一種土體試樣微形變的成像檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及土工試驗領域的試樣微形變量測，尤其涉及土工離心機的土體試樣微形變量測。公開了一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，包括土工離心機，土工離心機的模型箱外側(cè)固定有照相機系統(tǒng)，模型箱內(nèi)放置有土體試樣，模型箱的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面設置有固定參考坐標格網(wǎng)。本發(fā)明還公開了一種利用土體試樣微形變的成像檢測裝置對土體試樣進行成像檢測的方法。
【專利說明】—種土體試樣微形變的成像檢測裝置及方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及土工試驗領域的試樣微形變量測，尤其涉及土工離心機的土體試樣微形變量測。
【背景技術(shù)】
[0002]土工離心機是以室內(nèi)試驗模擬土工作業(yè)現(xiàn)場土體受力導致變形的大型室內(nèi)試驗設備。模型箱里的土體所受的作用力來自離心機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力。離心機轉(zhuǎn)速與離心力成正比，離心機通過控制系統(tǒng)調(diào)整轉(zhuǎn)速達到模型土體試驗需要的壓力。
[0003]大型土工離心機由旋轉(zhuǎn)臂、與旋轉(zhuǎn)臂相連的立柱、旋轉(zhuǎn)臂一端的模型箱和另一端的配重箱以及驅(qū)動和控制系統(tǒng)構(gòu)成。運行時，由配套的成像系統(tǒng)對高速旋轉(zhuǎn)的模型箱里面的土工模型進行拍照，以得到在離心受力狀態(tài)下的土工模型動態(tài)變化工程。
[0004]現(xiàn)有的土工離心機成像檢測系統(tǒng)多采用在離心機室上方打開一個窗口，窗口處固定照明光源和一臺照照相機。當離心機工作的時候，離心機室成為一個全封閉的空間。當離心機的轉(zhuǎn)速達到試驗要求時，模型箱轉(zhuǎn)到照照相機照相的區(qū)域內(nèi)，觸發(fā)照照相機快門，拍攝一張圖像。每旋轉(zhuǎn)一周，可以拍攝圖像數(shù)< I。通過對拍攝圖像的觀察分析，得到土體試樣受力形變的信息。但是這種方法存在缺陷:在離心機試驗中，照相系統(tǒng)固定在離心機室的混凝土頂板上，離心機旋臂端的模型箱2處于圓周運動狀態(tài)，固定在混凝土頂板上的成像系統(tǒng)與旋臂上的模型箱是在相對運動模式下工作的，得到的圖像發(fā)生圖像運動模糊。圖像的模糊直接導致土樣形變量不能準確量測。離心機轉(zhuǎn)速越高，圖像越模糊，測得的土樣形變量精度越低。
[0005]為了解決上述問題，申請?zhí)枮?01010262816.3，名稱為一種大型土工離心機的成像裝置對現(xiàn)有的成像系統(tǒng)做出了改進，改進后的裝置能正對模型的任意一點進行拍攝，圖像的清晰度相對現(xiàn)有的成像系統(tǒng)更高。但該專利所述的成像裝置的土樣微形變測量效果較差。由于土工離心機I的模型形變量是現(xiàn)場實際形變量的1/60，也就是說要講模型形變量乘以60才能得到現(xiàn)場形變量，該專利所述裝置的成像系統(tǒng)不能勝任微形變分析的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種土體試樣微形變的成像檢測裝置及方法。該裝置能對模型任意一點進行拍攝，精確獲取微型變量，且成本低，易于實施。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，包括土工離心機1，土工離心機I的模型箱2外側(cè)固定有照相機系統(tǒng)3，模型箱2內(nèi)放置有土體試樣，其特征在于，所述模型箱2的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面4設置有固定參考坐標格網(wǎng)，模型箱2內(nèi)放置的土體試樣表面放置有移動標志，所述移動標志和固定參考坐標格網(wǎng)直接接觸并隨著土體試樣移動，移動標志的移動軌跡代表該點位土體試樣質(zhì)點的運動軌跡。
[0008]進一步地，所述固定參考坐標格網(wǎng)用機械刻畫的方式或者激光束燒刻的方式直接刻蝕在模型箱2的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面4。
[0009]進一步地，所述固定參考坐標格網(wǎng)的密度應保證照相機拍攝的每幅圖像中參考坐標格網(wǎng)的交叉點≥4。
[0010]進一步地,所述移動標志為圖釘狀,釘頭扎入土樣中，移動標志為透明材料。
[0011]進一步地，所述照相機系統(tǒng)3的照相機鏡頭選用微距鏡頭或者物方遠心鏡頭。
[0012]進一步地，所述固定參考坐標格網(wǎng)由相互垂直的直線組成。
[0013]進一步地,所述移動標志的圖釘狀頭上表面為移動標志面,所述移動標志面上設置有標志刻線，所述標志刻線為十字線，以縱橫交叉線邊緣的交點為量測點進行定位。
[0014]進一步地，所述移動標志面的上表面涂抹透明的潤滑劑。
[0015]本發(fā)明還公開一種利用上述技術(shù)方案進行土體試樣微形變的成像檢測的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0016]S1、構(gòu)建土樣微位移信息的參考坐標系，所述參考坐標系以模型箱2的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面4設置的固定參考坐標格網(wǎng)為基準；
[0017]S2、對固定參考坐標格網(wǎng)在微觀下量測獲取初始狀態(tài)圖像并記錄圖像各點坐標值，所述格網(wǎng)長度單位為微米，并對圖像的行列號進行標記；
[0018]S3、將多個不同的移動標志放置于土體試樣上，同時對每個移動標志進行坐標標示和區(qū)別標示，其中，所述移動標志涂抹透明的潤滑劑的上表面與模型箱2有機玻璃內(nèi)側(cè)面4接觸,移動標志釘扎入土體試樣中進行固定，圖釘狀移動標志在旋轉(zhuǎn)試驗中隨土體試樣移動，移動標志上表面刻畫有十字線，所述十字線以縱橫交叉線邊緣的交點為量測點進行定位，移動標志嵌入到土體試樣中，圖釘狀移動標志上表面與土體試樣表面為同一平面；
[0019]S4、啟動土工離心機I使模型箱2旋轉(zhuǎn)，用照相系統(tǒng)獲取模型箱2內(nèi)土體試樣在指定受力狀態(tài)下的指定時間點、指定位置點的圖像；
[0020]S5、對S4所獲取的圖像進行照相機畸變校正和圖像隨機畸變校正，精確測量圖像上移動標志在參考坐標系里的微位移，包括如下步驟:
[0021]S51、對S4所獲取的圖像根據(jù)照相機在試驗前預先進行的畸變檢測，得到的照相機各標定參數(shù)進行位置和像元值的重采樣；
[0022]S52、對S2中獲取的初始狀態(tài)圖像里格網(wǎng)的縱橫交叉線的邊緣交叉點的實測數(shù)據(jù)與圖像行列號形成的同名點進行匹配計算，求出圖像畸變系數(shù)；
[0023]S53、輸入圖像中的參考坐標點的坐標值，根據(jù)S52求出的圖像畸變系數(shù)進行圖像幾何校正，得到校正后的圖像；
[0024]S54、對同一區(qū)域不同受力下的多幅校正后的圖像的移動標志位置變化進行計算，得到移動標志的微位移；
[0025]S6、根據(jù)S5測量所得微位移，解算出局部圖像二維坐標系里土體試樣的形變量，對土體試樣的形變量進行坐標映射，得到整個模型箱2全域坐標系下的土體試樣移動標志的形變矢量，即得到土體試樣的二維平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，并可以建立受力大小和受力時長的相關(guān)分析數(shù)據(jù)。
[0026]進一步地，根據(jù)試樣對土樣微形變尺度檢測的要求，照相機像元尺寸a，照相機鏡頭焦距f，照相機成像距離d和土樣微形變檢測的最小尺度L滿足L/d=a/f。[0027]本發(fā)明的有益效果是:根據(jù)使用成像系統(tǒng)部件的參數(shù)不同，可以獲得的土樣質(zhì)點二維平移與旋轉(zhuǎn)參數(shù)精確到I個CCD象元?1/5個象元尺寸級別，為土體試樣微形變、土體試樣受力大小變化和土體試樣受力時長變化之間的函數(shù)分析提供更準確的原始數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為離心機室剖面圖。
[0029]圖2為本發(fā)明模型箱2結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明固定參考坐標格網(wǎng)。
[0031]圖4為本發(fā)明固定參考坐標格網(wǎng)縱橫交叉線邊緣相交點的微觀圖像。
[0032]圖5為本發(fā)明移動標志。
[0033]圖6為本發(fā)明移動標志“十”字交叉線邊緣交點的微觀圖像。
[0034]圖7為本發(fā)明移動標志在固定參考坐標格網(wǎng)里初始受力狀態(tài)下的圖像。
[0035]圖8為本發(fā)明移動標志在固定參考坐標格網(wǎng)里受力移動后的圖像。
[0036]圖中:1、土工離心機，2、模型箱，3、照相機系統(tǒng)，4有機玻璃內(nèi)側(cè)面。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的【具體實施方式】:
[0038]模型箱2有機玻璃內(nèi)側(cè)面44的固定參考坐標格網(wǎng)密度按照135全畫幅相機設計。固定參考坐標格網(wǎng)水平方向?qū)獔D像CCD面陣長邊，即長度為26_的邊，水平方向格網(wǎng)間距為12_，記作行，用X表示；固定參考坐標格網(wǎng)垂直方向?qū)獔D像C⑶面陣短邊，即長度為24_的邊，垂直方向格網(wǎng)間距為8_，記作列，用y表示。固定參考坐標格網(wǎng)縱橫交叉線邊緣交點的標注方法采用隔行和隔列按照序列號進行標注，如圖3所示，13表示第I行、第3列，即坐標為1，3。選擇與坐標號處于同一象限的邊緣交叉點作為量測點，用影像量測儀進行測量，得出固定參考坐標格網(wǎng)縱橫交叉線邊緣交點的X，y坐標。移動標志的標識號使用自然數(shù)，選擇與標識號處于同一象限的邊緣的交點作為后期處理時的量測點。
[0039]向模型箱2內(nèi)裝填土體試樣，在設計指定的位置布設圖釘狀移動標志。圖釘狀移動標志釘扎入土體試樣中進行固定，圖釘狀移動標志上表面與土體試樣表面為同一平面。圖釘狀移動標志上表面涂抹透明的潤滑劑并與模型箱2有機玻璃內(nèi)側(cè)面44接觸。接觸位置涂抹潤滑劑以減少摩擦力。土體試樣裝填完畢后模型箱2透明窗口的局部圖像如圖7所示，即，本發(fā)明移動標志在參考坐標格網(wǎng)里初始受力狀態(tài)下的圖像。
[0040]根據(jù)公式L/d=a/f，其中，L為土體試樣微形變檢測的最小尺度，a為數(shù)字相機像元尺度，f為鏡頭焦距，d為成像距離。我們知道，數(shù)字相機一旦選定相機型號，數(shù)字相機的像元a就為固定值。公式中d為成像距離，即物距，由于成像系統(tǒng)機架空間在設計的時候考慮了各種焦距的鏡頭和物距的極限，因此，不必考慮鏡頭長度和成像距離的空間限制，即，將L和a看做已知。按照目前商品鏡頭的參數(shù)，選擇放大倍數(shù)1-5的微距鏡頭，可以獲得土體試樣微米級的圖像。
[0041]對土體試樣微形變的成像檢測裝置進行如下方法操作:
[0042]S1、構(gòu)建土樣微位移信息的參考坐標系,用模型箱2內(nèi)側(cè)有機玻璃上的固定參考格網(wǎng)作為基準；[0043]S2、對模型箱2內(nèi)側(cè)有機玻璃上的固定參考格網(wǎng)在微觀下量測獲取初始狀態(tài)圖像并記錄圖像各點坐標值，所述固定參考格網(wǎng)長度單位為微米，并對圖像CCD面陣的行列號進行標記；
[0044]S3、將圖釘狀移動標志放置于土體試樣上，同時對每個圖釘狀移動標志進行坐標標示和唯一'丨生標示，同一次試驗中多個圖釘狀移動標志具有唯一'丨生;
[0045]S4、模型箱2進入旋轉(zhuǎn)試驗后，用土體試樣微形變的成像檢測裝置獲取初始受力狀態(tài)下、指定受力狀態(tài)下和指定時間點的特定位置點模型箱2內(nèi)土樣的圖像，即，土體試樣在土工離心機I旋轉(zhuǎn)后達到初始受力狀態(tài)，逐個選擇移動標志所在位置進行成像，土工離心機I增加轉(zhuǎn)速，土體試樣達到試驗設計要求的受力狀態(tài)后，再次逐個選擇移動標志所在位置進行成像，多次重復上述成像過程，得到每個移動標志在不同受力條件下的圖像；
[0046]S5、對S4所獲取的圖像進行照相機畸變校正和圖像隨機畸變校正，精確測量圖像上移動標志在參考坐標系里的微位移，包括如下步驟:
[0047]S51、對S4所獲取的圖像根據(jù)照相機在試驗前預先進行的畸變檢測，得到的照相機各標定參數(shù)進行位置和像元值的重采樣，其中，照相機的畸變檢測完成后，照相機機身和鏡頭不能再進行分離，以免畸變參數(shù)發(fā)生變化；
[0048]S52、對S2中獲取的初始狀態(tài)圖像里固定參考格網(wǎng)的縱橫交叉線的邊緣交叉點的實測數(shù)據(jù)與圖像行列號形成的同名點進行匹配計算，求出圖像畸變系數(shù)；
[0049]S53、輸入圖像中的參考坐標點的坐標值，根據(jù)S52求出的圖像畸變系數(shù)進行圖像幾何校正，得到校正后的圖像；
[0050]S54、對同一區(qū)域不同受力下的多幅校正后的圖像的移動標志位置變化進行計算，得到移動標志的微位移；
[0051]S6、根據(jù)S5測量所得微位移，解算出局部圖像二維坐標系里土體試樣的形變量，對土體試樣的形變量進行坐標映射，得到整個模型箱2全域坐標系下的土體試樣移動標志的形變矢量，即得到土體試樣的二維平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，并可以建立受力大小和受力時長的相關(guān)分析數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，包括土工離心機(1)，土工離心機(I)的模型箱(2)外側(cè)固定有照相機系統(tǒng)(3)，模型箱(2)內(nèi)放置有土體試樣，其特征在于，所述模型箱(2)的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面(4)設置有固定參考坐標格網(wǎng)，模型箱(2)內(nèi)放置的土體試樣表面放置有移動標志，所述移動標志和固定參考坐標格網(wǎng)直接接觸并隨著土體試樣移動，移動標志的移動軌跡代表該點位土體試樣質(zhì)點的運動軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于: 所述固定參考坐標格網(wǎng)用機械刻畫的方式或者激光束燒刻的方式直接刻蝕在模型箱(2)的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于:所述固定參考坐標格網(wǎng)的密度應保證照相機拍攝的每幅圖像中參考坐標格網(wǎng)的交叉點>4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于:所述移動標志為圖釘狀，釘頭扎入土樣中，移動標志為透明材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于:所述照相機系統(tǒng)(3)的照相機鏡頭選用微距鏡頭或者物方遠心鏡頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種土體式樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于:所述固定參考坐標格網(wǎng)由相互垂直的直線組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于:所述移動標志的圖釘狀頭上表面為移動標志面，所述移動標志面上設置有標志刻線，所述標志刻線為十字線，以縱橫交叉線邊緣的交點為量測點進行定位。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種土體試樣微形變的成像檢測裝置，其特征在于:所述移動標志面的上表面涂抹透明的潤滑劑。
9.一種利用權(quán)利要求1所述土體試樣微形變的成像檢測裝置進行成像檢測的方法，其特征在于，包括如下步驟: ` 51、構(gòu)建土樣微位移信息的參考坐標系，所述參考坐標系以模型箱(2)的透明窗口有機玻璃內(nèi)側(cè)面(4)設置的固定參考坐標格網(wǎng)為基準； `52、對固定參考坐標格網(wǎng)在微觀下量測獲取初始狀態(tài)圖像并記錄圖像各點坐標值，所述格網(wǎng)長度單位為微米，并對圖像的行列號進行標記； `53、將多個不同的移動標志放置于土體試樣上，同時對每個移動標志進行坐標標示和區(qū)別標示，其中，所述移動標志涂抹透明的潤滑劑的上表面與模型箱(2)有機玻璃內(nèi)側(cè)面(4)接觸，移動標志釘扎入土體試樣中進行固定，圖釘狀移動標志在旋轉(zhuǎn)試驗中隨土體試樣移動，移動標志上表面刻畫有十字線，所述十字線以縱橫交叉線邊緣的交點為量測點進行定位，移動標志嵌入到土體試樣中，圖釘狀移動標志上表面與土體試樣表面為同一平面； `54、啟動土工離心機(I)使模型箱(2)旋轉(zhuǎn)，用照相系統(tǒng)獲取模型箱(2)內(nèi)土體試樣在指定受力狀態(tài)下的指定時間點、指定位置點的圖像； `55、對S4所獲取的圖像進行照相機畸變校正和圖像隨機畸變校正，精確測量圖像上移動標志在參考坐標系里的微位移，包括如下步驟: ` 551、對S4所獲取的圖像根據(jù)照相機在試驗前預先進行的畸變檢測，得到的照相機各標定參數(shù)進行位置和像元值的重采樣； `552、對S2中獲取的初始狀態(tài)圖像里格網(wǎng)的縱橫交叉線的邊緣交叉點的實測數(shù)據(jù)與圖像行列號形成的同名點進行匹配計算，求出圖像畸變系數(shù)； ·553、輸入圖像中的參考坐標點的坐標值，根據(jù)S52求出的圖像畸變系數(shù)進行圖像幾何校正，得到校正后的圖像； ·554、對同一區(qū)域不同受力下的多幅校正后的圖像的移動標志位置變化進行計算，得到移動標志的微位移； ·S6、根據(jù)S5測量所得微位移，解算出局部圖像二維坐標系里土體試樣的形變量，對土體試樣的形變量進行坐標映射，得到整個模型箱(2)全域坐標系下的土體試樣移動標志的形變矢量，即得到土體試樣的二維平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，并可以建立受力大小和受力時長的相關(guān)分析數(shù)據(jù)?！?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的成像檢測方法，其特征在于:根據(jù)試樣對土樣微形變尺度檢測的要求，照相機像元尺寸a，照相機鏡頭焦距f，照相機成像距離d和土樣微形變檢測的最小尺度L滿足L/d=a/f ·ο
【文檔編號】G01B11/16GK103438818SQ201310379561
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】秦軍 申請人:西南交通大學