详述。
上述测量原理描述以激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A与激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B为例，其余装置的原理与其完全相同，在此不做赘述。
本发明的有益效果是：
本发明的装置及方法可以实现对于三轴试样不同局部位置泊松比的精准测量，该装置及方法不仅适用于常规静力三轴试样，同样适用于常规循环三轴试验及常规动力三轴试验，使用范围广泛。虽然该装置的测量方法是接触式测量，但是仅为笔式局部位移触感器触头与试样表面测点的点接触，为弹性接触，在试验过程中不会对三轴试样的变形产生干扰。该装置体积较小，不需要对现有的三轴压力室进行额外的改造，成本较低，且可以循环使用。该装置的安装方法简便，操作难度低，且测量的精准度高，对于实验室环境要求低，耐高温，耐高压，为室内土工试样及相关土工材料的本构关系研究发展提供了便利且有效的测量手段，具有良好的推广价值。
附图说明
图1集成三位激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置的三轴试验仪压力室示意图；
图2激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置示意图；
图3激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置安装位置示意图；
图4激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置各构件示意图；图4(a)步进电机11A1；图4(b)电动滑台11A2；图4(c)底座11A3；图4(d)激光位移传感器11A4；图4(e)笔式局部位移传感器及其传动结构11A5；
图5笔式局部位移传感器及其连接结构各构件示意图；图5(a)笔式局部位移传感器11A51；图5(b)笔式局部位移传感器夹具11A52；图5(c)配平轴承安装槽11A53；图5(d)低摩阻球面轴承11A54；图5(e)带圆柱轴扇形连接垫块11A55、T型弹簧支撑11A56及弹簧11A57组合体；图5(f)激光投射平板11A58；
图6(a)利用激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置测量三轴试样局部轴向-径向变形过程原理图(变形前-变形中)；图6(b)利用激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置测量三轴试样局部轴向-径向变形过程原理图(变形中-变形结束)。
图7(a)利用激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置测量三轴试样局部轴向应变结果；图7(b)利用激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置测量三轴试样局部径向应变结果；图7(c)利用激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置测量三轴试样局部泊松比结果。
图中：1外置力传感器；2外置位移传感器；3A上孔隙水压力传感器；3B下孔隙水压力传感器；4压力室腔体内部压力传感器；5压力室上盘；6三轴试样帽；7三轴试样底座；8A压力室腔体支柱a；8B压力室腔体支柱b；8C压力室腔体支柱c；9压力室下盘；10三轴试样；11A激光位移控制动态跟踪位移测量装置a；11B激光位移控制动态跟踪位移测量装置b；11C激光位移控制动态跟踪位移测量装置c；13加载轴；14外延平板夹具；
11A1步进电机a；11A2电动滑台a；11A3滑台支撑底座a；11A4激光位移传感器及连接件a；11A5笔式局部位移传感器及传动装置a；12A垫块a；
11B1步进电机b；11B2电动滑台b；11B3滑台支撑底座b；11B4激光位移传感器及连接件b；11B5笔式局部位移传感器及传动装置b；12B垫块b；
11C1步进电机c；11C2电动滑台c；11C3滑台支撑底座c；11C4激光位移传感器及连接件c；11C5笔式局部位移传感器及传动装置c；12C垫块c；
11A51笔式局部位移传感器a；11A52笔式局部位移传感器夹具a；11A53配平轴承安装槽a；11A54低摩阻球面轴承a；11A55带圆柱轴扇形连接垫块a；11A56 T型弹簧支撑a；11A57弹簧a；11A58激光投射平板a；
10A三轴试样变形前；10B三轴试样变形后；11A1A 测量起始状态步进电机a；11A1C测量结束状态步进电机a；11A2A测量起始状态电动滑台a；11A2C测量结束状态电动滑台a；11A4A测量起始状态激光位移传感器a；11A4C测量结束状态激光位移传感器a；11A5A测量起始状态笔式局部位移传感器及传动装置a；11A5B测量过程中笔式局部位移传感器及传动装置a；11A5C测量结束状态笔式局部位移传感器及传动装置a；11A51A测量起始状态笔式局部位移传感器a；11A51C测量结束状态笔式局部位移传感器a；11A58A测量起始状态激光投射平板a；11A58C测量结束状态激光投射平板a；11B1A测量起始状态步进电机b；11B1C测量结束状态步进电机b；11B2A测量起始状态电动滑台b；11B2B测量过程中电动滑台b；11B2C测量结束状态电动滑台b；11B4A测量起始状态激光位移传感器b；11B4B测量过程中激光位移传感器b；11B4C测量结束状态激光位移传感器b；11B5A测量起始状态笔式局部位移传感器及窗洞装置b；11B5B测量过程中笔式局部位移传感器及传动装置b；11B5C测量结束状态笔式局部位移传感器及传动装置b；11B51A测量起始状态笔式局部位移传感器b；11B51C测量结束状态笔式局部位移传感器b；11B58A测量起始状态激光投射平板b；11B58C测量结束状态激光投射平板b。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
在本发明的具体实施例中，应当注意的是，在下述附图中，部分构件功能相同，但使用了不同的编号，在进行文字描述时，在名称后用大写英文字母A.B.C加以区分，在具体实施过程中则不需要区别对待，因其功能及使用方法是完全相同的。
在本发明的具体实施例中，应该明确说明的是，一些表示相对方向或者相对位置的术语，例如“上端”、“下端”、“中心”、“侧面”等，都是为了描述某一具体构件相对其他构件所处的方位或者位置关系。该方位或者位置的描述，仅仅是为了方便且清晰的描述具体实施例，并不代表实际实施工程中不一定被严格限定，可以根据各构件尺寸等实际信息加以改动。
如附图1，所述的激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置，能够动态跟踪同步测量三轴试样局部轴向-径向位移，用于常规静动三轴试验中试样局部轴向-径向位移测量。三轴试验仪主要包括外置轮辐式力传感器1、外置局部位移传感器2、上孔隙水压力传感器3A、下孔隙水压力传感器3B、三轴压力室腔体围压传感器4、三轴压力室上盘5、内置轮辐式力传感器及试样帽组合体6、试样底座7、三轴压力室腔体支柱8A、三轴压力室腔体支柱8B、三轴压力室腔体支柱8C、三轴压力室下盘9、三轴试样10、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C，加载轴13及外延平板夹具14；其中，激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C结构相同。所述的外置轮辐式力传感器1上表面连接口与加载作动装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与加载轴13上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置局部位移传感器2通过夹具将其固定在三轴压力室上盘上，其触头与加载轴13上外延平板夹具14上表面垂直接触，用于测量三轴试样10的轴向位移；所述的上孔隙水压力传感器3A与下孔隙水压力传感器3B安装在三轴压力室上盘5上表面，分别用于测量三轴试样10上端和下端孔隙水压力值；所述的轴压力室腔体围压传感器4安装在三轴压力室上盘5上表面，触头与三轴压力室腔体内部连通，用于测量三轴压力室腔体内部压力；所述的内置轮辐式力传感器及试样帽组合体6上表面连接口与加载轴13下端相连，其下表面与三轴试样10上端面接触，用于固定三轴试样10上端；所述的试样底座7置于三轴压力室下盘9中部，其上方放置三轴试样10，用于固定三轴试样10下端；所述的三轴压力室腔体支柱8A、三轴压力室腔体支柱8B、三轴压力室腔体支柱8C位于三轴压力室上盘5和三轴压力室下盘9之间，起到支撑作用。所述任意相邻两个三轴压力室腔体支柱之间均设置一个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置,三个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置安装位置沿三轴试样10圆周方向三等分点处。
如附图2、附图4(a)、附图4(b)、附图4(c)、附图4(d)及附图4(e)，所述的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量A装置主要包括步进电机11A1、电动滑台11A2、电动滑台底座11A3、激光位移传感器11A4、笔式局部位移传感器及其传动结构11A5。步进电机11A1连接轴与电动滑台11A2传动轴首端相连，激光位移传感器11A4通过螺栓与分离式可旋转夹具装配在电动滑台11A2台面上端中心位置处，在电动滑台11A2台面下端中心位置处装配笔式局部位移传感器及其传动结构11A5，电动滑台11A2下端嵌入电动滑台底座11A3并进行调平固定。
如附图5(a)、附图5(b)、附图5(c)、附图5(d)、附图5(e)、及附图5(f)，所述的笔式局部位移传感器及其传动结构11A5主要包括笔式局部位移传感器11A51、笔式局部位移传感器夹具11A52、配平轴承安装槽11A53、低摩阻球面轴承11A54、带圆柱轴扇形连接垫块11A55、T型弹簧支撑11A56、弹簧11A57、激光投射平板11A58。
所述的笔式局部位移传感器夹具11A52侧视为工字型，在中轴上侧向设置笔式局部位移传感器11A51固定孔，在固定孔旁垂直设置锚固孔，用于锁紧笔式局部位移传感器11A51；在上下端面中心位置设置通孔，用于放置螺栓使其固定在配平轴承安装槽11A53上下端面的凹槽中。
所述的配平轴承安装槽11A53为工字型结构，中部设有用于嵌入低摩阻球面轴承11A54的带边缘固定板圆形通孔，通孔一侧设置方形板槽，沿在圆形通孔轴线方向在圆形通孔边缘设置两个螺纹孔，用于固定方形盖板，上下端面设有与笔式局部位移传感器夹具11A52上下端面配合的凹槽。
所述的低摩阻球面轴承11A54装配在配平轴承安装槽11A53中心圆形通孔中，在低摩阻球面轴承11A54外壁与配平轴承安装槽11A53中心圆形通孔内壁用高强速干胶水进行固结，并在低摩阻球面轴承11A54另一侧壁用方形盖板覆盖，并用螺栓进行锚固，该方形盖板中心部位设置与配平轴承安装槽11A53中心圆形通孔中直径相同的通孔，目的在于可以使带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端可以与低摩阻球面轴承11A54内壁连接。
所述的带圆柱轴扇形连接垫块11A55可以使得笔式局部位移传感器11A51随着测点变形发生旋转，圆柱轴端与低摩阻球面轴承11A54内壁相接，并用高强度速干胶水进行固结。所述的带圆柱轴扇形连接垫块11A55为扇形体，弧度为30°，在扇形面一侧设置四个中心对称的螺纹孔，该通孔用于将带圆柱轴扇形连接垫块11A55锚固在电动滑台11A2台面下端中心位置处。在将带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘侧面设置T型弹簧支撑11A56，并用螺栓将T型弹簧支撑11A56中心轴锚固在带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘。在T型弹簧支撑11A56两翼端套置弹簧11A57。T型弹簧支撑11A56及弹簧11A57的安装主要是为了使该装置在测量过程中，在变形较迅速或者出现大变形是可以保证测量装置的稳定，防止该装置失控，造成设备损坏。
所述的激光投射平板11A58为长方体薄板，上表面光滑平整用于反射激光位移传感器11A4投射的激光，下表面开设螺纹孔用于将其锚固在配平轴承安装槽11A53上表面。
按照步骤组装激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置，下述步骤以激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A为例：
1.1)首先组装笔式局部位移传感器及其传动结构11A5：
将低摩阻球面轴承11A54嵌入配平轴承安装槽11A53，并在两者缝隙处灌入高强速干胶水进行固结，并在低摩阻球面轴承11A54另一侧壁用方形盖板覆盖，并用螺栓进行锚固，使低摩阻球面轴承11A54外圈可以固定在配平轴承安装槽11A53槽壁上。将笔式局部位移传感器夹具11A52垂直于工字型配平轴承安装槽11A53进行装配，使笔式局部位移传感器夹具11A52的上下端固定在配平轴承安装槽11A53上下端面的凹槽中，并在两者组合体上下面进行锚固，而后在组合体在上表面锚固激光投射平板11A58。将笔式局部位移传感器11A51插入笔式局部位移传感器夹具11A52中轴上外侧固定孔中，调整笔式局部位移传感器夹具11A52位置并调节外侧锚固孔中螺栓对笔式局部位移传感器11A51进行锁紧。上述笔式局部位移传感器11A51、笔式局部位移传感器夹具11A52、配平轴承安装槽11A53及低摩阻球面轴承11A54组装成的组合体与带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端相连；将带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端插入低摩阻球面轴承11A54内圈，并将高强速干胶水将渗入圆柱轴端与低摩阻球面轴承11A54内圈内壁进行固结。待固结完成，在带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘设置T型弹簧支撑11A56，并用螺栓将T型弹簧支撑11A56中心轴锚固带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘。在T型弹簧支撑11A56两翼端套置弹簧11A57。完成上述步骤即可获得笔式局部位移传感器及其传动结构11A5。
1.2)将笔式局部位移传感器及其传动结构11A5安装在电动滑台11A2台面下端中心位置处；将激光位移传感器11A3通过螺栓与分离式可旋转夹具装配在电动滑台11A2台面上端中心位置处；将步进电机11A1连接轴与电动滑台11A2传动轴首端相连；上述构件组合完成后，将组合体中电动滑台11A2末端嵌入电动滑台底座11A3并进行调平固定。在此步骤中，所有的连接方式均为锚接。
完成上述两个步骤即完成激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A的安装。
本发明激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置的测量原理如下，现根据附图6(a)及附图6(b)，进行详细描述：
由附图6(a)，激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B安装完成时，三轴试样10A处于初始状态，局部测点未发生任何方向上的位移。笔式局部位移传感器及其连接结构11A5A和笔式局部位移传感器及其连接结构11B5A与三轴试样10A轴线保持垂直，激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A投射的激光线分别与激光投射平板11A58和激光投射平板11B58保持垂直状态，此时上述测量装置均处于平衡位置；笔式局部位移传感器11A51A和笔式局部位移传感器11B51A均处于初始状态，对应测点的径向位移数值为0；电动滑台11A2A和电动滑台11B2A均处于初始状态，对应测点的轴向位移数值为0；激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A数值均处于测量范围平衡位置，对应的数值为控制参数。进一步，三轴仪作动装置开始加载，三轴试样10A发生形变至三轴试样10B，局部测点在轴向和径向均发生位移，此处，不考虑试样体局测点部发生转动平面内转动；随着局部测点的位移变化，笔式局部位移传感器及传动装置11A5B和笔式局部位移传感器及传动装置11B5B发生旋转；激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A分别测得与激光投射平板11A58B和激光投射平板11B58B之间的距离已经超越起始平衡位置，记录偏差值作为控制参数，该控制参数主要是转化为步进电机11A1A和步进电机11B1A；此时电动滑台11A2A和电动滑台11B2A尚未在控制程序的驱动下发生滑动。
由附图6(b)，三轴仪作动装置保持加载状态，三轴试样10B变形结束，此时为一个循环控制中变形位点，并不是实际试验过程中的变形结束。激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置控制程序获取激光位移传感器11A4A和激光位移传感器11B4A分别于激光投射平板11A58A和激光投射平板11B58A之间的距离变化值，将该变化值转化为步进电机11A1A和步进电机11B1A控制参数，控制步进电机11A1A和步进电机11B1A，推动电动滑台11A2A和电动滑台11B2A,当笔式局部位移传感器及其连接结构11A5C和笔式局部位移传感器及其连接结构11B5C回归至平衡位置时，步进电机11A1C和步进电机11B1C停止工作，此时电动滑台11A2C和电动滑台11B2C滑动的距离分别记作对应测点的轴向位移值；同时，笔式局部位移传感器11A51C和笔式局部位移传感器11B51C测得位移值分别记作对应测点的径向位移值；此时激光位移传感器11A4C和激光位移传感器11B4C分别与激光投射平板11A58C和激光投射平板11B58C之间的位移数值回到初始平衡状态，完成一个循环控制。
上述测量过程在试验过程中反复进行，激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A与激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B控制采集算法不在本发明内容中详述。
上述测量原理描述以激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A与激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B为例，其余装置的原理与其完全相同，在此不做赘述。
现以砂砾料固结排水循环加卸载试验为例，具体阐述如何利用本发明装置对三轴试样局部泊松比进行准确测量：
首先，按照《土工试验规程SL237-1999》制备砂砾料三轴试样，并完成砂砾料三轴试样安装。
进一步，组装激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A，激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C；详细步骤以组装激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A为例：
1.1)首先组装笔式局部位移传感器及其传动结构11A5：
将低摩阻球面轴承11A54嵌入配平轴承安装槽11A53，并在两者缝隙处灌入高强速干胶水进行固结，并在低摩阻球面轴承11A54另一侧壁用方形盖板覆盖，并用螺栓进行锚固，使低摩阻球面轴承11A54外圈可以固定在配平轴承安装槽11A53槽壁上。将笔式局部位移传感器夹具11A52垂直于工字型配平轴承安装槽11A53进行装配，使笔式局部位移传感器夹具11A52的上下端固定在配平轴承安装槽11A53上下端面的凹槽中，并在两者组合体上下面进行锚固，而后在组合体在上表面锚固激光投射平板11A58。将笔式局部位移传感器11A51插入笔式局部位移传感器夹具11A52中轴上外侧固定孔中，调整笔式局部位移传感器夹具11A52位置并调节外侧锚固孔中螺栓对笔式局部位移传感器11A51进行锁紧。上述笔式局部位移传感器11A51、笔式局部位移传感器夹具11A52、配平轴承安装槽11A53及低摩阻球面轴承11A54组装成的组合体与带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端相连；将带圆柱轴扇形连接垫块11A55圆柱轴端插入低摩阻球面轴承11A54内圈，并将高强速干胶水将渗入圆柱轴端与低摩阻球面轴承11A54内圈内壁进行固结。待固结完成，在带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘设置T型弹簧支撑11A56，并用螺栓将T型弹簧支撑11A56中心轴锚固带圆柱轴扇形连接垫块11A55外径边缘。在T型弹簧支撑11A56两翼端套置弹簧11A57。完成上述步骤即可获得笔式局部位移传感器及其传动结构11A5。
1.2)将笔式局部位移传感器及其传动结构11A5安装在电动滑台11A2台面下端中心位置处；将激光位移传感器11A3通过螺栓与分离式可旋转夹具装配在电动滑台11A2台面上端中心位置处；将步进电机11A1连接轴与电动滑台11A2传动轴首端相连；上述构件组合完成后，将组合体中电动滑台11A2末端嵌入电动滑台底座11A3并进行调平固定。在此步骤中，所有的连接方式均为锚接。
完成上述两个步骤即完成激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A的安装。
进一步，将组装完成的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A安装在三轴仪压力室内部，位于三轴压力室上盘5和三轴压力室下盘9之间，所述电动滑台底座11A3下表面与三轴压力室下盘9上表面平行接触。
进一步，调整激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置的位置，使其笔式局部位移传感器11A51触头与三轴试样10表面测点位置处粘贴的测点垫块12A接触，接触点位为测点垫块12A中心位置，保证笔式局部位移传感器11A51中心线延长线与三轴试样10轴心线相交，此时激光投射平板11A58上平面与试样轴线保证垂直，即激光投射平板11A58处于水平状态；
进一步，调整分离式可旋转夹具使得激光位移传感器11A3发射的激光束与激光投射平板11A58保证垂直，且激光入射线与反射线形成的面与笔式局部位移传感器11A51平行，如附图3所示。待激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A安装位置确定好，将其锚固在在三轴压力室下盘9上表面，完成激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量11A装置安装。
进一步，上述安装过程以其中激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A为例，另外激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C的安装方法与其第一步到第四步的过程完全相同。三个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置安装位置沿三轴试样10圆周方向三等分点处。测点高度及由实际测量需求确定，为满足测量需求，可更换不同高度的底座。
进一步地，继续按照《土工试验规程SL237-1999》，对砂砾料三轴试样进行通气，饱和及固结。将激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A的步进电机11A1控制线，激光位移传感器11A3数据线及笔式局部位移传感器11A51数据线与控制采集电控机上采集控制卡相连；将激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B的步进电机11B1控制线，激光位移传感器11B3数据线及笔式局部位移传感器11B51数据线与控制采集电控机上采集控制卡相连；将激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C的步进电机11C1控制线，激光位移传感器11C3数据线及笔式局部位移传感器11C51数据线与控制采集电控机上采集控制卡相连；完成试验加载前的所有准备工作。
进一步地，同时激活三轴加载控制程序和激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置控制采集程序，开始试验，分别记录上述激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A、激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B及激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11C的测量结果；根据三个测点的测量结果，可以计算三轴试样10三个局部位置的泊松比，上述三局部位置为测点A与测点B中间段，测点B与测点C中间段及测点A与测点C中间段，泊松比的具体计算方法以测点A与测点B中间段为例：
经激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11A测量三轴试样10在测点A处得轴向位移VA和径向位移RA；其中电动滑台11A2的滑动位移数据为轴向位移VA，笔式局部位移传感器11A51的数据为径向位移RA；经激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置11B测量三轴试样10在测点B处得轴向位移VB和径向位移RB；其中电动滑台11B2的滑动位移数据为轴向位移VB，笔式局部位移传感器11B51的数据为径向位移RB；试样初始状态直径已知为R；测点A与测点B之间的垂直高度H；计算得三轴试样10测点A处径向应变为εAr及测点B处径向应变为εBr；计算得三轴试样10测点A及测点B间局部轴向应变为εAB_a，计算得，公式如下：
Figure BDA0002688789600000151
Figure BDA0002688789600000152
Figure BDA0002688789600000153
由上述结果进一步计算出三轴试样10测点A与测点B局部径向应变εAB_r和测点A与测点B局部泊松比υAB，公式如下：
εAB_r＝(εAr+εBr)/2
Figure BDA0002688789600000154
如附图7(a)，计算得三轴试样10测点A与测点B局部轴向应变εAB_a结果；如附图7(b)，计算得三轴试样10测点A与测点B局部径向应变εAB_r结果；如附图7(c)，计算得三轴试样10测点A与测点B局部动态泊松比υAB。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置，其特征在于，所述的装置能够动态跟踪同步测量三轴试样局部轴向-径向位移，用于常规静动三轴试验中试样局部轴向-径向位移测量；包括外置轮辐式力传感器(1)，外置局部位移传感器(2)，上孔隙水压力传感器(3A)，下孔隙水压力传感器(3B)，三轴压力室腔体围压传感器(4)，三轴压力室上盘(5)，内置轮辐式力传感器及试样帽组合体(6)，试样底座(7)，三个三轴压力室腔体支柱(8A、8B、8C)，三轴压力室下盘(9)，三轴试样(10)，三个结构相同的激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A、11B、11C)，加载轴(13)及外延平板夹具(14)；
所述的外置轮辐式力传感器(1)上表面与加载作动装置下端相连，其下表面与加载轴(13)上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置局部位移传感器(2)通过夹具固定在三轴压力室上盘(5)上，其触头与加载轴(13)上外延平板夹具(14)上表面垂直接触，用于测量三轴试样(10)的轴向位移；所述的上下孔隙水压力传感器(3A、3B)安装在三轴压力室上盘(5)上表面，分别用于测量三轴试样(10)上端和下端孔隙水压力值；所述的轴压力室腔体围压传感器(4)安装在三轴压力室上盘(5)上表面，触头与三轴压力室腔体内部连通，用于测量三轴压力室腔体内部压力；所述的内置轮辐式力传感器及试样帽组合体(6)固定在三轴试样(10)上，其上表面与加载轴(13)下端相连；所述的试样底座(7)置于三轴压力室下盘(9)中部，其上方放置三轴试样(10)；所述的三个三轴压力室腔体支柱(8A、8B、8C)位于三轴压力室上盘(5)和三轴压力室下盘(9)之间，起到支撑作用；任意相邻两个三轴压力室腔体支柱之间均设置一个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置，三个激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置安装位置沿三轴试样(10)圆周方向三等分点处；
第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)包括步进电机(11A1)、电动滑台(11A2)、电动滑台底座(11A3)、激光位移传感器(11A4)、笔式局部位移传感器及其传动结构(11A5)；所述步进电机(11A1)与电动滑台(11A2)相连，激光位移传感器(11A4)与分离式可旋转夹具装配在电动滑台(11A2)台面上端中心位置处，在电动滑台(11A2)台面下端中心位置处装配笔式局部位移传感器及其传动结构(11A5)，电动滑台(11A2)下端嵌入电动滑台底座(11A3)，进行调平固定；
所述的笔式局部位移传感器及其传动结构(11A5)包括笔式局部位移传感器(11A51)、笔式局部位移传感器夹具(11A52)、配平轴承安装槽(11A53)、低摩阻球面轴承(11A54)、带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)、T型弹簧支撑(11A56)、弹簧(11A57)、激光投射平板(11A58)：
所述的笔式局部位移传感器夹具(11A52)侧视为工字型，在中轴侧向设置的凸块上设置笔式局部位移传感器(11A51)固定孔，所述固定孔的轴线与配平轴承安装槽中心圆形通孔的轴线水平方向垂直；在固定孔旁垂直设置锚固孔，用于锁紧笔式局部位移传感器(11A51)；在上下端面中心位置设置通孔；
所述的配平轴承安装槽(11A53)为工字型结构，中部设有用于嵌入低摩阻球面轴承(11A54)的带边缘固定板圆形通孔，通孔一侧设置方形板槽，用于放置方形盖板，上下端面设有与笔式局部位移传感器夹具(11A52)上下端面配合的凹槽；
所述的低摩阻球面轴承(11A54)装配在配平轴承安装槽(11A53)中心圆形通孔中，并在低摩阻球面轴承(11A54)另一侧壁覆盖方形盖板，该方形盖板中心部位设置与配平轴承安装槽(11A53)中心圆形通孔中直径相同的通孔，使带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)圆柱轴端与低摩阻球面轴承(11A54)内壁连接；
所述的带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)使笔式局部位移传感器(11A51)随着测点变形发生旋转，圆柱轴端与低摩阻球面轴承(11A54)内壁相接；所述的带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)为扇形体，在扇形面一侧设置的通孔用于将带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)锚固在电动滑台(11A2)台面下端中心位置处；在将带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)外径边缘侧面设置T型弹簧支撑(11A56)；在T型弹簧支撑(11A56)两翼端套置弹簧(11A57)；
所述的激光投射平板(11A58)上表面光滑平整，用于反射激光位移传感器(11A4)投射的激光，下表面固定在配平轴承安装槽(11A53)上表面。
2.根据权利要求1所述的一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置，其特征在于，所述的低摩阻球面轴承(11A54)外壁与配平轴承安装槽(11A53)中心圆形通孔内壁之间采用高强速干胶水进行固结。
3.根据权利要求1所述的一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置，其特征在于，所述的带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)扇形体的弧度为30°。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的装置实现的激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，组装第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)；
1.1)组装笔式局部位移传感器及其传动结构(11A5)：
将低摩阻球面轴承(11A54)嵌入配平轴承安装槽(11A53)，并在两者缝隙处灌入高强速干胶水进行固结，在低摩阻球面轴承(11A54)另一侧壁用方形盖板覆盖；将笔式局部位移传感器夹具(11A52)垂直于工字型配平轴承安装槽(11A53)进行装配，使笔式局部位移传感器夹具(11A52)的上下端固定在配平轴承安装槽(11A53)上下端面的凹槽中，而后在组合体在上表面锚固激光投射平板(11A58)；将笔式局部位移传感器(11A51)插入笔式局部位移传感器夹具(11A52)中轴上外侧固定孔中，调整笔式局部位移传感器夹具(11A52)位置并调节外侧锚固孔中螺栓对笔式局部位移传感器(11A51)进行锁紧；上述组装成的组合体与带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)圆柱轴端相连；将带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)圆柱轴端插入低摩阻球面轴承(11A54)内圈；在带圆柱轴扇形连接垫块(11A55)外径边缘设置T型弹簧支撑(11A56)；在T型弹簧支撑(11A56)两翼端套置弹簧(11A57)；
1.2)将笔式局部位移传感器及其传动结构(11A5)安装在电动滑台(11A2)台面下端中心位置处；将激光位移传感器(11A3)与分离式可旋转夹具装配在电动滑台(11A2)台面上端中心位置处；将步进电机(11A1)连接轴与电动滑台(11A2)传动轴首端相连；上述构件组合完成后，将组合体中电动滑台(11A2)末端嵌入电动滑台底座(11A3)并进行调平固定；
第二步，将组装完成的第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)安装在三轴仪压力室内部，位于三轴压力室上盘(5)和三轴压力室下盘(9)之间；
第三步，调整第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)的位置，使其笔式局部位移传感器(11A51)触头与三轴试样(10)表面测点位置处粘贴的测点垫块(12A)接触，接触点位为测点垫块(12A)中心位置，保证笔式局部位移传感器(11A51)中心线延长线与三轴试样(10)轴心线相交，此时激光投射平板(11A58)上平面与试样轴线保证垂直，即激光投射平板(11A58)处于水平状态；
第四步，调整分离式可旋转夹具使得激光位移传感器(11A3)发射的激光束与激光投射平板(11A58)保证垂直，且激光入射线与反射线形成的面与笔式局部位移传感器(11A51)平行；待第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)安装位置确定好，将其锚固在在三轴压力室下盘(9)上表面，完成第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量(11A)装置安装；
第五步，第二激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11B)、第三激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11C)的安装方法与第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)的过程完全相同，三者安装位置沿三轴试样(10)圆周方向三等分点处；测点高度及由实际测量需求确定；
第六步，根据第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)、第二激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11B)、第三激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11C)任意两个的测量结果能够得到三轴试样(10)局部泊松比的计算方法；以(11A)、(11B)进行说明：
经第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)测量三轴试样(10)在测点A处得轴向位移VA和径向位移RA；经第二激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11B)测量三轴试样(10)在测点B处得轴向位移VB和径向位移RB；试样初始状态直径已知为R；测点A与测点B之间的垂直高度H；计算得三轴试样(10)测点A处径向应变为εAr及测点B处径向应变为εBr；计算得三轴试样(10)测点A及测点B间局部轴向应变为εAB_a，计算得，公式如下：
Figure FDA0003082104200000031
Figure FDA0003082104200000041
Figure FDA0003082104200000042
由上述结果进一步计算出三轴试样(10)局部泊松比υAB，公式如下：
εAB_r＝(εAr+εBr)/2
Figure FDA0003082104200000043
由第一激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11A)、第二激光位移控制动态跟踪轴径向位移测量装置(11B)的测量结果及上述泊松比的计算方法求得三轴试样(10)测点A和测点B中间段泊松比；其余测点间局部泊松比的计算方法与上述方法相同。
CN202010984782.2A 2020-09-18 2020-09-18 一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法 Active CN112161867B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010984782.2A CN112161867B (zh) 2020-09-18 2020-09-18 一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010984782.2A CN112161867B (zh) 2020-09-18 2020-09-18 一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112161867A CN112161867A (zh) 2021-01-01
CN112161867B true CN112161867B (zh) 2021-08-20

Family

ID=73859168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010984782.2A Active CN112161867B (zh) 2020-09-18 2020-09-18 一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112161867B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112985972B (zh) * 2021-01-22 2022-01-04 大连理工大学 一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法
CN112798400B (zh) * 2021-01-22 2024-06-14 大连理工大学 一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置
CN113959396B (zh) * 2021-10-08 2024-01-02 华能澜沧江水电股份有限公司 一种环箍式三轴试样局部轴向-径向变形的测量装置及使用方法
CN116773178B (zh) * 2023-08-16 2024-01-05 中检集团公信安全科技有限公司 矿山防坠器制动距离测量装置及其测量方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108645719A (zh) * 2018-05-02 2018-10-12 武汉科技大学 利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7581451B2 (en) * 2006-12-21 2009-09-01 The Boeing Company Method and apparatus for flexure testing to discover inconsistencies in composite structures
CN207946294U (zh) * 2018-04-11 2018-10-09 中国工程物理研究院电子工程研究所 圆柱结构横向变形测量装置
CN108593421B (zh) * 2018-04-20 2019-10-29 大连理工大学 一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置和方法
CN111579377B (zh) * 2020-06-05 2021-05-07 大连理工大学 一种可消除膜嵌入效应影响的动静态三轴试验装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108645719A (zh) * 2018-05-02 2018-10-12 武汉科技大学 利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112161867A (zh) 2021-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112161867B (zh) 一种激光位移控制动态跟踪测量试样泊松比的装置和方法
CN103485764B (zh) 一种钻孔测斜仪的校准装置和校准方法
CN102426085B (zh) 球面-回转面结合面接触刚度测试装置及方法
CN104713496A (zh) 用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器
CN112161866B (zh) 一种电位器控制动态跟踪双向同步位移测量装置
CN105136362A (zh) 一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置及方法
Ackerley et al. A system for measuring local radial strains in triaxial apparatus
CN107121117B (zh) 微扭矩测量装置及方法
CN101813499B (zh) 一种三维微触觉传感器的校准方法与装置
CN110346137A (zh) 用于气浮球轴承承载特性测试的自动连续动态加载方法
CN106066298B (zh) 基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量装置及测量方法
CN106556413B (zh) 一种基于压电陶瓷电机的二轴无磁电动转台
CN106248482A (zh) 一种适用于软弱性岩石的三轴试验装置及方法
CN109443765B (zh) 一种rv减速器倾覆刚性测试装置
CN111366988A (zh) 一种六自由度控制的分量式钻孔应变仪整机检测平台
CN208187873U (zh) 一种混凝土与土体界面剪切试验装置
CN103645206B (zh) 一种光纤环及其骨架材料膨胀系数简易测量方法
KR20080017080A (ko) 미세 토크 및 미세 경직도 측정 장치
CN106813816A (zh) 载荷平衡测量
Kung Equipment and testing procedures for small strain triaxial tests
O'Kelly et al. Development of a new hollow cylinder apparatus for stress path measurements over a wide strain range
CN112798400B (zh) 一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置
CN214894459U (zh) 一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置
CN108007642B (zh) 一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法
CN106989723B (zh) 超高精度倾斜测试平台

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant