CN112461646A - 一种隧道模型内置式光弹仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光弹实验与隧道模拟交叉技术领域，公开了一种隧道模型内置式光弹仪，包括：相配合的起偏镜装置和检偏镜装置；起偏镜装置包括：第一壳体、激光源、起偏镜、第一1/4波片以及第一偏转驱动组件；激光源、起偏镜以及第一1/4波片依次固定在第一壳体内；第一偏转驱动组件与起偏镜和第一1/4波片相连；检偏镜装置包括：第二壳体、检偏镜、第二1/4波片、摄像机以及第二偏转驱动组件；检偏镜、第二1/4波片以及摄像机依次固定在第二壳体内；第二偏转驱动组件与检偏镜、第二1/4波片相连；第一壳体和第二壳体上分别开设有相对布置的第一窗口和第二窗口。本发明提供的隧道模型内置式光弹仪能够可靠的实现光弹观测原理融入到隧道模拟实验。

Description

一种隧道模型内置式光弹仪

技术领域

本发明涉及光弹实验与隧道模拟交叉技术领域，特别涉及一种隧道模型内置式光弹仪。

背景技术

由于光弹性材料的光学特性，使得其难以应用于混凝土等不透光材料。同时现有光弹仪实验环境复杂，偏振片底座等体型较大，调节方式比较繁琐，无法与岩石力学三维物理模拟实验系统的围岩试件相结合，同时模拟隧洞内空间狭小，原有光弹仪等比例缩小，会遇到光路无法对准，仪器承压导致实验结果不准确或者仪器损坏，嵌入方式不当产生过多的残余应力以及边缘效应，而光弹试件也会因为缺少夹持件以及隧道内壁的不甚光滑，产生应力误差。因此，为解决现有岩石力学三维物理模拟实验系统观测手段不完善的困境，充分利用光弹性材料应力应变双折射特性，将光弹观测原理融入到隧道模拟实验中，具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种隧道模型内置式光弹仪，解决现有技术中光弹观测原理融入到隧道模拟实验时岩石力学三维物理模拟实验系统观测手段不完善的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道模型内置式光弹仪，包括：相配合的起偏镜装置和检偏镜装置；

所述起偏镜装置包括：第一壳体、激光源、起偏镜、第一1/4波片以及第一偏转驱动组件；

所述激光源、所述起偏镜以及所述第一1/4波片依次固定在所述第一壳体内；

所述第一偏转驱动组件固定在所述第一壳体内，并与所述起偏镜和所述第一1/4波片相连；

所述检偏镜装置包括：第二壳体、检偏镜、第二1/4波片、摄像机以及第二偏转驱动组件；

所述检偏镜、所述第二1/4波片以及所述摄像机依次固定在所述第二壳体内；

所述第二偏转驱动组件固定在所述第二壳体内，并与所述检偏镜、所述第二1/4波片相连；

所述第一壳体和所述第二壳体上分别开设有相对布置的第一窗口和第二窗口。

进一步地，所述第一驱动组件包括：第一夹持件、第二夹持件以及第一传动机构；

所述起偏镜和所述第一1/4波片分别固定在所述第一夹持件和所述第二夹持件内，且所述第一夹持件和所述第二夹持件可转动地固定在所述第一壳体内；

所述第一传动机构与所述第一夹持件和所述第二夹持件分别传动相连，所述第一传动机构固定在所述第一壳体上。

进一步地，所述第一夹持件包括：第一卡环以及第一传动齿；

所述起偏镜固定在所述第一卡环的内圈上，所述第一卡环可转动地固定在所述第一壳体内；

所述第一传动齿布设在所述第一卡环的外圈上；

所述第一传动机构为第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构的齿与所述第一传动齿啮合。

进一步地，所述第一齿轮传动机构包括：第一微型电机、第一传动杆以及第一传动齿轮；

所述第一微型电机与所述第一传动杆相连，所述第一传动齿轮套接在所述第一传动杆上；

所述第一传动齿轮与所述第一传动齿啮合。

进一步地，所述第一夹持件和所述第二夹持件的两侧均设置有轴向限位件。

进一步地，所述第一壳体的内壁上固定有第一导向凸棱，所述第一夹持件和所述第二夹持件上分别开设有第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑槽和所述第二滑槽与所述第一导向凸棱相匹配；

所述第一壳体的内壁上分别布设有第一环形导槽和第二环形导槽，所述第一夹持件和所述第二夹持件分别可转动地嵌于所述第一环形导槽和所述第二环形导槽内。

进一步地，所述第一壳体和所述第二壳体外均包覆有弹性材料层。

进一步地，所述第一壳体和所述第二壳体上均设置有可调支撑腿。

进一步地，所述可调支撑腿为弹性支撑腿。

进一步地，所述隧道模型内置式光弹仪还包括：外置的电控系统；

所述外置的电控系统与所述所述激光源、所述摄像机、所述第一偏转驱动组件以及所述第二偏转驱动组件分别相连。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的隧道模型内置式光弹仪，由相配合的起偏镜装置和检偏镜装置组成，从而布置在围岩试件的隧道孔内，分列在光弹试件两侧，实现实验观测。具体来说，在第一壳体内布置激光源、起偏镜、第一1/4波片以及第一偏转驱动组件，所述第一偏转驱动组件与所述起偏镜和所述第一1/4波片相连，构成起偏镜装置，并实现小空间内独立控制；相类似的，在第二壳体内布置检偏镜、第二1/4波片、摄像机以及第二偏转驱动组件，所述第二偏转驱动组件与所述检偏镜、所述第二1/4波片相连，构成检偏装置，并实现在小空间独立控制；从而整体上实现光弹观测原理融入到隧道模拟实验中，并实现完善的岩石力学三维物理模拟实验观测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的隧道模型内置式光弹仪的布置示意图；

图2为本发明实施例提供的第一夹持件的结构示意图

图3为本发明实施例提供的检偏镜装置的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种隧道模型内置式光弹仪，解决现有技术中光弹观测原理融入到隧道模拟实验时岩石力学三维物理模拟实验系统观测手段不完善的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1、图2和图3，一种隧道模型内置式光弹仪，包括：相配合的起偏镜装置和检偏镜装置；在实验时，在围岩试件1上开设隧道孔，并将光弹试件7置于隧道孔内，在其两侧分别布置起偏镜装置和检偏镜装置，完成将光弹观测原理融入到隧道模拟实验中，并实现完善的岩石力学三维物理模拟实验观测。

一般来说，所述围岩试件1提前制备好，预留隧道孔，并保证隧道孔直径小于起偏镜装置和检偏镜装置的外壳孔直径，内部预埋线路，用于连接外置的电控系统20。所述光弹性试件7采取3d打印制备，具有一定厚度，边缘略微加厚，侧面粘布石英砂，置于隧道孔内。

下面具体说明。

所述起偏镜装置包括：第一壳体2、激光源4、起偏镜5、第一1/4波片6以及第一偏转驱动组件；所述激光源4、所述起偏镜5以及所述第一1/4波片6依次固定在所述第一壳体2内；其中，所述第一偏转驱动组件固定在所述第一壳体2内，并与所述起偏镜5和所述第一1/4波片6相连，从而实现隧道孔内的镜片偏转控制。

相类似的，所述检偏镜装置包括：第二壳体3、检偏镜8、第二1/4波片61、摄像机9以及第二偏转驱动组件；所述检偏镜8、所述第二1/4波片61以及所述摄像机9依次固定在所述第二壳体3内；其中，所述第二偏转驱动组件固定在所述第二壳体3内，并与所述检偏镜8、所述第二1/4波片61相连；实现隧道孔内的镜片偏转控制。

为了便于观测，所述第一壳体2和所述第二壳体3上分别开设有相对布置的第一窗口和第二窗口。

本实施例中，所述第一壳体2和所述第二壳体3位筒型壳体，适应隧道孔的形态，能够以最小的体积容纳观测元件，在受限空间内保证功能的正常化和可靠性。

下面将分别就各组件的结构形态和连接关系具体说明。

所述第一驱动组件包括：第一夹持件、第二夹持件以及第一传动机构；所述起偏镜5和所述第一1/4波片6分别固定在所述第一夹持件和所述第二夹持件内，且所述第一夹持件和所述第二夹持件可转动地固定在所述第一壳体2内；所述第一传动机构与所述第一夹持件和所述第二夹持件分别传动相连，所述第一传动机构固定在所述第一壳体2上。

从而通过所述第一传动机构于所述第一壳体2内驱动所述第一夹持件和所述第二夹持件转动，从而实现所述起偏镜5和所述第一1/4波片6的偏转调节。

参见图2，所述第一夹持件包括：第一卡环11以及第一传动齿10；所述起偏镜5固定在所述第一卡环11的内圈上，所述第一卡环11可转动地固定在所述第一壳体2内；所述第一传动齿10布设在所述第一卡环11的外圈上；所述第一传动机构为第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构的齿与所述第一传动齿10啮合。从而通过齿轮驱动的方式实现所述第一卡环11的转动。

本实施例中，所述第一夹持件和所述第二夹持件的结构基本一致。

即，所述第二夹持件包括：第二卡环以及第二传动齿；所述第一1/4波片6固定在所述第二卡环的内圈上，所述第二卡环可转动地固定在所述第一壳体2内；所述第二传动齿布设在所述第二卡环的外圈上；所述第一齿轮传动机构的齿与所述第二传动齿啮合。从而通过齿轮驱动的方式实现所述第二卡环的转动。

本实施例中，所述第一齿轮传动机构包括：第一微型电机、第一传动杆以及第一传动齿轮；所述第一微型电机与所述第一传动杆相连，所述第一传动齿轮套接在所述第一传动杆上；所述第一传动齿轮与所述第一传动齿啮合。当然，所述第一微型电机还通过设置的第二传动杆和第二传动齿轮与所述第二传动齿啮合。

也就是说，由所述第一微型电机通过所述第一传动杆及其上的第一传动齿轮，以及所述第二传动杆机及其上的第二传动齿轮带动所述起偏镜5和所述第一1/4波片6偏转。

参见图3，为了限制所述起偏镜5和所述第一1/4波片6的轴向偏移，所述第一夹持件和所述第二夹持件的两侧均设置有轴向限位件17；本实施例中所述轴向限位件17位间隔120度布置在所述第一壳体2内壁上的三个限位块。

为了便于所述起偏镜5和所述第一1/4波片6的装配，所述第一壳体2的内壁上固定有第一导向凸棱19，所述第一夹持件和所述第二夹持件上，确切的说是第一卡环11和第二卡环上分别开设有第一滑槽12和第二滑槽，所述第一滑槽12和所述第二滑槽与所述第一导向凸棱19相匹配；从而能够轴向，稳定的推动所述第一夹持件和所述第二夹持件移动。

值得注意的是，所述第一壳体2的内壁上分别布设有第一环形导槽和第二环形导槽，所述第一夹持件和所述第二夹持件，确切的说是所述第一卡环11和第二卡环分别可转动地嵌于所述第一环形导槽和所述第二环形导槽内。

所述第一环形导槽和所述第二环形导槽所对应的区域，所述第一导向凸棱19设置成截断豁口，从而当所述第一卡环11和所述第二卡环到位后直接嵌入所述第一环形导槽和所述第二环形导槽。

当然，为了便于安装，所述第一卡环11和所述第二卡环可分别从所述第一壳体2的两端进入。

相应的，所述限位块也可经由所述第一导向凸棱19到位。

所述第二驱动组件与所述第一驱动组件的结构基本一致。

即，所述第二驱动组件包括：第三夹持件、第四夹持件以及第二传动机构；所述检偏镜8和所述第二1/4波片61分别固定在所述第三夹持件和所述第四夹持件内，且所述第三夹持件和所述第四夹持件可转动地固定在所述第二壳体3内；所述第一传动机构与所述第三夹持件和所述第四夹持件分别传动相连，所述第二传动机构固定在所述第二壳体3上。

从而通过所述第二传动机构于所述第二壳体3内驱动所述第三夹持件和所述第四夹持件转动，从而实现所述检偏镜8和所述第二1/4波片61的偏转调节。

所述第三夹持件包括：第三卡环以及第三传动齿；所述检偏镜8固定在所述第三卡环的内圈上，所述第三卡环可转动地固定在所述第二壳体3内；所述第三传动齿布设在所述第三卡环的外圈上；所述第一传动机构为第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构的齿与所述第三传动齿啮合。从而通过齿轮驱动的方式实现所述第三卡环的转动。

本实施例中，所述第四夹持件和所述第三夹持件的结构基本一致。

即，所述第四夹持件包括：第四卡环以及第四传动齿；所述第二1/4波片61固定在所述第四卡环的内圈上，所述第四卡环可转动地固定在所述第二壳体3内；所述第四传动齿布设在所述第四卡环的外圈上；所述第二齿轮传动机构的齿与所述第四传动齿啮合。从而通过齿轮驱动的方式实现所述第四卡环的转动。

本实施例中，所述第二齿轮传动机构包括：第二微型电机、第三传动杆以及第三传动齿轮；所述第二微型电机与所述第二传动杆相连，所述第三传动齿轮套接在所述第二传动杆上；所述第三传动齿轮与所述第三传动齿啮合。当然，所述第二微型电机还通过设置的第四传动杆和第四传动齿轮与所述第四传动齿啮合。

也就是说，由所述第二微型电机通过所述第三传动杆及其上的第三传动齿轮，以及所述第四传动杆机及其上的第四传动齿轮带动所述检偏镜8和所述第二1/4波片61偏转。

参见图3，为了限制所述检偏镜8和所述第二1/4波片61的轴向偏移，所述第三夹持件和所述第四夹持件的两侧均设置有轴向限位件17；本实施例中所述轴向限位件17位间隔120度布置在所述第二壳体3内壁上的三个限位块。

为了便于所述检偏镜8和所述第人1/4波片61的装配，所述第二壳体3的内壁上固定有第二导向凸棱，所述第三夹持件和所述第四夹持件上，确切的说是第三卡环和第四卡环上分别开设有第三滑槽和第四滑槽，所述第三滑槽和所述第四滑槽与所述第二导向凸棱相匹配；从而能够轴向，稳定的推动所述第三夹持件和所述第四夹持件移动。

值得注意的是，所述第二壳体3的内壁上分别布设有第三环形导槽和第四环形导槽，所述第三夹持件和所述第四夹持件，确切的说是所述第三卡环和第四卡环分别可转动地嵌于所述第三环形导槽和所述第四环形导槽内。

所述第三环形导槽和所述第四环形导槽所对应的区域，所述第二导向凸棱设置成截断豁口，从而当所述第三卡环和所述第四卡环到位后直接嵌入所述第三环形导槽和所述第四环形导槽。

当然，为了便于安装，所述第三卡环和所述第四卡环可分别从所述第二壳体3的两端进入。

相应的，所述限位块也可经由所述第二导向凸棱到位。

为了降低对隧道孔的应力影响，所述第一壳体2和所述第二壳体3外均包覆有弹性材料层。

为了实现对位调整，所述第一壳体2和所述第二壳体3上均设置有可调支撑腿15。

相应的，所述可调支撑腿15也可为弹性支撑腿。

为了便于自动化控制，所述隧道模型内置式光弹仪还包括：外置的电控系统20；所述外置的电控系统20与所述所述激光源4、所述摄像机9、所述第一偏转驱动组件以及所述第二偏转驱动组件分别相连。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的隧道模型内置式光弹仪，由相配合的起偏镜装置和检偏镜装置组成，从而在布置在围岩试件的隧道孔内，分列在光弹试件两侧，实现实验观测。具体来说，在第一壳体内布置激光源、起偏镜、第一1/4波片以及第一偏转驱动组件，所述第一偏转驱动组件与所述起偏镜和所述第一1/4波片相连，构成起偏镜装置，并实现小空间独立控制；相类似的，在第二壳体内布置检偏镜、第二1/4波片、摄像机以及第二偏转驱动组件，所述第二偏转驱动组件与所述检偏镜、所述第二1/4波片相连，构成检偏装置，并实现小空间独立控制；从而整体上实现光弹观测原理融入到隧道模拟实验中，并实现完善的岩石力学三维物理模拟实验观测。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，包括：相配合的起偏镜装置和检偏镜装置；

所述起偏镜装置包括：第一壳体、激光源、起偏镜、第一1/4波片以及第一偏转驱动组件；

所述激光源、所述起偏镜以及所述第一1/4波片依次固定在所述第一壳体内；

所述第一偏转驱动组件固定在所述第一壳体内，并与所述起偏镜和所述第一1/4波片相连；

所述检偏镜装置包括：第二壳体、检偏镜、第二1/4波片、摄像机以及第二偏转驱动组件；

所述检偏镜、所述第二1/4波片以及所述摄像机依次固定在所述第二壳体内；

所述第二偏转驱动组件固定在所述第二壳体内，并与所述检偏镜、所述第二1/4波片相连；

所述第一壳体和所述第二壳体上分别开设有相对布置的第一窗口和第二窗口。

2.如权利要求1所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一驱动组件包括：第一夹持件、第二夹持件以及第一传动机构；

所述起偏镜和所述第一1/4波片分别固定在所述第一夹持件和所述第二夹持件内，且所述第一夹持件和所述第二夹持件可转动地固定在所述第一壳体内；

所述第一传动机构与所述第一夹持件和所述第二夹持件分别传动相连，所述第一传动机构固定在所述第一壳体上。

3.如权利要求2所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一夹持件包括：第一卡环以及第一传动齿；

所述起偏镜固定在所述第一卡环的内圈上，所述第一卡环可转动地固定在所述第一壳体内；

所述第一传动齿布设在所述第一卡环的外圈上；

所述第一传动机构为第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构的齿与所述第一传动齿啮合。

4.如权利要求3所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一齿轮传动机构包括：第一微型电机、第一传动杆以及第一传动齿轮；

所述第一微型电机与所述第一传动杆相连，所述第一传动齿轮套接在所述第一传动杆上；

所述第一传动齿轮与所述第一传动齿啮合。

5.如权利要求2所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一夹持件和所述第二夹持件的两侧均设置有轴向限位件。

6.如权利要求2所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一壳体的内壁上固定有第一导向凸棱，所述第一夹持件和所述第二夹持件上分别开设有第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑槽和所述第二滑槽与所述第一导向凸棱相匹配；

所述第一壳体的内壁上分别布设有第一环形导槽和第二环形导槽，所述第一夹持件和所述第二夹持件分别可转动地嵌于所述第一环形导槽和所述第二环形导槽内。

7.如权利要求1所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体外均包覆有弹性材料层。

8.如权利要求1所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体上均设置有可调支撑腿。

9.如权利要求8所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述可调支撑腿为弹性支撑腿。

10.如权利要求1～9任一项所述的隧道模型内置式光弹仪，其特征在于，所述隧道模型内置式光弹仪还包括：外置的电控系统；

所述外置的电控系统与所述所述激光源、所述摄像机、所述第一偏转驱动组件以及所述第二偏转驱动组件分别相连。

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