一種凍土界面層變形測量系統及其測量方法
2023-06-26 15:08:31 3
一種凍土界面層變形測量系統及其測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種凍土剪切界面層變形測量系統及測量方法。該測量系統包括：土樣盒、土樣、制樣模板、防翹棒、防翹軸承、工業相機、圖像處理裝置；其測量方法為：將配製的重塑土分層填入土樣盒中，用白色油漆標記土樣界面層後用透明膠布進行密封，將工業相機與圖像處理裝置相連接，打開圖像採集軟體，設置相關參數，自動採集圖像，通過圖像處理裝置，打開圖像測量軟體，設置相關參數，進行測量，得到不同位置界面層土體的變形數據。本發明的優點為：1、採用工業相機及定焦鏡頭，能清晰採集界面層圖像；2、採用CMOS傳感器攝像頭，成本低，功耗小，操作方便；3、能測量出界面層不同位置土體的變形；4、測量誤差誤差可以精確到1um。
【專利說明】一種凍土界面層變形測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種凍土剪切界面層變形測量系統及測量方法，屬於室內巖土模型試驗的變形測量【技術領域】，適用於凍土剪切界面層微變形的高精度測量。
技術背景
[0002]在土體本構模型的建立過程中，土體變形測量常用來對試驗現象和結果進行定量分析。在天然凍土區或人工凍土工程中存在著大量凍土與結構物接觸界面層變形問題，為了對凍土剪切界面層的本構關係能有更深入的研究，必須對其變形進行測量，進行定量分析。凍土剪切界面層的變形相對於一般巖土變形更小，對測量系統精度要求更高，所以對界面層變形測量專用設備的研究一直是一個空白。
[0003]界面層問題相關的文章只有周國慶在《煤炭學報》發表的《一套深部土與結構界面層力學特性試驗系統》，該系統從定性的角度對界面層的變形行為進行了研究，但不能準確的到界面層每個位置的位移。
[0004]目前界面層變形的測量研究較少，但是國內外學者巖土工程中其他問題的變形測量進行了大量研究，相關的測量設備主要分為兩種:接觸式與非接觸式。接觸式測量設備指通過在試樣內部設置位移探頭以測定某點的位移，如殷宗澤在《巖土工程學報》上發表的《土與結構材料接觸面的變形及其數學模擬》，該文章介紹了利用一種埋置於土樣中的潛望鏡來測量土體位移，這種設備能直接獲得試樣某一位置的變形情況，操作簡單，成本低，但這種測量方式只能測量局部甚至某一點或者某一區域的位移，而且在試樣內部設置探頭或者其他設備會對試樣產生很大的擾動，使測量結果偏離事實情況；非接觸式測量設備指通過光學技術對研究對象進行非插入全方位變形測量，如國內學者邵龍潭等在《巖土力學》發表了題為《數字圖像測量技術在土工三軸試驗中的應用研究》的文章，介紹了應用由圖像採集系統CCD傳感器與圖像處理系統組成的數字圖像測量系統對三軸試樣任意部分變形進行測量。國外學者 White D J 在《10th Internat1nal Conference on ComputerMethods and Advances in Geotechanics》發表的文章《Measuring soil deformat1n ingeotechnical models using digital images and PIV analysis》米用雷射對土樣進行光學剖切，多個剖切面的二維變形場可以構建整個土體的空間變形場，非接觸式測量設備，非接觸式測量設備可以避免對試樣擾動，也可以對研究對象的任一部分進行較為準確的測量,但是這類設備往往成本較高,測試方法比較複雜。
[0005]不論是接觸測量設備還是非接觸式測量設備，都存在自身無法克服的缺點，無法同時滿足經濟型與精確性的雙重要求。
[0006]近年來，國內CMOS傳感器等相關數字圖像測量技術得到了長足的進步，CMOS傳感器與CCD傳感器相比，造價低、功耗低、體積小、集成度高且信號讀取方式簡單傳輸速度快，更重要的是，隨著相關技術的發展，CMOS已經克服了像素低的缺點，而且在相關參數已經超越了 C⑶傳感器。迄今為止，還未發現應用CMOS傳感器的數字圖像測量設備應用於凍土剪切界面層變形測量的報導。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於提供一種凍土界面層變形測量系統及測量方法，旨在解決天然凍土區或人工凍土工程中存在著大量凍土與結構物接觸界面層變形問題，填補國內相關儀器空白，通過得到凍土界面層不同位置位移，對凍土界面層的變形進行定量分析，為系統研究凍土與結構接觸面界面層的變形特性和建立實用凍土接觸界面層本構模型提供試驗基礎和重要前提。
[0008]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於該測量系統有土樣盒1、土樣2、制樣模板4、防翹棒5、防翹軸承6、工業相機7、圖像處理裝置8所構成；其中:土樣盒I的一端通過防翅棒5固定,另一端通過防翅棒5與防翅軸承6固定；制樣模板4固定在土樣盒I上表面；土樣盒I正前方安裝工業相機7 ;工業相機7通過USB線與圖像處理裝置8相連接；剛性支架9的一端與土樣盒I相連接，另一端與底座10相連接。
[0009]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的制樣模板4的中部呈中裝塑料板空尺寸為長10mmX寬200mmX高10mm，其中土樣2的上部突出土樣盒I的部分為土樣界面層3。
[0010]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的工業相機7固定在底座10上；定焦鏡頭11固定在工業相機7上；LED照明燈12固定在定焦鏡頭11上。
[0011]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的防翹棒5對稱焊接於土樣盒I左右兩側，防翅棒5的尺寸為長50mm,直徑30mm。
[0012]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的防翹軸承6與土樣盒I右側防翹棒5相連接，防翹軸承6尺寸為直徑60mm，寬30mm，可以左右滑動。
[0013]一種凍土剪切界面層變形測量系統的測量方法其特徵在於:測量步驟如下:
1)在土樣盒I上安裝中空制樣模板4；
2)按照土工試驗規範GB/T-50123-1999配置重塑土，分層填入土樣盒I中；
3)拆除制樣模板4後形成凸出土樣盒I的土樣界面層3，用白色油漆在土樣界面層3部分留有圖像測量標記並粘貼透明膠帶密封以隔絕空氣；
4)將剛性支架9一端固定於土樣盒I上，另一端與底座相連接，將工業相機7固定在底座上，在工業相機7上固定定焦鏡頭11，將LED照明燈12固定在定焦鏡頭11上，通過水準泡校正工業相機7並保證其與土樣界面層3垂直距離為20cm，通過USB連接線將工業相機與圖像處理裝置8相連，打開，調節LED照明燈12，使圖像達到要求的清晰度；
5)採用halcon標準陶瓷標定板進行標定；
6)設置圖像採集軟體相關參數，手動或者自動採集圖像；
7)打開圖像測量軟體，設置相關參數，進行測量，得到不同位置處界面層變形，數據存於自動生成的word文檔中。
[0014]本發明優點如下
1)採用1400W像素工業相機及定焦鏡頭，能清晰採集界面層圖像；
2)採用CMOS傳感器攝像頭，成本低，功耗小，操作方便；
3)可對任意界面層位置的變形進行測量，能測量出界面層不同位置土體的變形；
4)能更精確的測量出界面層的變形，誤差可以精確到lum。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1:一種凍土界面層變形測量系統的正視圖，
圖2:—種凍土界面層變形測量系統的左視圖，
圖3:制樣模板示意圖。
[0016]附圖標記:1 土樣盒、2 土樣、3 土樣界面層、4制樣模板、5防翹棒、6防翹軸承、7工業相機、8圖像處理裝置、9剛性支架、10底座、11定焦鏡頭、12LED照明燈。
【具體實施方式】
[0017]實施例1:一種凍土剪切界面層變形測量系統
一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於該測量系統有土樣盒1、土樣2、制樣模板4、防翹棒5、防翹軸承6、工業相機7、圖像處理裝置8所構成；其中:土樣盒I的一端通過防翅棒5固定,另一端通過防翅棒5與防翅軸承6固定；制樣模板4固定在土樣盒I上表面；土樣盒I正前方安裝工業相機7 ;工業相機7通過USB線與圖像處理裝置8相連接；剛性支架9的一端與土樣盒I相連接，另一端與底座10相連接。
[0018]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的制樣模板4的中部呈中裝塑料板空尺寸為長10mmX寬200mmX高10mm，其中土樣2的上部突出土樣盒I的部分為土樣界面層3。
[0019]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的工業相機7固定在底座10上；定焦鏡頭11固定在工業相機7上；LED照明燈12固定在定焦鏡頭11上。
[0020]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的防翹棒5對稱焊接於土樣盒I左右兩側，防翅棒5的尺寸為長50mm,直徑30mm。
[0021]所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的防翹軸承6與土樣盒I右側防翹棒5相連接，防翹軸承6尺寸為直徑60mm，寬30mm，可以左右滑動。
[0022]其中:銅質土樣盒容積為長10mmX寬200mmX高65mm ;塑料制樣模板中空尺寸為長1CtamX寬200mmX高10mm, 土樣尺寸為100_X 200_X 75mm ;鋼質防翅棒尺寸為長50mm,直徑30mm ;防翅軸承6尺寸為直徑60mm,寬30mm ;不鏽鋼質剛性支架尺寸為長250mm,直徑5mm JHSM-1400型號工業相機像素為1400萬，1/2.3CM0S傳感器；工程塑料質底座尺寸為長 50mmX 寬 50mmX 高 10mnin
[0023]防翹棒5與防翹軸承6通過焊接的方式固定在土樣盒I兩端；制樣模板4通過螺栓固定在土樣盒I上表面；工業相機7通過USB線與圖像處理裝置8相連接；剛性支架9 一端通過螺栓與土樣盒相連接，另一端通過螺栓與底座10相連接；工業相機7通過螺栓固定在底座10上；定焦鏡頭11通過預留螺紋固定在工業相機7上；LED照明燈12通過螺栓固定在定焦鏡頭11上；
實施例2 —種凍土剪切界面層變形測量系統的測量方法其特徵在於:測量步驟如下。
[0024])在土樣盒I上安裝中空制樣模板4；
2)按照土工試驗規範GB/T-50123-1999配置重塑土，分層填入土樣盒I中；
3)拆除制樣模板4後形成凸出土樣盒I的土樣界面層3，用白色油漆在土樣界面層3部分留有圖像測量標記並粘貼透明膠帶密封以隔絕空氣；
4)將剛性支架9一端固定於土樣盒I上，另一端與底座相連接，將工業相機7固定在底座上，在工業相機7上固定定焦鏡頭11，將LED照明燈12固定在定焦鏡頭11上，通過水準泡校正工業相機7並保證其與土樣界面層3垂直距離為20cm，通過USB連接線將工業相機與圖像處理裝置8相連，打開圖像採集軟體，調節LED照明燈12，使圖像達到要求的清晰度；
5)採用halcon標準陶瓷標定板進行標定；
6)根據具體情況設置解析度、圖像格式、伽馬值、對比度、飽和度、白平衡以及保存路徑等圖像採集軟體的相關參數，手動或者自動採集圖像，該軟體為工業相機自帶的系統軟體；
7)打開圖像測量軟體，根據具體情況設置測量範圍坐標、網格劃分寬度、數據保存路徑等相關參數，進行測量，得到不同位置處界面層變形，數據存於自動生成的word文檔中，該軟體開發的基本環境是Microsoft Visual C++,併集成了 Halcon機械視覺處理軟體。
【權利要求】
1.一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於該測量系統有土樣盒(I)、土樣(2)、制樣模板(4)、防翹棒(5)、防翹軸承(6)、工業相機(7)、圖像處理裝置(8)所構成；其中:土樣盒(I)的一端通過防翅棒(5)固定,另一端通過防翅棒(5)與防翅軸承(6)固定；制樣模板(4 )固定在土樣盒(I)上表面；土樣盒(I)正前方安裝工業相機(7 );工業相機(7 )通過USB線與圖像處理裝置(8)相連接；剛性支架(9)的一端與土樣盒(I)相連接，另一端與底座(10)相連接。
2.根據權利要求1所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的制樣模板(4)的中部呈中空的塑料板，其尺寸為長10mmX寬200mmX高10mm，其中土樣(2)的上部突出土樣盒(I)的部分為土樣界面層(3)。
3.根據權利要求1所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的工業相機(7)固定在底座(10)上；定焦鏡頭(11)固定在工業相機(7)上；LED照明燈(12)固定在定焦鏡頭(11)上。
4.根據權利要求1所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的防翹棒(5)對稱焊接於土樣盒(I)左右兩側，防翅棒(5)的尺寸為長50mm,直徑30mm。
5.根據權利要求1所述的一種凍土剪切界面層變形測量系統，其特徵在於所述的防翹軸承(6)與土樣盒(I)右側防翹棒(5)相連接，防翹軸承(6)尺寸為直徑60mm，寬30mm，可以左右滑動。
6.一種凍土剪切界面層變形測量系統的測量方法，其特徵在於測量步驟如下: 1)在土樣盒(I)上方安裝中空的制樣模板(4); 2)按照土工試驗規範GB/T-50123-1999配置重塑土，分層填入土樣盒(I)中； 3)拆除制樣模板(4)後形成凸出土樣盒(I)的土樣界面層(3)，用白色油漆在土樣界面層(3)部分留有圖像測量標記並粘貼透明膠帶密封以隔絕空氣； 4)將剛性支架(9)的一端固定在土樣盒(I)上，另一端與底座(10)相連接，將工業相機(7 )固定在底座(10 )上，在工業相機(7 )上固定定焦鏡頭(11)，將LED照明燈(12 )固定在定焦鏡頭(11)上，通過水準泡校正工業相機(7)並保證其與土樣界面層(3)垂直距離為20cm，通過USB連接線將工業相機(7)與圖像處理裝置(8)相連接，打開圖像採集軟體，調節LED照明燈(12)，使圖像達到要求的清晰度； 5)採用halcon標準陶瓷標定板進行標定； 6)通過圖像處理裝置(8)設置相關參數，手動或者自動採集圖像； 7)打開通過圖像處理裝置(8)圖像測量軟體，設置相關參數，進行測量，得到不同位置處界面層變形，數據存於自動生成的word文檔中。
【文檔編號】G01B11/16GK104180766SQ201410454826
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】楊平, 王國良, 孫厚超, 王海波, 何文龍 申請人:南京林業大學