CN103411551A - 一种土体试样微形变的成像检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土工试验领域的试样微形变量测，尤其涉及土工离心机的土体试样微形变量测。公开了一种土体试样微形变的成像检测装置，包括土工离心机包括土工离心机旋转轴，所述土工离心机旋转轴下端连接有配重箱旋转臂和模型箱旋转臂，在模型箱旋转臂靠近土工离心机旋转轴一端架设有可调式照相机支架，可调式照相机支架上固定有高分辨率照相机，在模型箱的有机玻璃窗上安装有模型箱上支架，在模型箱上支架上架设有反光镜支架，所述反光镜支架上设置有反光镜，模型箱内放置有土体试样，模型箱的透明窗口有机玻璃内侧面设置有固定参考坐标格网。本发明还公开了一种利用土体试样微形变的成像检测装置对土体试样进行成像检测的方法。

Description

一种土体试样微形变的成像检测装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验领域的试样微形变量测，尤其涉及土木离心机的土体试样微形变量测。

背景技术

土工离心机1是以室内试验模拟土工作业现场土体受力导致变形的大型室内试验设备。模型箱2里的土体所受的作用力来自离心机旋转时产生的离心力。离心机转速与离心力成正比，离心机通过控制***调整转速达到模型土体试验需要的压力。

大型土工离心机1由旋转臂、与旋转臂相连的立柱、旋转臂一端的模型箱2和另一端的配重箱以及驱动和控制***构成。运行时，由配套的成像***对高速旋转的模型箱2里面的土工模型进行拍照，以得到在离心受力状态下的土工模型动态变化工程。

现有的土工离心机1成像检测***多采用在离心机室上方打开一个窗口，窗口处固定照明光源和一台照照相机。当离心机工作的时候，离心机室成为一个全封闭的空间。当离心机的转速达到试验要求时，模型箱2转到照照相机照相的区域内，触发照照相机快门，拍摄一张图像。每旋转一周，可以拍摄图像数≤1。通过对拍摄图像的观察分析，得到土体试样受力形变的信息。但是这种方法存在缺陷：在离心机试验中，照

相***固定在离心机室的混凝土顶板上，离心机旋臂端的模型箱2处于圆周运动状态，固定在混凝土顶板上的成像***与旋臂上的模型箱2是在相对运动模式下工作的，得到的图像发生图像运动模糊。图像的模糊直接导致土样形变量不能准确量测。离心机转速越高，图像越模糊，测得的土样形变量精度越低。

为了解决上述问题，申请号为201010262816.3，名称为一种大型土工离心机1的成像装置对现有的成像***做出了改进，改进后的装置能正对模型的任意一点进行拍摄，图像的清晰度相对现有的成像***更高。但该专利所述的成像装置的土样微形变测量效果较差。由于土工离心机1的模型形变量是现场实际形变量的1/60，也就是说要讲模型形变量乘以60才能得到现场形变量，该专利所述装置的成像***不能胜任微形变分析的需求。同时，当土工离心机转速提高后，照相机及其镜头受力达到数百公斤，极易造成照相机及其部件的损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土体试样微形变的成像检测装置及方法。该装置能对模型任意一点进行拍摄，精确获取微型变量，且成本低，易于实施。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土体试样微形变的成像检测装置，包括土工离心机，所述土工离心机包括土工离心机旋转轴1，所述土工离心机旋转轴1下端连接有配重箱旋转臂4和模型箱旋转臂7，其特征在于：在模型箱旋转臂7靠近土工离心机旋转轴1一端架设有可调式照相机支架，可调式照相机支架上固定有高分辨率照相机12，在模型箱的有机玻璃窗18上安装有模型箱上支架14，在模型箱上支架14上架设有反光镜支架17，所述反光镜支架17上设置有反光镜15，所述可调式照相机支架、照相机分别与数据控制器电连接。

进一步地，所述可调式照相机支架包括照相机基座，所述高分辨率照相机12固定在照相机基座上，照相机基座由x方向导轨9和z方向导轨10以及俯仰角调节机构11组成。

进一步地，反光镜支架17上设置有模型照明光源16，所述反光镜15与模型箱有机玻璃窗18的玻璃平面呈45°夹角。

进一步地，所述高分辨率照相机12镜头为长焦远心镜头13。

进一步地，所述模型箱有机玻璃窗18内侧面有用机械刻画的方式或者激光束烧刻的方式直接刻蚀有固定参考坐标格网。

进一步地，所述固定参考坐标格网的密度应保证照相机拍摄的每幅图像中参考坐标格网的交叉点≥4，所述固定参考坐标格网为相互垂直的直线组成。

进一步地，所述模型箱5内放置土体试样，土体试样上放置移动标志，移动标志为透明图钉状。

进一步地，所述移动标志图钉状头上表面为移动标志面，移动标志面为带有标志刻线的面，所述标志刻线为十字线，所述十字线以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位，移动标志面涂抹透明的润滑剂。

本发明还公开了一种利用上述技术方案进行土体试样微形变的成像检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建土样微位移信息的参考坐标系，用模型箱有机玻璃窗18内侧面上的固定参考坐标格网作为基准；

S2、对模型箱有机玻璃窗18内侧面上的固定参考坐标格网在微观下量测获取初始状态图像并记录图像各点坐标值，所述固定参考坐标格网长度单位为微米，并对图像的行列号进行标记；

S3、将图钉状移动标志放置于土体试样上，同时对每个图钉状移动标志进行坐标标示和唯一性标示，同一次试验中多个图钉状移动标志具有唯一性，所述图钉状移动标志嵌入到土体试样中，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面，所述图钉状移动标志涂抹透明的润滑剂的上表面与模型箱有机玻璃窗18内侧面接触，图钉状移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志在旋转试验中随土体试样移动；

S4、模型箱5进入旋转试验后，用土体试样微形变的成像检测装置获取初始受力状态下、指定受力状态下和指定时间点的特定位置点模型箱5内土体试样的图像；

S5、对S4所获取的图像进行照相机畸变校正和图像随机畸变校正，精确测量图像上移动标志在参考坐标系里的微位移，包括如下步骤：

S51、对S4所获取的图像根据照相机在试验前预先进行的畸变检测，得到的照相机各标定参数进行位置和像元值的重采样；

S52、对S2中获取的初始状态图像里固定参考坐标格网的纵横交叉线的边缘交叉点的实测数据与图像行列号形成的同名点进行匹配计算，求出图像畸变系数；

S53、输入图像中的参考坐标点的坐标值，根据S52求出的图像畸变系数进行图像几何校正，得到校正后的图像；

S54、对同一区域不同受力下的多幅校正后的图像的移动标志位置变化进行计算，得到移动标志的微位移；

S6、根据S5测量所得微位移，解算出局部图像二维坐标系里土体试样的形变量，对土体试样的形变量进行坐标映射，得到整个模型箱5全域坐标系下的土体试样移动标志的形变矢量，即得到土体试样的二维平移和旋转参数，并可以建立受力大小和受力时长的相关分析数据。

进一步地，根据试样对土样微形变尺度检测的要求，照相机像元尺寸a，照相机镜头焦距f，照相机成像距离d和土样微形变检测的最小尺度L满足L/d=a/f。

进一步地，S4所述模型箱5进入旋转试验后，模型箱有机玻璃窗18由静态时的垂直姿态变为水平姿态，高分辨率照相机12通过反光镜15形成的反射光路实现对模型箱5内土体试样成像，其中，x方向导轨9和z方向导轨10对高分辨率照相机12进行x方向和z方向上的精密平移控制，俯仰角调节机构11对高分辨率照相机12主光轴俯仰角进行调整，使x方向与z方向组成的平面与反光镜15的镜面形成45°夹角，即，高分辨率照相机12主光轴与反光镜15的镜面形成45°夹角。

本发明的有益效果是：

A、根据使用成像***部件的参数不同，可以获得的土样质点二维平移与旋转参数精确到1个CCD象元～1/5个象元尺寸级别，为土体试样微形变、土体试样受力大小变化和土体试样受力时长变化之间的函数分析提供更准确的原始数据。

B、照相机安装在土工离心机的模型箱旋转臂靠近土工离心机旋转轴一侧，避免了土工离心机转速提高时对照相机和照相机部件的损坏。

附图说明

图1为本发明照相机支座结构示意图。

图2为本发明模型箱链接部分示意图。

图3为本发明成像***与土工离心机组合状态透视图。

图4为本发明成像***与土工离心机组合的工作状态示意图。

图5为本发明固定参考坐标格网。

图6为本发明固定参考坐标格网纵横交叉线边缘相交点的微观图像。

图7为本发明移动标志。

图8为本发明移动标志“十”字交叉线边缘交点的微观图像。

图9为本发明移动标志在固定参考坐标格网里初始受力状态下的图像。

图10为本发明移动标志在固定参考坐标格网里受力移动后的图像。

图中：1、土工离心机旋转轴，2、配重箱，3、配重箱与悬臂连接的转轴，4、配重箱旋转臂，5、模型箱，6、模型箱与悬臂连接的转轴，7、模型箱旋转臂，8、土工离心机室墙体，9、x方向导轨，10、z方向导轨，11、俯仰角调节机构，12、高分辨率照相机，13、长焦远心镜头、14、模型箱上支架，15、反光镜，16、模型照明光源，17、反光镜支架，18、有机玻璃窗，19、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

模型箱有机玻璃窗18内侧面的固定参考坐标格网密度按照135全画幅相机设计。固定参考坐标格网水平方向对应图像CCD面阵长边，即长度为26mm的边，水平方向格网间距为12mm，记作行，用X表示；固定参考坐标格网垂直方向对应图像CCD面阵短边，即长度为24mm的边，垂直方向格网间距为8mm，记作列，用Y表示。固定参考坐标格网纵横交叉线边缘交点的标注方法采用隔行和隔列按照序列号进行标注，如图3所示，13表示第1行、第3列，即坐标为1,3。选择与坐标号处于同一象限的边缘交叉点作为量测点，用影像量测仪进行测量，得出固定参考坐标格网纵横交叉线边缘交点的X，Y坐标。移动标志的标识号使用自然数，选择与标识号处于同一象限的边缘的交点作为后期处理时的量测点。

向模型箱5内装填土体试样，在设计指定的位置布设图钉状移动标志。图钉状移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面。图钉状移动标志上表面涂抹透明的润滑剂并与模型箱有机玻璃窗18内侧面接触。接触位置涂抹润滑剂以减少摩擦力。土体试样装填完毕后模型箱有机玻璃窗18的局部图像如图9所示，即，本发明移动标志在参考坐标格网里初始受力状态下的图像。

根据公式L/d=a/f，其中，L为土体试样微形变检测的最小尺度，a为数字相机像元尺度，f为镜头焦距，d为成像距离。我们知道，数字相机一旦选定相机型号，数字相机的像元a就为固定值。公式中d为成像距离，即物距，由于成像***机架空间在设计的时候考虑了各种焦距的镜头和物距的极限，因此，不必考虑镜头长度和成像距离的空间限制，即，将L和a看做已知。

对土体试样微形变的成像检测装置进行如下方法操作：

S1、构建土样微位移信息的参考坐标系，用模型箱有机玻璃窗18内侧面上的格网作为基准；

S2、对模型箱有机玻璃窗18内侧面上的格网在微观下量测获取初始状态图像并记录图像各点坐标值，所述固定参考坐标格网长度单位为微米，并对图像CCD面阵的行列号进行标记；

S3、将图钉状移动标志放置于土体试样上，同时对每个图钉状移动标志进行坐标标示和唯一性标示，同一次试验中多个图钉状移动标志具有唯一性；

S4、模型箱5进入旋转试验后，用土体试样微形变的成像检测装置获取初始受力状态下、指定受力状态下和指定时间点的特定位置点模型箱5内土体试样的图像；

S5、对S4所获取的图像进行照相机畸变校正和图像随机畸变校正，精确测量图像上移动标志在参考坐标系里的微位移，包括如下步骤：

S51、对S4所获取的图像根据照相机在试验前预先进行的畸变检测，得到的照相机各标定参数进行位置和像元值的重采样；

S52、对S2中获取的初始状态图像里固定参考坐标格网的纵横交叉线的边缘交叉点的实测数据与图像行列号形成的同名点进行匹配计算，求出图像畸变系数；

S53、输入图像中的参考坐标点的坐标值，根据S52求出的图像畸变系数进行图像几何校正，得到校正后的图像；

S54、对同一区域不同受力下的多幅校正后的图像的移动标志位置变化进行计算，得到移动标志的微位移；

S6、根据S5测量所得微位移，解算出局部图像二维坐标系里土体试样的形变量，对土体试样的形变量进行坐标映射，得到整个模型箱5全域坐标系下的土体试样移动标志的形变矢量，即得到土体试样的二维平移和旋转参数，并可以建立受力大小和受力时长的相关分析数据。

进一步地，根据试样对土样微形变尺度检测的要求，照相机像元尺寸a，照相机镜头焦距f，照相机成像距离d和土样微形变检测的最小尺度L满足L/d=a/f。

进一步地，S1所述参考坐标系中坐标点为模型箱5内侧有机玻璃上的固定参考坐标格网在微观下的量测得到的坐标点。

进一步地，S3所述图钉状移动标志涂抹透明的润滑剂的上表面与模型箱有机玻璃窗18内侧面接触，图钉状移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志在旋转试验中随土体试样移动。

进一步地，S3所述图钉状移动标志上表面刻画有十字线，所述十字线以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位。

进一步地，S3所述图钉状移动标志嵌入到土体试样中，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面。

进一步地，S4所述模型箱5进入旋转试验后，模型箱有机玻璃窗18由静态时的垂直姿态变为水平姿态，高分辨率照相机12通过反光镜15形成的反射光路实现对模型箱5内土体试样成像，其中，x方向导轨9和z方向导轨10对高分辨率照相机12进行x方向和z方向上的精密平移控制，俯仰角调节机构11对高分辨率照相机12主光轴俯仰角进行调整，使x方向与z方向组成的平面与反光镜15的镜面形成45°夹角，即，高分辨率照相机12主光轴与反光镜15的镜面形成45°夹角。高分辨率照相机12在x方向与z方向的移动，使得模型箱5内的土体试样图像以反射光路进入长焦远心镜头13。

Claims (11)

1.一种土体试样微形变的成像检测装置，包括土工离心机，所述土工离心机包括土工离心机旋转轴(1)，所述土工离心机旋转轴(1)下端连接有配重箱旋转臂(4)和模型箱旋转臂(7)，其特征在于：在模型箱旋转臂（7）靠近土工离心机旋转轴(1)一端架设有可调式照相机支架，可调式照相机支架上固定有高分辨率照相机（12），在模型箱的有机玻璃窗（18）上安装有模型箱上支架（14），在模型箱上支架（14）上架设有反光镜支架（17），所述反光镜支架（17）上设置有反光镜（15），所述可调式照相机支架、照相机分别与数据控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述可调式照相机支架包括照相机基座，所述高分辨率照相机（12）固定在照相机基座上，照相机基座由x方向导轨（9）和z方向导轨（10）以及俯仰角调节机构（11）组成。

3.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：反光镜支架（17）上设置有模型照明光源（16），所述反光镜（15）与模型箱有机玻璃窗（18）的玻璃平面呈45°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述高分辨率照相机（12）镜头为长焦远心镜头（13）。

5.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述模型箱有机玻璃窗（18）内侧面有用机械刻画的方式或者激光束烧刻的方式直接刻蚀有固定参考坐标格网。

6.根据权利要求1或5所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述固定参考坐标格网的密度应保证照相机拍摄的每幅图像中参考坐标格网的交叉点≥4，所述固定参考坐标格网为相互垂直的直线组成。

7.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述模型箱（5）内放置土体试样，土体试样上放置移动标志，移动标志为透明图钉状。

8.根据权利要求7所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述移动标志图钉状头上表面为移动标志面，移动标志面为带有标志刻线的面，所述标志刻线为十字线，所述十字线以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位，移动标志面涂抹透明的润滑剂。

9.一种利用权利要求1所述土体试样微形变的成像检测装置进行成像检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建土样微位移信息的参考坐标系，用模型箱有机玻璃窗（18）内侧面上的固定参考坐标格网作为基准；

S2、对模型箱有机玻璃窗（18）内侧面上的固定参考坐标格网在微观下量测获取初始状态图像并记录图像各点坐标值，所述固定参考坐标格网长度单位为微米，并对图像的行列号进行标记；

S3、将图钉状移动标志放置于土体试样上，同时对每个图钉状移动标志进行坐标标示和唯一性标示，同一次试验中多个图钉状移动标志具有唯一性，所述图钉状移动标志嵌入到土体试样中，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面，所述图钉状移动标志涂抹透明的润滑剂的上表面与模型箱有机玻璃窗（18）内侧面接触，图钉状移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志在旋转试验中随土体试样移动；

S4、模型箱（5）进入旋转试验后，用土体试样微形变的成像检测装置获取初始受力状态下、指定受力状态下和指定时间点的特定位置点模型箱（5）内土体试样的图像；

S5、对S4所获取的图像进行照相机畸变校正和图像随机畸变校正，精确测量图像上移动标志在参考坐标系里的微位移，包括如下步骤：

S51、对S4所获取的图像根据照相机在试验前预先进行的畸变检测，得到的照相机各标定参数进行位置和像元值的重采样；

S52、对S2中获取的初始状态图像里固定参考坐标格网的纵横交叉线的边缘交叉点的实测数据与图像行列号形成的同名点进行匹配计算，求出图像畸变系数；

S53、输入图像中的参考坐标点的坐标值，根据S52求出的图像畸变系数进行图像几何校正，得到校正后的图像；

S54、对同一区域不同受力下的多幅校正后的图像的移动标志位置变化进行计算，得到移动标志的微位移；

S6、根据S5测量所得微位移，解算出局部图像二维坐标系里土体试样的形变量，对土体试样的形变量进行坐标映射，得到整个模型箱（5）全域坐标系下的土体试样移动标志的形变矢量，即得到土体试样的二维平移和旋转参数，并可以建立受力大小和受力时长的相关分析数据。

10.根据权利要求9所述的一种土体试样微形变的成像检测装置的检测方法，其特征在于：根据试样对土样微形变尺度检测的要求，照相机像元尺寸a，照相机镜头焦距f，照相机成像距离d和土样微形变检测的最小尺度L满足L/d=a/f。

11.根据权利要求9所述的一种土体试样微形变的成像检测装置的检测方法，其特征在于：S4所述模型箱（5）进入旋转试验后，模型箱有机玻璃窗（18）由静态时的垂直姿态变为水平姿态，高分辨率照相机（12）通过反光镜（15）形成的反射光路实现对模型箱（5）内土体试样成像，其中，x方向导轨（9）和z方向导轨（10）对高分辨率照相机(12)进行x方向和z方向上的精密平移控制，俯仰角调节机构（11）对高分辨率照相机（12）主光轴俯仰角进行调整，使x方向与z方向组成的平面与反光镜（15）的镜面形成45°夹角，即，高分辨率照相机12主光轴与反光镜15的镜面形成45°夹角。

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