一种颗粒材料力链结构的接触力测量试验装置及使用方法

摘要

一种颗粒材料力链结构的接触力测量试验装置，包括圆筒容器、固定装置、动力加载装置、薄膜压力传感器和数据标定及采集系统；圆筒容器包括用于盛放需要测量接触力的颗粒材料的圆筒、用于盖住圆筒的上端开口的上活塞和用于盖住圆筒的底端开口的下活塞；固定装置用于固定圆筒；动力加载装置可直接作用于上活塞，用于提供试验时所需的荷载；薄膜压力传感器主要由传感器薄膜部构成；传感器薄膜部设于感应颗粒材料与下活塞之间；数据标定及采集系统包括调制器、标定装置、USB采集器、采集控制软件，薄膜压力传感器与数据标定及采集系统连接。本发明试验装置，具有更高的精度和灵敏性，能够更加准确地开展颗粒材料力链结构的接触力试验及研究。

说明书

技术领域

本发明属于颗粒材料力学研究领域，具体的说是一种颗粒材料力链结构的接触力测量试验装置及使用方法。

背景技术

颗粒材料是由大量离散的固体颗粒相互作用而形成的复杂体系，广泛存在于自然界中，比如铁路道砟、堆石体、堰塞体和碎屑流等。颗粒材料是介于固体与液体之间的一种物质存在形式，因此它兼具两者的特点而又有自身独特的性质，如颗粒材料呈现对外界微小作用的敏感性、非线性响应和自组织行为等复杂力学特性。从事物理、力学等基础研究的学者开展了密集颗粒物质力学特性的精密试验和理论研究，对颗粒物质体系平衡、运动规律及其应用等研究逐渐成为力学的一个新分支——颗粒物质力学。由于颗粒材料的复杂性，不能单纯地以固体或者流体的研究方法来研究其宏细观力学特性，尤其是颗粒间接触形成的力链结构对其宏观力学特性有较大的影响。大量光弹实验和离散元数值模拟发现，大小不同、形状各异的颗粒间相互接触，形成复杂的接触网络，接触力沿着接触网络中的链状路径(即力链)这一特殊结构传递，使得颗粒间发生力链长度上的短程相关，形成颗粒--力链--体系的复杂多尺度结构。颗粒集合体中大多数接触处的法向接触力小于平均法向接触力，大于平均法向接触力的接触数随着接触力的增加呈指数衰减。力链对外荷载加载方式和体系的几何特征极其敏感，在同一接触网络中即使外荷载的轻微变化也会使得力链发生极大变化。近20年来，颗粒物质力学领域的仪器开发和基础理论研究一直是物理、力学和材料等学科的前沿，国内外很多的学者对颗粒材料的宏细观力学特性进行了深入试验和理论研究。目前，颗粒之间接触力的测量方法大致分为两类方法：接触式检测方法（包括高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕方法等）；非接触式检测方法（主要包括光弹实验方法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法）。其中具有代表性的试验装置和研究简介如下。

1999年LØvoll等人采用电子天平检测了重力作用下颗粒静态堆积时底部颗粒的接触力。电子天平称重法是利用探针接触底层颗粒体，通过电子天平的读数确定颗粒对底层的压力，平行移动探针可得到底层各个颗粒对底面的压力大小。

复写纸压痕法是在颗粒下部铺上显色灵敏的复写纸和白纸，在外力作用下，颗粒通过挤压复写纸，而在白纸上形成大小不同和颜色深浅不一的压痕，通过标定可以确定接触形变和法向力大小。芝加哥大学的Mueggenburg等人在三棱形容器中整齐排满直径为3.06 mm±0.04 mm的玻璃球，在玻璃球底层与玻璃球层之间铺上复写纸和白纸，采用复写纸压痕法测量玻璃球对容器底部的压应力。

Erikson等人改进了Mueggenburg等人的工作。他们采用直径为3.12 mm±0.05 mm的软橡胶球作为颗粒材料，堆放在内径为140 mm的圆筒中，堆放高度为70 mm，在顶部均匀地施加2 500~7 000 N的力。

中国兰州大学苗天德等发展了复写纸压痕法，应用铝塑板与复写纸相结合的技术来记录晶体底部力的分布。

2006年，J.Zhou等人采用高分辨率荧光共聚焦显微镜测定了三维表面光滑微液滴间接触力分布。

2008年，Behringer等人将磁共振弹性成像法用在了颗粒体系的研究中，从而真正观测到了三维体系中的力链。

光测弹性力学(Photoelasticity)实验是应用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。将具有双折射效应的透明塑料(如环氧树脂塑料、聚碳酸脂塑料)制成的结构模型置于偏振光场中，当给模型施加载荷时，即可看到模型上产生的干涉条纹图，测量干涉条纹，就能确定结构模型在受载情况下的应力分布。从1999年起，美国杜克大学的Behringer带领他的科研团队利用光弹性法在颗粒力学研究领域做了大量的工作。自2008年起清华大学水利系的孙其诚、金峰等人也逐渐开展了光弹实验的研究。这些先进检测技术为深入研究颗粒体系中颗粒间接触力、力链及力链网络的形成、演变过程起到了重要的作用。

尽管现有的颗粒间接触力测量方法及其研究取得了一定的成果，但还是存在一些不足。对于电子天平称重法，虽然电子天平的精度有了很大的提高，但是由于在测量过程中需要移动装置位置，不可避免的底层颗粒会与接触纸产生摩擦，从而导致颗粒内部力的重新分布；对于复写纸压痕法，由于复写纸的灵敏度有限，仅依靠颗粒自重很难在白纸上留下清晰地痕迹，所以在试验中需要外力来增强压痕效果，且由于复写纸压痕法只能考虑层间颗粒的法向力，对于层间颗粒的切向力以及同一层内颗粒之间接触力的情况无法描述；对于荧光共聚焦成像法，在研究细胞、液滴等精细结构时适用，但是它的观察视场较小，通常只能观察几百个微米量级的试样；对于磁共振成像法，在成像过程中需要的时间较长，无法做到实时、动态观测体系的力链演变，且颗粒物质体系较为复杂，定量分析颗粒之间力变化的三维图像处理程序还需进一步开发；对于光弹实验方法，主要适用于二维颗粒接触力和位置分布的全貌，不能进行三维研究，且试样材料受限制。

接触式检测方法，它们可检测颗粒体系中某一截面上的接触力的分布情况，但是不可避免的对颗粒体系产生或多或少的干扰，由于力链对局部力的变化反应极为敏感，因此轻微的扰动足以使力链结构发生很大变化；而非接触式检测方法的优势在于无干扰检测，不仅可以确定颗粒的位置，分析体系的结构特征，更重要的是可以“看到”力，进而得到三维颗粒体系中接触力分布的全部信息，特别是力链结构。

对于试验装置的测量部分，目前采用复写纸压痕，电子天平等，精确度和灵敏性等方面的不同会对结果准确性产生影响。

发明内容

鉴于以上各种试验装置存在的不足，本发明的目的是提供一种颗粒材料力链结构的接触力测量试验装置，这种装置精度和灵敏性更高，能够更加准确地开展颗粒材料力链结构的接触力试验及研究。

本发明提供一种颗粒材料力链结构的接触力测量试验装置，包括圆筒容器、固定装置、动力加载装置、薄膜压力传感器和数据标定及采集系统；

所述圆筒容器包括圆筒、上活塞和下活塞，圆筒用于盛放需要测量接触力的颗粒材料；上活塞用于盖住圆筒的上端开口，下活塞用于盖住圆筒的底端开口；

所述固定装置用于固定圆筒；

所述动力加载装置为气压施力装置，设置于圆筒容器上方，直接作用于上活塞，用于提供试验时所需的荷载；

所述薄膜压力传感器为圆形单点薄膜压力传感器，主要由传感器薄膜部构成；传感器薄膜部设于感应颗粒材料与下活塞之间，用于感应压力；

所述数据标定及采集系统包括调制器、标定装置、USB采集器、采集控制软件，其中调制器用于把薄膜压力传感器因受力而产生的电阻变化转换为电压信号变化进行测量，调制器与标定装置直接相连，标定装置用于对薄膜压力传感器产生的电压信号进行标定，以确定薄膜压力传感器受力与输出电压之间的受力系数关系，保证系数输入采集控制软件得到传感器真实的受力，标定装置后连接着USB采集器用于对采集调制器输出的电压信号进行记录转换，USB采集器后面与采集控制软件相连，在USB采集器将得到的电压信号进行记录转换后传输给采集控制软件，采集控制软件用于控制采集器、设置比例系数、采样率、采样时间、实时显示、保存数据、受力曲线。

所述薄膜压力传感器还包括内设导线的传感器手柄部，传感器薄膜部通过导线与标定装置电连接；所述圆筒下部靠近下活塞处开有一个开口，用于放置传感器手柄部。

所述基座上设有支架，支架正对圆筒的开口，用于支撑传感器手柄部。

所述圆筒的底端外沿处固定有圆筒底盘，圆筒底盘上设有多个底盘开孔；所述固定装置包括基座，基座上的基座开孔的底盘开孔相对应，以此可通过紧固件将圆筒固定于基座上。

所述圆筒底盘上的底盘开孔绕圆筒均匀分布；基座上设有尺寸、数量及位置分布与底盘开孔相对应；可通过螺栓螺母固定件将圆筒底盘固定于基座上，从而实现将圆筒固定于基座上。

所述圆筒、基座均由透明材质制成。

所述上活塞上端固定有至少一个提耳，方便移动上活塞。

所述上活塞、传感器薄膜部直接与颗粒材料相接触。

本发明的另一个目的是提供使用上述试验装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）将传感器薄膜部从圆筒的底部放入，并使传感器手柄部放置于圆筒下部的开口处；

（2）将下活塞放入上述步骤1中的圆筒底部，使下活塞承托传感器薄膜部，传感器薄膜部与下活塞直接接触，两者的尺寸设计具有一定的适应性使两者不会产生相互移动；

（3）将上述步骤2中完成组装的装置通过圆筒底盘与基座固定连接，另外传感器手柄部正好放在支架上；

（4）将试验所用的颗粒材料缓慢放入圆筒中；

（5）将上活塞放置于颗粒材料上部；

（6）将薄膜压力传感器与数据标定及采集系统连接；传感器薄膜部通过传感器手柄部的内置导线与标定装置电连接；该数据标定及采集系统连接包括调制器、标定装置、USB采集器以及采集控制软件，其中标定装置与USB采集器相连，并由USB采集器连接采集控制软件，调制器与标定装置连接；

（7）对连接好的数据标定及采集系统进行调试校正；

（8）待系统稳定好，用动力加载装置对上活塞施加垂直方向的荷载；

（9）记录采集器的数据，进行整理分析。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明试验装置用于测量垂直外力加载条件下颗粒材料力链结构，是对现有颗粒之间接触力试验装置的一种补充与完善；

（2）本发明试验装置的结构简单、易于操作，圆筒容器筒壁为透明材质，便于在试验中观察试验现象；

（3）本发明试验装置所用的薄膜压力传感器是精度较高的触力/压力测量传感器，使得测量结果更加精确可靠，简单易用，准确，成本低，体积小，易于集成在各种运用中。

（4）该试验装置的发明有利于该领域室内试验的开展，有利于促进颗粒材料力学基础理论方面的研究。

附图说明

图1为本发明的圆筒容器及固定装置结构示意图；

图2为本发明的圆筒容器及固定装置分解结构示意图；

图3为本发明的圆筒容器局部结构放大图；

图4为本发明的薄膜压力传感器结构示意图；

图5为本发明的数据标定及采集系统结构示意图。

图中：1-圆筒容器；11-圆筒；12-上活塞；13-下活塞；14-圆筒底盘；15-底盘开孔；16-开口；17-提耳；2-固定装置；21-基座；22-支架；23-基座开孔；4-薄膜压力传感器；41-传感器薄膜部；42-传感器手柄部；43-导线；5-数据标定及采集系统；51-调制器；52-标定装置；53-USB采集器；54-采集控制软件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的详细描述。

如图1至图4所示，本发明提供一种颗粒材料力链结构的接触力测量试验装置，包括圆筒容器1、固定装置2、动力加载装置、薄膜压力传感器4和数据标定及采集系统5；所述圆筒容器1包括圆筒11、上活塞12和下活塞13，圆筒11用于盛放需要测量接触力的颗粒材料；上活塞12用于盖住圆筒11的上端开口，下活塞13用于盖住圆筒11的底端开口；所述固定装置2用于固定圆筒11；所述动力加载装置3为气压施力装置，设置于圆筒容器1上方，直接作用于上活塞12，用于提供试验时所需的荷载；所述薄膜压力传感器4为圆形单点薄膜压力传感器，主要由传感器薄膜部41构成；传感器薄膜部41设于感应颗粒材料与下活塞13之间，用于感应压力；所述数据标定及采集系统5包括调制器51、标定装置52、USB采集器53、采集控制软件54，其中调制器51用于把薄膜压力传感器4因受力而产生的电阻变化转换为电压信号变化进行测量，调制器51与标定装置52直接相连，标定装置52用于对薄膜压力传感器4产生的电压信号进行标定，以确定薄膜压力传感器4受力与输出电压之间的受力系数关系，保证系数输入采集控制软件54得到传感器真实的受力，标定装置52后连接着USB采集器53用于对采集调制器51输出的电压信号进行记录转换，USB采集器53后面与采集控制软件54相连，在USB采集器53将得到的电压信号进行记录转换后传输给采集控制软件54，采集控制软件54用于控制采集器、设置比例系数、采样率、采样时间、实时显示、保存数据、受力曲线。

所述薄膜压力传感器4还包括内设导线43的传感器手柄部42，传感器薄膜部41通过导线43与标定装置52电连接；所述圆筒11下部靠近下活塞13处开有一个开口16，用于放置传感器手柄部42。

所述基座21上设有支架22，支架22正对圆筒11的开口16，用于支撑传感器手柄部42。

所述圆筒11的底端外沿处固定有圆筒底盘14，圆筒底盘14上设有多个底盘开孔15；所述固定装置2包括基座21，基座21上的基座开孔23的底盘开孔15相对应，以此可通过紧固件将圆筒11固定于基座21上。

所述圆筒底盘14上的底盘开孔15绕圆筒11均匀分布；基座21上设有尺寸、数量及位置分布与底盘开孔15相对应；可通过螺栓螺母固定件将圆筒底盘14固定于基座21上，从而实现将圆筒11固定于基座21上。

所述圆筒11、基座21均由透明材质制成。

所述上活塞12上端固定有至少一个提耳17，方便移动上活塞12。

所述上活塞12、传感器薄膜部41直接与颗粒材料相接触。

薄膜压力传感器4可选用：MFF薄膜压力测试系统。

动力加载装置可选用：STPC1T-40T系类C型气动压力机。

动力加载装置为气动加载，垂直作用于上活塞，对测量对象即颗粒材料进行加载。在垂直外力加载条件下对颗粒材料力链结构的接触力测量，具体操作步骤如下：

（1）将传感器薄膜部从圆筒的底部放入，并使传感器手柄部放置于圆筒下部的开口处；

（2）将下活塞放入上述步骤1中的圆筒底部，使下活塞承托传感器薄膜部，传感器薄膜部与下活塞直接接触，两者的尺寸设计具有一定的适应性使两者不会产生相互移动；

（3）将上述步骤2中完成组装的装置通过圆筒底盘与基座固定连接，另外传感器手柄部正好放在支架上；

（4）将试验所用的颗粒材料缓慢放入圆筒中；

（5）将上活塞放置于颗粒材料上部；

（6）将薄膜压力传感器与数据标定及采集系统连接；传感器薄膜部通过传感器手柄部的内置导线与标定装置电连接；该数据标定及采集系统连接包括调制器、标定装置、USB采集器以及采集控制软件，其中标定装置与USB采集器相连，并由USB采集器连接采集控制软件，调制器与标定装置连接；

（7）对连接好的数据标定及采集系统进行调试校正；

（8）待系统稳定好，用动力加载装置对上活塞施加垂直方向的荷载；

（9）记录采集器的数据，进行整理分析。

本发明可以对不同形状的颗粒材料的力链结构接触力进行测量。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如下活塞的固定方式和支架的样式，在不影响试验过程的实施的前提下，采用其他固定方式和支架样式也是可行的。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形。