一种两球间静动态液桥观测系统及方法

技术领域

本发明属于微力测量技术领域，具体涉及一种两球间静动态液桥观测系统及方法。

背景技术

非饱和持液湿颗粒群的特性研究在土木工程、船舶运输、微观操作等多个领域都是热点问题。非饱和持液湿颗粒群的力学特性主要与颗粒间液桥力变化有关，研究两球形颗粒间液桥的力学特性对于进一步探索颗粒群特性有着重要意义。但颗粒间液桥力微小且动态变化迅速，直接测量时所需仪器要求高，目前对于两颗粒间液桥力的测量主要局限于静态和准静态层面，缺少动态液桥力的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供同时实现静态、动态液桥力的精确测量，记录液桥在拉伸断裂过程的形貌变化，实现液桥迟滞特性及稳定性的研究的一种两球间静动态液桥观测系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括悬臂梁、上球形颗粒、下球形颗粒、激光位移数据采集系统和高速摄像图像采集系统；所述的悬臂梁一端固定在减震试验台上；所述的下球形颗粒固定在悬臂梁的自由端边缘中心处；所述的上球形颗粒通过三自由度丝杠系统布置在下球形颗粒上方；所述的激光位移数据采集系统包括激光测距传感器；所述的激光测距传感器布置在悬臂梁下方，激光光点对准悬臂梁自由边缘中点处；所述的高速摄像图像采集系统包括高速摄像机和工业相机；所述的高速摄像机安装在可调高度的相机支架上，视野范围对准上球形颗粒和下球形颗粒，用于记录两球间液桥形成、拉伸、断裂的完整过程；所述的工业相机安装在减震试验台上，视野界面准心位于上球形颗粒和下球形颗粒的间隙中点，用于两球对心；所述的工业相机的视野方向与高速摄像机的视野方向垂直。

本发明还可以包括：

所述的下球形颗粒通过透明硬质胶条固定在悬臂梁的自由端边缘中心处。

所述的三自由度丝杠系统由三组丝杠装置组成；所述的丝杠装置包括底座，在底座顶面左右两端设有支撑板，在两块支撑板之间安装有丝杠，在丝杠上安装有丝杠位移滑块；第一组丝杠装置布置在底层；第二组丝杠装置垂直布置在第一组丝杠装置的上方，第二组丝杠装置的底座与第一组丝杠装置的丝杠位移滑块连接；第一组丝杠装置与第二组丝杠装置的丝杠位移滑块在水平方向上两个自由度运动；第三组丝杠装置的丝杠位移滑块在竖直方向上运动，第三组丝杠装置的底座与第二组丝杠装置的丝杠位移滑块连接。

所述的上球形颗粒通过伸长板与第三组丝杠装置的丝杠位移滑块连接，上球形颗粒固定在伸长板的自由端，伸长板的另一端固定在第三组丝杠装置的丝杠位移滑块上。

还包括三自由度位移控制系统；所述的三自由度位移控制系统包括电动机、手动位移调节转轮和位移控制箱；所述的电动机设置在第三组丝杠装置上，用于自动控制上球形颗粒在垂向自由度的位移；所述的位移控制箱与电动机连接；所述的手动位移调节转轮安装在第一组丝杠装置与第二组丝杠装置上，用于手动调节上球形颗粒在水平方向上两个自由度的位移。

本发明的目的还在于提供一种两球间静动态液桥观测方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：搭建两球间静动态液桥观测系统；

所述的两球间静动态液桥观测系统包括悬臂梁、上球形颗粒、下球形颗粒、激光位移数据采集系统、高速摄像图像采集系统和三自由度位移控制系统；所述的悬臂梁一端固定在减震试验台上；所述的下球形颗粒固定在悬臂梁的自由端边缘中心处；所述的上球形颗粒通过三自由度丝杠系统布置在下球形颗粒上方；所述的激光位移数据采集系统包括激光测距传感器；所述的激光测距传感器布置在悬臂梁下方，激光光点对准悬臂梁自由边缘中点处；所述的高速摄像图像采集系统包括高速摄像机和工业相机；所述的高速摄像机安装在可调高度的相机支架上，视野范围对准上球形颗粒和下球形颗粒，用于记录两球间液桥形成、拉伸、断裂的完整过程；所述的工业相机安装在减震试验台上，视野界面准心位于上球形颗粒和下球形颗粒的间隙中点，用于两球对心；所述的工业相机的视野方向与高速摄像机的视野方向垂直；所述的三自由度位移控制系统包括电动机和位移控制箱；所述的上球形颗粒在垂向自由度的位移由电动机自动控制；所述的位移控制箱与电动机连接；所述的上球形颗粒在水平方向上两个自由度的位移由手动调节；

步骤2：通过三自由度位移控制系统调节上球形颗粒的位置，观察工业相机和高速摄像机的显示界面，使上球形颗粒与下球形颗粒对心；

步骤3：将位移控制箱设置为步进模式，设置步进距离，执行步骤4至步骤6进行静态液桥力的测量；将位移控制箱设置为连续运动模式，输入拉伸速度，执行步骤4至步骤6进行动态液桥力的测量；

步骤4：通过位移控制箱控制电动机使上球形颗粒接近下球形颗粒，通过移液器在下球形颗粒的球冠最高点处添加液体，继续下降上球形颗粒直至两球间距为零，记录此时激光测距传感器的度数为初始点；

步骤5：通过位移控制箱控制电动机使上球形颗粒远离下球形颗粒，拉伸液桥直至断裂，整个过程中激光测距传感器记录悬臂梁挠度，高速摄像机拍摄记录整个液桥拉伸拉断过程；

步骤6：通过激光测距传感器记录的悬臂梁挠度，间接计算实时液桥力的数值大小；通过高速摄像机拍摄记录的两球间液桥形成、拉伸、断裂的全过程，进行图像处理得到液桥液桥形貌特性参数。

本发明的有益效果在于：

本发明涉及属于微力测量技术领域，具体涉及一种两球间静动态液桥观测系统及方法。本发明基于悬臂梁微力测量法，将变化迅速且微小的液桥力测量转化为悬臂梁端部挠度的变化，同时实现静态、动态液桥力的精确测量，并用高速摄像机记录液桥在拉伸断裂过程的形貌变化，图像处理后实现液桥迟滞特性及稳定性的研究。本发明克服了动态液桥力测量难的问题，可以通过改变球形颗粒直径、上球移动速度、液桥体积、液体种类等多个变量来观察液桥力的变化规律；可以通过高速摄像图像采集系统记录两球间液桥形成、拉伸、断裂的全过程，并通过图像处理得到液桥形貌特性的变化规律，为非饱和湿颗粒群特性研究提供理论基础。

附图说明

图1为一种两球间静动态液桥观测系统的结构示意图。

图2为向上球形颗粒与下球形颗粒间添加液体的移液装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及属于微力测量技术领域，具体涉及一种两球间静动态液桥观测系统及方法。本发明基于悬臂梁微力测量法，将变化迅速且微小的液桥力测量转化为悬臂梁端部挠度的变化，同时实现静态、动态液桥力的精确测量，并用高速摄像机记录液桥在拉伸断裂过程的形貌变化，图像处理后实现液桥迟滞特性及稳定性的研究。本发明克服了动态液桥力测量难的问题，为非饱和湿颗粒群特性研究提供理论基础。

一种两球间静动态液桥观测系统，包括三自由度丝杠系统、三自由度位移控制系统、悬臂梁7、上球形颗粒6、下球形颗粒、激光位移数据采集系统和高速摄像图像采集系统；所述的悬臂梁一端固定在减震试验台10上；所述的下球形颗粒通过透明硬质胶条固定在悬臂梁的自由端边缘中心处；

所述的三自由度丝杠系统由三组丝杠装置组成；所述的丝杠装置包括底座，在底座顶面左右两端设有支撑板，在两块支撑板之间安装有丝杠，在丝杠上安装有丝杠位移滑块1；第一组丝杠装置布置在底层；第二组丝杠装置垂直布置在第一组丝杠装置的上方，第二组丝杠装置的底座与第一组丝杠装置的丝杠位移滑块连接；第一组丝杠装置与第二组丝杠装置的丝杠位移滑块在水平方向上两个自由度运动；第三组丝杠装置的丝杠位移滑块在竖直方向上运动，第三组丝杠装置的底座与第二组丝杠装置的丝杠位移滑块连接；

所述的上球形颗粒布置在下球形颗粒上方，上球形颗粒通过伸长板5与第三组丝杠装置的丝杠位移滑块连接，上球形颗粒固定在伸长板的自由端，伸长板的另一端固定在第三组丝杠装置的丝杠位移滑块上；

所述的三自由度位移控制系统包括电动机2、手动位移调节转轮4和位移控制箱3；所述的电动机设置在第三组丝杠装置上，用于自动控制上球形颗粒在垂向自由度的位移；所述的位移控制箱与电动机连接；所述的手动位移调节转轮安装在第一组丝杠装置与第二组丝杠装置上，用于手动调节上球形颗粒在水平方向上两个自由度的位移；

所述的激光位移数据采集系统包括激光测距传感器12；所述的激光测距传感器布置在悬臂梁下方，激光光点对准悬臂梁自由边缘中点处；所述的高速摄像图像采集系统包括高速摄像机16和工业相机9；所述的高速摄像机安装在可调高度的相机支架上，视野范围对准上球形颗粒和下球形颗粒，用于记录两球间液桥形成、拉伸、断裂的完整过程；所述的工业相机安装在减震试验台上，视野界面准心位于上球形颗粒和下球形颗粒的间隙中点，用于两球对心；所述的工业相机的视野方向与高速摄像机的视野方向垂直。

一种两球间静动态液桥观测方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建两球间静动态液桥观测系统；

步骤2：通过三自由度位移控制系统调节上球形颗粒的位置，观察工业相机和高速摄像机的显示界面，使上球形颗粒与下球形颗粒对心；

步骤3：将位移控制箱设置为步进模式，设置步进距离，执行步骤4至步骤6进行静态液桥力的测量；将位移控制箱设置为连续运动模式，输入拉伸速度，执行步骤4至步骤6进行动态液桥力的测量；

步骤4：通过位移控制箱控制电动机使上球形颗粒接近下球形颗粒，利用手动移液器在下球形颗粒的球冠最高点处添加液体，继续下降上球形颗粒直至两球间距为零，记录此时激光测距传感器的度数为初始点；

步骤5：通过位移控制箱控制电动机使上球形颗粒远离下球形颗粒，拉伸液桥直至断裂，整个过程中激光测距传感器记录悬臂梁挠度，高速摄像机拍摄记录整个液桥拉伸拉断过程；

步骤6：通过激光测距传感器记录的悬臂梁挠度，间接计算实时液桥力的数值大小；通过高速摄像机拍摄记录的两球间液桥形成、拉伸、断裂的全过程，进行图像处理得到液桥液桥形貌特性参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以通过改变球形颗粒直径、上球移动速度、液桥体积、液体种类等多个变量来观察液桥力的变化规律；

(2)本发明可以通过高速摄像图像采集系统记录两球间液桥形成、拉伸、断裂的全过程，并通过图像处理得到液桥形貌特性的变化规律；

(3)本发明将微小且变化快的动态液桥力转化为悬臂梁的挠度，实现微小物理量的放大转化，实现了动态液桥力的精确测量，本装置同时具备静态液桥力的测量能力。

实施例1：

一种两球间静动态液桥观测系统，该装置包括：悬臂梁主体部分、三自由度位移控制系统、激光位移数据采集系统和高速摄像图像采集系统。所述悬臂梁主体部分包括：钢制悬臂梁7、悬臂梁固定卡板8、上球形颗粒6、下球形颗粒18、透明硬质胶条21、减震试验台10，钢制悬臂梁7通过悬臂梁固定卡板8固定在减震试验台10上，下球形颗粒18用透明硬质胶条21固定在钢制悬臂梁7自由端边缘中心处；所述三自由度位移控制系统包括：丝杠位移滑块1、电动机2、多功能位移控制箱3、手动位移调节转轮4、钢制伸长板5、试验台14，丝杠位移滑块1在水平方向上两个自由度的位移通过转动手动位移调节转轮4改变，丝杠位移滑块1在竖直方向上的滑块部分加装电动机2，通过多功能位移控制箱3实现自动控制，钢制伸长板5固定在丝杠位移滑块1的竖直方向滑块上，其端部胶固上球形颗粒6，三自由度位移控制系统整体固定在试验台14上；所述激光位移数据采集系统包括：激光测距传感器12、可调高度传感器支架13、位移数据采集记录主机15，激光测距传感器12固定在可调高度传感器支架13上，激光测距传感器12放置在钢制悬臂梁7下方，激光光点对准钢制悬臂梁7自由边缘中点处，激光测距传感器12连接在位移数据采集记录主机15上；所述高速摄像图像采集系统包括：普通工业相机9、高速摄像机16、可调高度相机支架17、图像记录处理器11，高速摄像机16固定在可调高度相机支架17上，视野范围对准钢制悬臂梁7上的下球形颗粒18和钢制伸长板5上固定的上球形颗粒6，普通工业相机9和高速摄像机16与图像记录处理器11相连接，普通工业相机9放置在减震试验台10上，视野范围对准下球形颗粒18和上球形颗粒6，且视野方向与高速摄像机16视野方向垂直。

所述悬臂梁主体部分还包括可调移液量手动移液器20和一次性针头19，使用可调移液量手动移液器20向下球形颗粒18球冠最高点添加液体。

实施例2：

一种两球间静动态液桥观测系统，用于实现两球形颗粒在拉伸断裂过程中静态、动态液桥力的测量和液桥形貌特性的记录，包括悬臂梁主体部分、三自由度位移控制系统、激光位移数据采集系统和高速摄像图像采集系统四个部分，根据附图1进行以下说明。

悬臂梁主体部分包括：钢制悬臂梁7、悬臂梁固定卡板8、上球形颗粒6、下球形颗粒18、透明硬质胶条21、减震试验台10、手动移液器20、一次性针头19。

三自由度位移控制系统包括：丝杠位移滑块1、电动机2、多功能位移控制箱3、手动位移调节转轮4、钢制伸长板5、试验台14。

激光位移数据采集系统包括：激光测距传感器12、可调高度传感器支架13、位移数据采集记录主机15。

高速摄像图像采集系统包括：普通工业相机9、高速摄像机16、可调高度相机支架17、图像记录处理器11。

本发明悬臂梁主体部分用于实现两球形颗粒间液桥的形成，悬臂梁尺寸为10*5*0.1mm，材质为不锈钢，此悬臂梁可在自由端受力变化时随之灵敏的产生挠度变化，保证了动态液桥力测量的瞬时性和灵敏性。两小球都可拆下进行更换，便于进行不同球径比、不同材质球下的液桥观测试验。本实验要求灵敏精密，悬臂梁固定于减震试验台上，可避免人员走动等对悬臂梁挠度变化产生干扰。

三自由度位移控制系统在水平方方向上两自由度模块用于控制上球移动，实现两小球对心，为便于控制选择手动模式；而垂向自由度用于实现两球接触、液桥形成、拉伸断裂，故加装电动机通过控制箱控制。多功能控制箱调整为步进模式，通过调节步进距离实现静态液桥力的测量；调整为连续移动模式，可通过改变速度实现不同拉伸速度下动态液桥力的测量。

激光位移数据采集系统放置在悬臂梁下方，用于感应距离变化的激光光点对准悬臂梁自由端边缘的正中心，当悬臂梁端部挠度变化时激光测距仪可以灵敏的感应到。位移数据采集记录主机可控制测距仪的开关闭合以及数据的记录存储，所采集数据为激光测距仪距离悬臂梁端部的距离，通过差值计算出悬臂梁端部挠度的变化量，进而得到液桥力在拉伸过程中的数值。测距仪普通模式下每秒输出2.5个数据，高速模式下每秒可输出10个数据，可根据试验时间进行选择。

高速摄像图像采集系统包含两视野方向相垂直的相机，其中普通工业相机仅用于两球对心，高速摄像机用于记录两球间液桥形成、拉伸、断裂的完整过程。两摄像机都与图像记录处理器相连，工业摄像机视野界面准心尽量位于两球间隙中点，方便实现对心；高速摄像机的视野界面准心偏下，保证上球在整个拉伸过程都处于摄像记录范围。对高速摄像机记录的视频照片等进行后续处理，可以得到液桥轮廓形态、极限距离、上下接触角等重要特征参数。

本发明通过三自由度位移控制系统将两球形颗粒调整到合适的位置，利用移液装置添加液体形成液桥，应用位移控制系统在垂向上的电动模块实现梁球形颗粒间液桥静态或动态的拉断，激光位移数据采集系统和高速摄像图像采集系统在整个过程中进行数据的记录。

一种两球间静动态液桥观测系统所能创造及测量的变量主要如下：

液桥力：探究两球形颗粒间液桥力随颗粒间距的变化规律是本发明的核心目的，本发明设置不同工作模式时具有测量静态、动态两种液桥力的能力。本发明采用间接测量法，通过激光测距仪测量的悬臂梁自由端部挠度，间接计算实时液桥力的数值大小。

液桥轮廓：在表面张力和基质吸力的共同作用下，两球形颗粒间液桥会呈现特殊的形貌特性。液桥轮廓与液桥体积、液体种类、颗粒大小、颗粒材质等多种因素有关，性质复杂多变，研究液桥轮廓对于探索颗粒间液桥融合特性有着重要意义。本发明通过高速摄像机记录下液桥轮廓在拉伸断裂过程的变化，通过图像处理软件进行处理可得到液桥轮廓。

极限距离：两球形颗粒拉伸断裂过程中，瞬时拉断的液桥长度，即极限长度，是表征球间颗液桥力学特性的重要参数。本发明可通过激光测距仪的数据大致计算极限距离的出现范围，再结合高速摄像机的图像处理测量得到极限距离的准确数值。

上下接触角：液桥力属于表面张力的特殊表现形式，因此固液气三相接触角的特性研究尤为重要。当液桥体积较大时重力作用不可忽略，上下两球状颗粒与液桥接触处形成的上下接触角会表现粗处不同的性质，有着重要的研究价值。本发明的高速摄像图像记录处理模块可记录液桥与两颗粒上下接触角在拉伸过程的变化规律，对于液桥迟滞特性的研究提供数据基础。

上下球粒径比：本发明上下两小球均可拆下进行更换，通过更换小球实现改变上下球径比的目的。

液桥体积：液桥体积对于液桥力的大小和液桥形态有着重要影响。本发明悬臂梁主体部分包含一套移液装置，移液装置可实现不同体积液体的转移。移液装置的一次性针头每次移液后进行更换，保证实验准确性。

液体种类：通过添加表面张力系数、粘性系数等不同性质的液体，研究液桥力的影响因素。

拉伸速度：拉伸速度是区别静态液桥力与动态液桥力的最重要参数，不同量级拉伸速度对于动态液桥力的数值大小与拉伸断裂过程的液桥动态特性影响重大。本发明配备位移控制模块，通过控制箱实现拉伸速度的控制。

实施例3：

一种两球间静动态液桥观测方法具体实施可分为如下五个部分：

(1)依照实验方案搭建实验台，检查各设备安装是否正确，确保装置供电及设备运行正常；

(2)转动手动位移调节转轮4调节钢制伸长板5上上球形颗粒6的位置，观察普通工业相机9和高速摄像机16显示界面，使其与下球形颗粒18对心。设置多功能位移控制箱3，测量静态液桥力时设置为步进模式，并设置步进距离；测量动态液桥力时选择连续运动模式，并输入拉伸速度；

(3)通过多功能位移控制箱3控制电动机2使上球形颗粒6接近下球形颗粒18，利用手动移液器20在下球形颗粒18球冠最高点处添加液体，继续降下上球形颗粒6直至两球间距为零，记录此时激光测距传感器12的度数为初始点；

(4)打开多功能位移控制箱3控制电动机2，拉伸液桥直至断裂，整个过程中激光测距传感器12记录悬臂梁挠度，高速摄像机16拍摄记录整个液桥拉伸拉断过程；

(5)后续利用位移数据采集记录主机15和图像记录处理器11进行数据图像处理，计算得到液桥力及液桥形貌特性参数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。