一种冻土界面层变形测量系统及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种冻土剪切界面层变形测量系统及测量方法。该测量系统包括：土样盒、土样、制样模板、防翘棒、防翘轴承、工业相机、图像处理装置；其测量方法为：将配制的重塑土分层填入土样盒中，用白色油漆标记土样界面层后用透明胶布进行密封，将工业相机与图像处理装置相连接，打开图像采集软件，设置相关参数，自动采集图像，通过图像处理装置，打开图像测量软件，设置相关参数，进行测量，得到不同位置界面层土体的变形数据。本发明的优点为：1、采用工业相机及定焦镜头，能清晰采集界面层图像；2、采用CMOS传感器摄像头，成本低，功耗小，操作方便；3、能测量出界面层不同位置土体的变形；4、测量误差误差可以精确到1um。
【专利说明】一种冻土界面层变形测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种冻土剪切界面层变形测量系统及测量方法，属于室内岩土模型试验的变形测量【技术领域】，适用于冻土剪切界面层微变形的高精度测量。
技术背景
[0002]在土体本构模型的建立过程中，土体变形测量常用来对试验现象和结果进行定量分析。在天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层变形问题，为了对冻土剪切界面层的本构关系能有更深入的研究，必须对其变形进行测量，进行定量分析。冻土剪切界面层的变形相对于一般岩土变形更小，对测量系统精度要求更高，所以对界面层变形测量专用设备的研究一直是一个空白。
[0003]界面层问题相关的文章只有周国庆在《煤炭学报》发表的《一套深部土与结构界面层力学特性试验系统》，该系统从定性的角度对界面层的变形行为进行了研究，但不能准确的到界面层每个位置的位移。
[0004]目前界面层变形的测量研究较少，但是国内外学者岩土工程中其他问题的变形测量进行了大量研究，相关的测量设备主要分为两种:接触式与非接触式。接触式测量设备指通过在试样内部设置位移探头以测定某点的位移，如殷宗泽在《岩土工程学报》上发表的《土与结构材料接触面的变形及其数学模拟》，该文章介绍了利用一种埋置于土样中的潜望镜来测量土体位移，这种设备能直接获得试样某一位置的变形情况，操作简单，成本低，但这种测量方式只能测量局部甚至某一点或者某一区域的位移，而且在试样内部设置探头或者其他设备会对试样产生很大的扰动，使测量结果偏离事实情况；非接触式测量设备指通过光学技术对研究对象进行非插入全方位变形测量，如国内学者邵龙潭等在《岩土力学》发表了题为《数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用研究》的文章，介绍了应用由图像采集系统CCD传感器与图像处理系统组成的数字图像测量系统对三轴试样任意部分变形进行测量。国外学者 White D J 在《10th Internat1nal Conference on ComputerMethods and Advances in Geotechanics》发表的文章《Measuring soil deformat1n ingeotechnical models using digital images and PIV analysis》米用激光对土样进行光学剖切，多个剖切面的二维变形场可以构建整个土体的空间变形场，非接触式测量设备，非接触式测量设备可以避免对试样扰动，也可以对研究对象的任一部分进行较为准确的测量,但是这类设备往往成本较高,测试方法比较复杂。
[0005]不论是接触测量设备还是非接触式测量设备，都存在自身无法克服的缺点，无法同时满足经济型与精确性的双重要求。
[0006]近年来，国内CMOS传感器等相关数字图像测量技术得到了长足的进步，CMOS传感器与CCD传感器相比，造价低、功耗低、体积小、集成度高且信号读取方式简单传输速度快，更重要的是，随着相关技术的发展，CMOS已经克服了像素低的缺点，而且在相关参数已经超越了 C⑶传感器。迄今为止，还未发现应用CMOS传感器的数字图像测量设备应用于冻土剪切界面层变形测量的报道。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种冻土界面层变形测量系统及测量方法，旨在解决天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层变形问题，填补国内相关仪器空白，通过得到冻土界面层不同位置位移，对冻土界面层的变形进行定量分析，为系统研究冻土与结构接触面界面层的变形特性和建立实用冻土接触界面层本构模型提供试验基础和重要前提。
[0008]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于该测量系统有土样盒1、土样2、制样模板4、防翘棒5、防翘轴承6、工业相机7、图像处理装置8所构成；其中:土样盒I的一端通过防翅棒5固定,另一端通过防翅棒5与防翅轴承6固定；制样模板4固定在土样盒I上表面；土样盒I正前方安装工业相机7 ;工业相机7通过USB线与图像处理装置8相连接；刚性支架9的一端与土样盒I相连接，另一端与底座10相连接。
[0009]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的制样模板4的中部呈中装塑料板空尺寸为长10mmX宽200mmX高10mm，其中土样2的上部突出土样盒I的部分为土样界面层3。
[0010]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的工业相机7固定在底座10上；定焦镜头11固定在工业相机7上；LED照明灯12固定在定焦镜头11上。
[0011]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的防翘棒5对称焊接于土样盒I左右两侧，防翅棒5的尺寸为长50mm,直径30mm。
[0012]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的防翘轴承6与土样盒I右侧防翘棒5相连接，防翘轴承6尺寸为直径60mm，宽30mm，可以左右滑动。
[0013]一种冻土剪切界面层变形测量系统的测量方法其特征在于:测量步骤如下:
1)在土样盒I上安装中空制样模板4；
2)按照土工试验规范GB/T-50123-1999配置重塑土，分层填入土样盒I中；
3)拆除制样模板4后形成凸出土样盒I的土样界面层3，用白色油漆在土样界面层3部分留有图像测量标记并粘贴透明胶带密封以隔绝空气；
4)将刚性支架9一端固定于土样盒I上，另一端与底座相连接，将工业相机7固定在底座上，在工业相机7上固定定焦镜头11，将LED照明灯12固定在定焦镜头11上，通过水准泡校正工业相机7并保证其与土样界面层3垂直距离为20cm，通过USB连接线将工业相机与图像处理装置8相连，打开，调节LED照明灯12，使图像达到要求的清晰度；
5)采用halcon标准陶瓷标定板进行标定；
6)设置图像采集软件相关参数，手动或者自动采集图像；
7)打开图像测量软件，设置相关参数，进行测量，得到不同位置处界面层变形，数据存于自动生成的word文档中。
[0014]本发明优点如下
1)采用1400W像素工业相机及定焦镜头，能清晰采集界面层图像；
2)采用CMOS传感器摄像头，成本低，功耗小，操作方便；
3)可对任意界面层位置的变形进行测量，能测量出界面层不同位置土体的变形；
4)能更精确的测量出界面层的变形，误差可以精确到lum。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1:一种冻土界面层变形测量系统的正视图，
图2:—种冻土界面层变形测量系统的左视图，
图3:制样模板示意图。
[0016]附图标记:1 土样盒、2 土样、3 土样界面层、4制样模板、5防翘棒、6防翘轴承、7工业相机、8图像处理装置、9刚性支架、10底座、11定焦镜头、12LED照明灯。
【具体实施方式】
[0017]实施例1:一种冻土剪切界面层变形测量系统
一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于该测量系统有土样盒1、土样2、制样模板4、防翘棒5、防翘轴承6、工业相机7、图像处理装置8所构成；其中:土样盒I的一端通过防翅棒5固定,另一端通过防翅棒5与防翅轴承6固定；制样模板4固定在土样盒I上表面；土样盒I正前方安装工业相机7 ;工业相机7通过USB线与图像处理装置8相连接；刚性支架9的一端与土样盒I相连接，另一端与底座10相连接。
[0018]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的制样模板4的中部呈中装塑料板空尺寸为长10mmX宽200mmX高10mm，其中土样2的上部突出土样盒I的部分为土样界面层3。
[0019]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的工业相机7固定在底座10上；定焦镜头11固定在工业相机7上；LED照明灯12固定在定焦镜头11上。
[0020]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的防翘棒5对称焊接于土样盒I左右两侧，防翅棒5的尺寸为长50mm,直径30mm。
[0021]所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的防翘轴承6与土样盒I右侧防翘棒5相连接，防翘轴承6尺寸为直径60mm，宽30mm，可以左右滑动。
[0022]其中:铜质土样盒容积为长10mmX宽200mmX高65mm ;塑料制样模板中空尺寸为长1CtamX宽200mmX高10mm, 土样尺寸为100_X 200_X 75mm ;钢质防翅棒尺寸为长50mm,直径30mm ;防翅轴承6尺寸为直径60mm,宽30mm ;不锈钢质刚性支架尺寸为长250mm,直径5mm JHSM-1400型号工业相机像素为1400万，1/2.3CM0S传感器；工程塑料质底座尺寸为长 50mmX 宽 50mmX 高 10mnin
[0023]防翘棒5与防翘轴承6通过焊接的方式固定在土样盒I两端；制样模板4通过螺栓固定在土样盒I上表面；工业相机7通过USB线与图像处理装置8相连接；刚性支架9 一端通过螺栓与土样盒相连接，另一端通过螺栓与底座10相连接；工业相机7通过螺栓固定在底座10上；定焦镜头11通过预留螺纹固定在工业相机7上；LED照明灯12通过螺栓固定在定焦镜头11上；
实施例2 —种冻土剪切界面层变形测量系统的测量方法其特征在于:测量步骤如下。
[0024])在土样盒I上安装中空制样模板4；
2)按照土工试验规范GB/T-50123-1999配置重塑土，分层填入土样盒I中；
3)拆除制样模板4后形成凸出土样盒I的土样界面层3，用白色油漆在土样界面层3部分留有图像测量标记并粘贴透明胶带密封以隔绝空气；
4)将刚性支架9一端固定于土样盒I上，另一端与底座相连接，将工业相机7固定在底座上，在工业相机7上固定定焦镜头11，将LED照明灯12固定在定焦镜头11上，通过水准泡校正工业相机7并保证其与土样界面层3垂直距离为20cm，通过USB连接线将工业相机与图像处理装置8相连，打开图像采集软件，调节LED照明灯12，使图像达到要求的清晰度；
5)采用halcon标准陶瓷标定板进行标定；
6)根据具体情况设置分辨率、图像格式、伽马值、对比度、饱和度、白平衡以及保存路径等图像采集软件的相关参数，手动或者自动采集图像，该软件为工业相机自带的系统软件；
7)打开图像测量软件，根据具体情况设置测量范围坐标、网格划分宽度、数据保存路径等相关参数，进行测量，得到不同位置处界面层变形，数据存于自动生成的word文档中，该软件开发的基本环境是Microsoft Visual C++,并集成了 Halcon机械视觉处理软件。
【权利要求】
1.一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于该测量系统有土样盒(I)、土样(2)、制样模板(4)、防翘棒(5)、防翘轴承(6)、工业相机(7)、图像处理装置(8)所构成；其中:土样盒(I)的一端通过防翅棒(5)固定,另一端通过防翅棒(5)与防翅轴承(6)固定；制样模板(4 )固定在土样盒(I)上表面；土样盒(I)正前方安装工业相机(7 );工业相机(7 )通过USB线与图像处理装置(8)相连接；刚性支架(9)的一端与土样盒(I)相连接，另一端与底座(10)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的制样模板(4)的中部呈中空的塑料板，其尺寸为长10mmX宽200mmX高10mm，其中土样(2)的上部突出土样盒(I)的部分为土样界面层(3)。
3.根据权利要求1所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的工业相机(7)固定在底座(10)上；定焦镜头(11)固定在工业相机(7)上；LED照明灯(12)固定在定焦镜头(11)上。
4.根据权利要求1所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的防翘棒(5)对称焊接于土样盒(I)左右两侧，防翅棒(5)的尺寸为长50mm,直径30mm。
5.根据权利要求1所述的一种冻土剪切界面层变形测量系统，其特征在于所述的防翘轴承(6)与土样盒(I)右侧防翘棒(5)相连接，防翘轴承(6)尺寸为直径60mm，宽30mm，可以左右滑动。
6.一种冻土剪切界面层变形测量系统的测量方法，其特征在于测量步骤如下: 1)在土样盒(I)上方安装中空的制样模板(4); 2)按照土工试验规范GB/T-50123-1999配置重塑土，分层填入土样盒(I)中； 3)拆除制样模板(4)后形成凸出土样盒(I)的土样界面层(3)，用白色油漆在土样界面层(3)部分留有图像测量标记并粘贴透明胶带密封以隔绝空气； 4)将刚性支架(9)的一端固定在土样盒(I)上，另一端与底座(10)相连接，将工业相机(7 )固定在底座(10 )上，在工业相机(7 )上固定定焦镜头(11)，将LED照明灯(12 )固定在定焦镜头(11)上，通过水准泡校正工业相机(7)并保证其与土样界面层(3)垂直距离为20cm，通过USB连接线将工业相机(7)与图像处理装置(8)相连接，打开图像采集软件，调节LED照明灯(12)，使图像达到要求的清晰度； 5)采用halcon标准陶瓷标定板进行标定； 6)通过图像处理装置(8)设置相关参数，手动或者自动采集图像； 7)打开通过图像处理装置(8)图像测量软件，设置相关参数，进行测量，得到不同位置处界面层变形，数据存于自动生成的word文档中。
【文档编号】G01B11/16GK104180766SQ201410454826
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】杨平, 王国良, 孙厚超, 王海波, 何文龙 申请人:南京林业大学