一种测量薄板在稳态振动作用下变形场的实验系统

1.本实用新型涉及一种测量薄板在稳态振动作用下变形场的实验系统，属于实验力学变形场测量技术领域。


背景技术：

2.材料弹性参数的测量在材料测试实验室中很常见，对于预测大范围结构的振动或振动声学行为至关重要。传统的测量材料弹性参数的方法多为基于变形场测量的光学方法。如数字图像相关方法(digital image correlation,dic)，其由1982年m.a.sutton等人提出，通过跟踪和匹配变形前后所采集图像的灰度信息来测量物体在各种载荷作用下表面整体的瞬时位移场和应变场。该方法具有非接触、高精度、光路简单、受环境影响小、自动化程度高等优点，已逐渐成为实验力学领域一种非常重要的光测手段。但该方法存在的缺点是测得的离面位移小，测量噪声经二阶微分后对曲率场精度影响非常高。而在振动实验中，当激振频率在100hz量级时，激振振幅一般为数十微米，激振频率更高时，振幅更小。
3.薄板的最大离面位移也只有数百微米。如常用的变形场测量技术3d-dic，直接测量薄板离面变形场w，那么需要对w二阶微分才能得到曲率场κ。实验测得的w带有测量噪声，经过二阶微分将被显著放大，使得κ的结果变得非常差，将对基于虚场方法的参数反演产生很大的误差，甚至难以接受。
4.光反射法是二十世纪五十年代发展起来的一种方法，该方法适应于宏观光学形貌测量。ligtenberg于1954提出了此方法，chiang等于1965年对光测法进行了相应的优化。光反射法通过ccd相机测量薄板在集中载荷作用下表面各点的转角，对转角进行一阶微分计算，得到薄板表面各点的曲率，再通过二次积分得到相应的位移场。光反射法适用于薄板变形测量，即使薄板只有微小弯曲变形，如局部发生θ的偏转角，也会放大为2lθ的位移，如图1所示。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种测量薄板在稳态振动作用下变形场的实验系统，薄板在激振器的作用下产生谐振，在加速度传感器、ccd相机以及同步采集仪的配合作用下对振动信号的特定相位点周期性地采集图像，之后通过分析计算可以获得薄板发生弯曲的变形场，该实验系统结构简单，操作简便，而且基于光学偏折术(光反射法)测量的精度更高，测量噪声经一阶数字微分对曲率场精度影响更小。
6.本实用新型的技术解决方案是：一种测量薄板在稳态振动作用下变形场的实验系统，包括薄板、激振器、支撑架、示波器、加速度传感器、信号放大器、信号接收模块、同步采集仪、ccd相机、光源以及散斑背景板；
7.所述薄板的一个表面预设有反射层，使其具有良好的镜面效果；
8.所述示波器，用于调控激振器输出的振动频率；
9.所述加速度传感器，用于采集薄板的振动信号，而且一部分振动信号传输给信号
接收模块，便于后期进行数据结果对比，验证信号的同步性，另一部分传输给同步采集仪，用于控制ccd相机进行同步采集；
10.所述同步采集仪，用于控制ccd相机采集薄板图像信息与加速度传感器采集振动信息同步；
11.所述光源，用于照明；
12.所述散斑背景板是由散斑图和背景板组成的胶封层合板，能够使散斑完整的投射到薄板表面，且表面加工有通孔，使ccd相机能够通过通孔拍摄薄板的运动情况，通孔的尺寸根据ccd相机的不同而变化；
13.激振器安装在支撑架上，薄板和加速度传感器均安装在激振器的振动输出端，示波器与激振器电气连接，信号放大器的输入端与加速度传感器电气连接，信号放大器的输出端分别与信号接收模块和同步采集仪的输入端电气连接，同步采集仪的输出端与ccd相机电气连接，ccd相机的摄像头通过散斑背景板的通孔用于拍摄薄板的运动情况。
14.进一步地，薄板的总厚度(包含反射层的厚度)为1.5～3mm，薄板上预设的反射层的厚度不大于20μm，由于反射层对薄板的弯曲刚度影响微乎其微，因此发射层对薄膜本身性能的影响可以忽略不计。反射层可以由在薄板表面固化成型的树脂层以及在树脂层上镀覆的金属膜组成，能够达到很好的反射效率。
15.进一步地，加速度传感器通过螺片将薄板紧固在激振器的振动输出端，且加速度传感器与薄板之间垫有垫片。
16.进一步地，薄板为长方形结构。
17.进一步地，薄板中心与ccd相机摄像头中心对齐，更加便于ccd相机对薄板的拍摄，有利于降低实验误差。
18.进一步地，激振器通过螺栓与滑块连接，滑块与滑轨滑动配合，且滑块和滑轨的截面均为梯形结构。
19.所述实验系统的工作原理如下：通过激振器使薄板在一定的频率范围内产生谐振，加速度传感器将采集的振动信号转换为加速度信号并经过信号放大器处理后分流为两束信号，一束传输给信号接收模块，一束传输给同步采集仪，基于同步采集技术使ccd相机能够在振动信号的特定相位点周期性地采集薄板变形图像，之后经过分析计算获得薄板在振动作用下发生弯曲的变形场。
20.有益效果：
21.(1)本实用新型所述实验系统结构简单，便于操作，而且是基于光发射法测得薄板在振动作用下的变形场，测量精度高，测量噪声经一阶数字微分对曲率场精度影响更小。尤其是该实验系统中设置的同步采集仪，能够对振动信号的特定相位点周期性地采集图像，提高了实验系统测试的准确性。
22.(2)加速度传感器在螺片和垫片的作用下将薄板安装在激振器上，这种弹性压紧方式中的完全锁紧结构，既能保证薄板稳定的固定在激振器上，又能够在压紧振动过程中有效防止因紧固力使薄板与螺片接触位置局部变形，对薄板不会造成挤压损伤，避免一定程度的实验误差。
23.(3)将薄板设计为长方形结构，使得薄板在振动中x、y方向的离面位移相差不多，更加方便后期的计算分析。
24.(4)将滑块和滑轨均设计成梯形截面结构，是为了便捷激振器安装在支撑架上时可以在上下左右四个方位上进行一定范围的自由调节。
25.(5)薄板中心与ccd相机摄像头中心对齐，更加便于ccd相机对薄板的拍摄，有利于降低实验误差。
附图说明
26.图1为光反射法的原理示意图。
27.图2为本实用新型所述实验系统的结构示意图。
28.其中，1-角码，2-螺栓，3-滑块，4-激振器，5-加速度传感器，6-垫片，7-薄板，8-滑轨，9-示波器，10-信号放大器，11-同步采集仪，12-光源，13-ccd相机，14-背景板，15-散斑图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。另外，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.实施例1
31.如图2所示，一种测量薄板在稳态振动作用下变形场的实验系统，包括薄板7、激振器4、支撑架、示波器9、加速度传感器5、信号放大器10、信号接收模块、同步采集仪11、ccd相机13、光源12以及散斑背景板；
32.所述薄板7是一个长为200mm、宽为160mm以及厚为2mm的长方形结构，其一个表面预设有反射层；其中，先在薄板7表面涂覆一层环氧树脂并固化成型，保证其平整光滑，然后在环氧树脂层上镀覆一层铝膜，确保良好的反射效果，则环氧树脂层和铝膜即组成反射层，且反射层的厚度为15μm，对薄板7的力学性能影响很低，而且相比于薄板7厚度很小，因此其对振动实验的影响可以忽略不计；
33.所述加速度传感器5，用于采集薄板7的振动信号，而且一部分振动信号传输给信号接收模块，便于后期进行数据结果对比，验证信号的同步性，另一部分传输给同步采集仪11，用于控制ccd相机13进行同步采集；
34.所述同步采集仪11，用于控制ccd相机13采集薄板7图像信息与加速度传感器5采集振动信息同步；
35.所述光源12，用于照明，可以选用led光源；
36.所述散斑背景板是由散斑图15通过自喷胶粘着在背景板14上形成的，其表面压制平整无皱，保证薄板7表面反射到平整的散斑；为了能够使散斑完整的投射到薄板7表面以及便于固定，则散斑背景板的长为800mm、宽为800mm以及厚为16mm；散斑背景板的表面加工有直径为35mm的通孔，恰好能够使ccd相机13的摄像头能够架设到通孔中；
37.滑轨8和角码1安装在支撑架上，滑块3与滑轨8滑动配合，激振器4通过螺栓2与滑
块3连接，其中滑块3和滑轨8的截面均设计为梯形结构；加速度传感器5通过螺片将薄板7紧固在激振器4的振动输出端，且加速度传感器5与薄板7之间垫有厚度为1mm的橡胶垫片6；示波器9与激振器4电气连接，用于调控激振器4输出的振动频率；信号放大器10的输入端与加速度传感器5电气连接，信号放大器10的输出端分别与信号接收模块和同步采集仪11的输入端电气连接，同步采集仪11的输出端与ccd相机13电气连接；薄板7的中心、ccd相机13摄像头的中心以及散斑背景板的通孔中心相对齐，便于ccd相机13的摄像头通过散斑背景板的通孔拍摄薄板7的运动情况，减少实验误差。
38.所述实验系统的工作原理如下：通过激振器4使薄板7在一定的频率范围内产生谐振，加速度传感器5将采集的振动信号转换为加速度信号并经过信号放大器10处理后分流为两束信号，一束传输给信号接收模块，一束传输给同步采集仪11，基于同步采集技术使ccd相机13能够在振动信号的特定相位点周期性地采集薄板7变形图像，之后经过分析计算获得薄板7在振动作用下发生弯曲的变形场。
39.综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。