CN103674685B - 一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，能够较好地获得对天然岩石进行爆破载荷下的动态断裂力学实验的实验效果。所述系统包括：加载单元，用于对天然岩石试块进行爆炸加载，在试块中产生超动态应变场；高速高分辨率摄像单元，用于通过至少两个数码成像子单元对天然岩石试块中的动态断裂过程进行交替拍照或同时拍照，获得不同时刻的裂纹扩展图像；光源单元，用于为所述天然岩石试块提供照明或补强照明光线；同步单元，用于对所述加载单元、高速高分辨率摄像单元、光源单元的动作进行同步控制；数字图像分析单元，用于对所述摄像单元拍摄的图片进行分析。本发明适用于对天然岩石进行爆炸载荷下的动态断裂力学实验。

Description

一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统

技术领域

本发明涉及材料的相关动态断裂力学实验技术领域，尤其涉及一种岩石爆破作用下的超动态应变场监测分析系统。

背景技术

目前，国内外实验室中对爆破载荷作用下岩石的动态破坏机理的研究方法主要有动光弹实验系统、数码相机动焦散实验系统、超动态应变采集仪等等。但是，当前建立的实验系统大多还是仅对模型材料进行测试实验的，得到的结论与真实天然岩石还有一定的差别。如何实现对天然真实的岩石进行爆破载荷作用下的相关动态断裂力学实验，分析岩石试块平面内的动态应变场或裂纹尖端的应变场是科研工作者始终努力的目标。

由于岩石材料弹模较大、泊松比较小，属于脆性材料，在爆炸载荷作用下，其应变值相对金属等材料较小，采用常规的光测方法进行分析时，常常由于拍摄图像的质量较差，无法在短时间内获得足够的信息，导致后期分析处理时，得不到理想的数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，能够较好地获得对天然岩石进行相关动态断裂力学实验的实验效果。

为解决上述问题，本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统采用如下技术方案：

一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，包括：

加载单元，用于对天然岩石试块进行爆炸加载，在试块中产生超动态应变场；

高速高分辨率摄像单元，具有至少两个数码成像子单元，用于通过所述至少两个数码成像子单元对天然岩石试块中的动态断裂过程进行交替拍照或同时拍照，获得不同时刻的裂纹扩展图像；

光源单元，用于为所述天然岩石试块提供照明或补强照明光线，满足所述高速高分辨率摄像单元在拍照过程中所需要的曝光强度；

同步单元，用于对所述加载单元、高速高分辨率摄像单元、光源单元的动作进行同步控制；

数字图像分析单元，用于对所述摄像单元拍摄的图片进行分析，得到拍摄物体在动态载荷作用下产生的动态应变场的时空分布特征。

可选地，所述高速高分辨率摄像单元还包括：

分光子单元，用于将所述天然岩石试块的反射光复制成至少两束光束，所述至少两束光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元；

成像控制子单元，用于控制所述至少两个数码成像子单元交替成像；在其中一个数码成像子单元对其中一束光束曝光后，对该数码成像子单元一次成像产生的电信号进行转移处理的过程中，启动另一个数码成像子单元对另一束光束进行曝光。

可选地，所述高速高分辨率摄像单元还可包括：

分光子单元，用于将所述天然岩石试块的反射光分离成至少两束子光束，所述至少两束子光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元；其中，不同的子光束代表来自于所述天然岩石试块上不同区域的反射光或者代表不同波长的反射光；

成像控制子单元，用于控制所述至少两个数码成像子单元同时成像；在控制其中一个数码成像子单元对其中一束子光束曝光的同时，控制另一个数码成像子单元对另一束子光束进行同时曝光；

图像组合子单元，用于对所述至少两个数码成像子单元的所形成的数码图像进行组合。

可选地，所述光源单元为高亮LED散光源。

可选地，所述加载单元包括：

U型夹具，在所述U型夹具顶部的内侧，相对设有两个呈圆柱状的卡持端，其中一个卡持端为固定卡持端，另一个卡持端为活动卡持端；所述固定卡持端靠近所述高速高分辨率摄像单元，所述活动卡持端远离所述高速高分辨率摄像单元；试块放置到所述U型夹具上并抵靠在所述固定卡持端，通过移动所述活动卡持端将所述试块卡持在U形夹具内侧；

导烟管，套设在所述固定卡持端的外围，在所述导烟管内壁与所述固定卡持端的外壁之间形成有导烟通道；

多通道起爆器，所述多通道起爆器通过起爆导线与所述试块的炮孔中的炸药相连，其中所述起爆导线包括并行设置的第一起爆导线和第二起爆导线，所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部相断开且相邻近；所述多通道起爆器还与顺序触发装置相连，顺序触发装置与所述同步单元相连；同步单元动作，通过所述顺序触发装置控制所述多通道起爆器动作，使所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆，同时，所述高速高分辨率摄像单元及光源单元同步动作；

防护玻璃，围设在所述U型夹具外围，或者隔档在所述U型夹具和所述高速高分辨率摄像单元之间。

可选地，所述同步单元包括：

触发模块，用于手动触发产生控制信号；

控制信号分发模块，与所述触发模块、顺序触发装置、高速高分辨率摄像单元及光源单元分别相连，用于将所述触发模块产生的控制信号同步输出给所述顺序触发装置、高速高分辨率摄像单元及光源单元；所述顺序触发装置根据所述控制信号控制所述多通道起爆器动作，使所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆，同时，所述高速高分辨率摄像单元根据所述控制信号开始拍照动作、所述光源单元根据所述控制信号开始提供照明或补强照明光线的动作。

可选地，所述同步单元还可包括：触发导线，其一端与所述高速高分辨率摄像单元相连，另一端位于所述试块的炮孔并与所述起爆导线相邻近；其中

所述触发导线包括并行设置的第一触发导线和第二触发导线，所述第一触发导线和第二触发导线位于所述炮孔中的端部相断开且相邻近。

可选地，所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，所述数字图像分析单元，用于基于数字相关图像测量方法，利用变形先后的两幅图像的进行相关运算，从而达到求解变形体表面位移，进而对位移进行数值微分处理，即得到应变场，得到拍摄物体在动态载荷作用下产生的动态应变场的时空分布特征。

可选地，所述分光子单元包括：

第一分光镜和第二分光镜；入射到所述第一分光镜上的第一光束，经所述第一分光镜形成第二光束和第三光束；所述第三光束入到所述第二分光镜上后，经所述第二分光镜形成第四光束和第五光束；或者

所述分光子单元包括一个多次反射棱镜；其中，所述多次反射棱镜的上表面具有分光特性，多次反射棱镜的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱镜上时，部分光将通过多次反射棱镜上表面反射，部分光将透过多次反射棱镜上表面并由多次反射棱镜下表面反射再经上表面出射，使入射光分为两束或两束以上的光。

可选地，所述分光子单元包括一个二向色分光镜；

所述天然岩石试块的反射光照射到所述二向色分光镜上，使得波长大于885nm的光透射形成其中一份子光束，而波长小于885nm的光反射，形成另一份子光束，从而形成两路光；所述的至少两个数码成像子单元可在同一时刻对所述两路光分别单独成像，然后通过图像组合子单元，将所述至少两个数码成像子单元在该同一时刻对天然岩石试块所反射的两路光单独形成的图像进行组合，得到在该同一时刻天然岩石试块整个视场范围内的裂纹扩展图像。

本发明实施例提供的一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，在对天然岩石试块进行爆炸加载的同时，对所述天然岩石试块进行光照射，并同时采用高速高分辨率摄像单元，对天然岩石试块中的动态断裂过程进行拍照，获得不同时刻的裂纹扩展图像，能够实现在高速动态断裂过程中记录下足够的信息，尤其是应力波传播和裂纹扩展过程中，应力波波阵面和裂纹尖端区的应变演化过程，从而较好地获得对天然岩石进行相关动态断裂力学实验的实验效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统一实施例中加载单元的结构示意图；

图3为本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统一实施例中导烟管的结构示意图；

图4为本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统一实施例中起爆导线和触发导线在炮孔中的布置示意图；

图5为本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统一实施例中高速高分辨率摄像单元的方框结构示意图；

图6为本发明岩石爆破超动态应变场监测及分析系统一实施例中采用分光镜进行分光的结构示意图；

图7为本发明岩石超动态应变场监测系统另一实施例中高速高分辨率摄像单元的方框结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1所示，本发明一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统具体实施方式，包括：加载单元1，用于对天然岩石试块S进行爆炸加载，在试块中产生超动态应变场；高速高分辨率摄像单元2，具有至少两个数码成像子单元，用于通过所述至少两个数码成像子单元对天然岩石试块S中的动态断裂过程进行交替拍照或同时拍照，获得不同时刻的裂纹扩展图像；光源单元3，用于为所述天然岩石试块S提供照明或补强照明光线，满足所述高速高分辨率摄像单元2在拍照过程中所需要的曝光强度；同步单元4，用于对所述加载单元1、高速高分辨率摄像单元2、光源单元3的动作进行同步控制；图像分析处理单元5，用于对所述摄像单元拍摄的照片进行运算，得到岩石试块表面应变场的分布。

本发明提供的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统具体实施方式，在对天然岩石试块进行爆炸加载的同时，对所述天然岩石试块进行光照射，并同时采用高速高分辨率摄像单元，对天然岩石试块中的动态断裂过程进行拍照，获得不同时刻的裂纹扩展图像，能够实现在高速动态断裂过程中记录下足够的信息，尤其是应力波传播和裂纹扩展过程中，应力波波阵面和裂纹尖端区的应变演化过程，从而较好地获得对天然岩石进行相关动态断裂力学实验的实验效果。

参看图1至图4所示，本发明一实施例中采用爆炸加载的方式。所述加载单元1包括：多通道起爆器10，所述多通道起爆器通过起爆导线11与所述试块S的炮孔b中的炸药相连，其中所述起爆导线11包括并行设置的第一起爆导线111和第二起爆导线112，所述第一起爆导线111和第二起爆导线112位于所述炮孔b中的端部相断开且相邻近；所述多通道起爆器10还与顺序触发装置12相连，顺序触发装置12与所述同步单元4相连；同步单元4动作，通过所述顺序触发装置12控制所述多通道起爆器动作，使所述第一起爆导线111和第二起爆导线112位于所述炮孔b中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆，同时，所述高速高分辨率摄像单元2及光源单元3同步动作；U型夹具14，在所述U型夹具顶部的内侧，相对设有两个呈圆柱状的卡持端，其中一个卡持端为固定卡持端141，另一个卡持端为活动卡持端142；所述固定卡持端靠近所述高速高分辨率摄像单元，所述活动卡持端远离所述高速高分辨率摄像单元；试块S放置到所述U型夹具上并抵靠在所述固定卡持端，通过移动所述活动卡持端将所述试块卡持在U形夹具内侧；其中，将所述活动卡持端远离所述高速高分辨率摄像单元设置，有利于提高操作的安全性，防止所述活动卡持端因受爆炸的冲击而飞离，对操作人员操作伤害；导烟管15，参看图3，套设在所述固定卡持端141的外围，在所述导烟管内壁与所述固定卡持端的外壁之间形成有导烟通道；把带缺口的一端黏贴在试块上，使炮孔位于导烟管径内，使爆炸时炮眼内产生的烟尘集中向导烟管内扩散，有利于减轻拍摄的干扰。导烟管15可由PVC材料制成。

防护玻璃(图中未示出)，围设在所述U型夹具外围，或者隔档在所述U型夹具和所述高速高分辨率摄像单元之间。

可选地，在一实施例中，所述同步单元4包括：触发模块，用于手动触发产生控制信号；控制信号分发模块，与所述触发模块、顺序触发装置、高速高分辨率摄像单元及光源单元分别相连，用于将所述触发模块产生的控制信号同步输出给所述顺序触发装置、高速高分辨率摄像单元及光源单元；所述顺序触发装置根据所述控制信号控制所述多通道起爆器动作，使所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆，同时，所述高速高分辨率摄像单元根据所述控制信号开始拍照动作、所述光源单元根据所述控制信号开始提供照明或补强照明光线的动作。

参看图4所示，可选地，在一实施例中，所述同步单元4还可以包括：触发导线13，参看图2，其一端与所述高速高分辨率摄像单元2相连，另一端位于所述试块的炮孔b中并与所述起爆导线11相邻近；其中，所述触发导线13包括并行设置的第一触发导线131和第二触发导线132，所述第一触发导线131和第二触发导线132位于所述炮孔b中的端部相断开且相邻近。

本实施例中，在所述第一起爆导线111和第二起爆导线112位于所述炮孔b中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆时，通过所述火花放电或者通过炸药爆炸的瞬间产生的空气击穿现象，能够使所述第一触发导线131和第二触发导线132位于所述炮孔b中的端部相短路，从而也能够触发高速高分辨率摄像单元2的动作；本实施例中实现了高速高分辨率摄像单元2的触发动作的冗余设置，在同步单元4对高速高分辨率摄像单元2的触发失效的情况下，也能通过所述触发导线对所述高速高分辨率摄像单元2的动作进行触发，提高了高速高分辨率摄像单元4触发动作的可靠性。

参看图5所示，在前述岩石爆破超动态应变场监测及分析系统的具体实施方式中，所述高速高分辨率摄像单元2还可包括：分光子单元21，用于将所述天然岩石试块的反射光复制成至少两束光束，所述至少两束光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元22；成像控制子单元23，用于控制所述至少两个数码成像子单元22交替成像；在其中一个数码成像子单元对其中一束光束曝光后，对该数码成像子单元一次成像产生的电信号进行转移处理的过程中，启动另一个数码成像子单元对另一束光束进行曝光。

本实施方式中，能够充分利用一个数码成像子单元成像的帧间隔时间启动另一个数码成像子单元进行曝光处理，从而提高对天然岩石试块中的动态断裂图像的获得速度。

参看图5所示，在本实施方式的一具体实施例中，其中的分光子单元21可采用一套分光镜系统来实现。通过一套光学输入镜头和一套分光镜系统将所述天然岩石试块的反射光复制成4束光L1、L2、L3、L4，并依次入射到4个独立的数码CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）上，通过电脑和程序依次控制每个CCD的拍摄记录顺序，实现高分辨率下超高速摄像。其最快记录速度能达到8满幅影像（1280*1024pixels），3ns帧间隔时间，可以拍摄到不同应力波前期的分离和后期的相互作用现象。

其中的每个数码成像子单元，均可以采用现有的普通高分辨率数码相机来实现。这样采用现有普通的高分辨率数码相机，也能够获得高速高分辨率的天然岩石试块中的动态断裂图像，成本较低，便于实现。

参看图6，在本实施方式的另一具体实施例中，所述分光子单元可以包括：第一分光镜1和第二分光镜2；入射到所述第一分光镜1上的第一光束1，经所述第一分光镜1形成第二光束11和第三光束12；所述第三光束12入到所述第二分光镜2上后，经所述第二分光镜2形成第四光束121和第五光束122。这样，使一束入射光可以形成多束光。

在本发明的另一实施例中，所述分光子单元可以包括一个多次反射棱镜；其中，所述多次反射棱镜的上表面具有分光特性，多次反射棱镜的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱镜上时，部分光将通过多次反射棱镜上表面反射，部分光将透过多次反射棱镜上表面并由多次反射棱镜下表面反射再经上表面出射，使入射光分为两束或两束以上的光。

可选地，在本实施方式的另一具体实施例中，所述分光子单元还可以包括光程调节部件（图中未示出），用于对所述光束的光程进行调节。

参看图7所示，在前述岩石爆破超动态应变场监测及分析系统的具体实施方式中，所述的高速高分辨率摄像单元2也可采取如下结构来实现，即所述高速高分辨率摄像单元2还可包括：分光子单元24，用于将所述天然岩石试块的反射光L分离成至少两束子光束，如分成L1、L2、L3、L4四份子光束，所述至少两束子光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元25；其中，不同的子光束代表来自于所述天然岩石试块上不同区域的反射光；成像控制子单元26，用于控制所述至少两个数码成像子单元同时成像；在控制其中一个数码成像子单元对其中一束子光束曝光的同时，控制另一个数码成像子单元对另一束子光束进行同时曝光；图像组合子单元27，用于对所述至少两个数码成像子单元的所形成的数码图像进行组合。

在本实施方式中，至少两个数码成像子单元可在同一时刻对天然岩石试块上不同区域分别单独成像，然后通过图像组合子单元，将所述至少两个数码成像子单元在该同一时刻对天然岩石试块上不同区域单独形成的图像进行组合，得到在该同一时刻天然岩石试块整个视场范围内的裂纹扩展图像。

由于每个数码成像子单元仅针对天然岩石试块上的局部区域单独形成的图像，或者仅将天然岩石试块上的局部区域为成像中心单独形成的图像，这样用来转换为电子的光子较少，减少了数码成像子单元的曝光及电荷转移的时间，从而提高了每个数码成像子单元的拍照速度。这样采用现有普通的高分辨率数码相机，也能够获得高速高分辨率的天然岩石试块中的动态断裂图像，成本较低，便于实现。

在前述岩石爆破超动态应变场监测及分析系统的具体实施方式中，所述的高速高分辨率摄像单元还可采取如下结构来实现，即所述高速高分辨率摄像单元还可包括：分光子单元，用于将所述天然岩石试块的反射光分离成至少两束子光束，所述至少两束子光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元；其中，不同的子光束不同波长的反射光；成像控制子单元，用于控制所述至少两个数码成像子单元同时成像；在控制其中一个数码成像子单元对其中一束子光束曝光的同时，控制另一个数码成像子单元对另一束子光束进行同时曝光；图像组合子单元，用于对所述至少两个数码成像子单元的所形成的数码图像进行组合。

在本实施方式的一实施例中，可采用二向色分光镜将所述天然岩石试块的反射光分离成两束子光束，即将所述天然岩石试块的反射光照射到二向色分光镜上，使得波长大于885nm的光透射形成其中一份子光束，而波长小于885nm的光反射，形成另一份子光束，从而形成两路光。所述的至少两个数码成像子单元可在同一时刻对所述两路光分别单独成像，然后通过图像组合子单元，将所述至少两个数码成像子单元在该同一时刻对天然岩石试块所反射的两路光单独形成的图像进行组合，得到在该同一时刻天然岩石试块整个视场范围内的裂纹扩展图像。

与前述具体实施方式相似，由于每个数码成像子单元仅针对天然岩石试块的反射光中的一份子光束单独形成的图像，这样用来转换为电子的光子较少，减少了数码成像子单元的曝光及电荷转移的时间，从而提高了每个数码成像子单元的拍照速度。这样采用现有普通的高分辨率数码相机，也能够获得高速高分辨率的天然岩石试块中的动态断裂图像，成本较低，便于实现。

在前述岩石爆破超动态应变场监测及分析系统的具体实施方式中，优选地，所述光源单元为高亮LED散光源。

在超动态实验中，要拍摄到较为理想的图片，就需要在极短时间内实现足够的曝光强度。在实现本发明的过程中，发明人发现高亮LED散光源可满足实验要求，且LED的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系，即增加正向电流IF可增加发光强度。对比其它种类的光源，LED光源具有以下一系列优势：

(1)色平衡好：系统的色平衡是运用三基色LED开启时间的合理配置实现的，而无需象使用高压汞灯的系统那样将某些基色光衰减以实现白平衡。

(2)体积小：节约引擎空间，有利于小型化、轻量化。

(3)无需预热:：大大缩短了当前其它光源长达数分钟的开机速度，实现了瞬时开机。

(4)无有害光线：LED不辐射UH卫灯固有的紫外光，从根本上消除了有害辐射光;同时引起发热的红外光相对而言也小得多，有利于其它实验设备的安全，提高了整个实验系统的可靠性。

(5)寿命长：UHP是气体放电灯;而LED是固体发光器件，具有长得多的使用寿命，如LulniLEDs公司声称其LED使用寿命在五万小时以上。

(6)光源使用成本低：由于光源使用寿命长，随着价格不断下降综合成本不到UHP灯的10%。

超动态力学实验中，要实现各个系统的同步控制，需要一个中枢同步控制系统，即同步单元，其与数码成像子单元相结合，通过输出一个TTL型号给外接高亮光源，能够实现数码成像子单元和外接光源的精确同步控制；该同步单元还可以接入一个通断/断通信号，实现系统的触发，进而实现同步。

在前述岩石爆破超动态应变场监测及分析系统的具体实施方式中，所述数字图像分析单元，用于基于数字相关图像测量方法，利用变形先后的两幅图像的进行相关运算，从而达到求解变形体表面位移，进而对位移进行数值微分处理，即得到应变场，得到拍摄物体在动态载荷作用下产生的动态应变场的时空分布特征。

其中，数字图像相关方法是运用白光散斑相关技术，获得物体表面的每一点上的拉格朗日应变张量，即而得到物体试块平面内（2D）或平面外（3D）的位移、应变和应力场。本实施例把数字图像相关方法应用到岩石的超动态断裂和应力波的传播中，实现对岩石超动态力学的测试。

本实施方式的一具体实施例中的数字图像分析单元采用美国Correlated Solution公司（CSI）的VIC分析系统是来实现。该系统采用先进的3D／2D数字图像相关性运算方法，测量任意的位移和形变，从500微应变至500％以上的应变，样品的尺度在1mm至10m。样品准备简单，只需喷漆；系统启动在1个小时内可以完成；试验过程中，只需白光照明，不要求激光或其它特殊照明条件，同时可以随时对实验对象进行校正，做实时的模拟输出及数据处理；集成软件操作容易，三维绘图可以方便的插入MS-OFFICE等文档处理软件；整个测量过程是非接触的，不存在机械力交互作用，测量结果准确可靠。

本发明中所述的高分辨率摄像单元是指图像分辨率在1024*1024以上的摄像单元；所述的高速摄像单元是指拍摄速度为1000000fps以上的摄像单元；所述的高亮LED是指具备6,400-8,000流明亮度的LED。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，包括：

加载单元，用于对天然岩石试块进行爆炸加载，在试块中产生超动态应变场；

高速高分辨率摄像单元，具有至少两个数码成像子单元，用于通过所述至少两个数码成像子单元对天然岩石试块中的动态断裂过程进行交替拍照或同时拍照，获得不同时刻的裂纹扩展图像；

光源单元，用于为所述天然岩石试块提供照明或补强照明光线，满足所述高速高分辨率摄像单元在拍照过程中所需要的曝光强度；

同步单元，用于对所述加载单元、高速高分辨率摄像单元、光源单元的动作进行同步控制；

数字图像分析单元，用于对所述摄像单元拍摄的图片进行分析，得到拍摄物体在动态载荷作用下产生的动态应变场的时空分布特征；其中

所述高速高分辨率摄像单元还包括：第一分光子单元，用于将所述天然岩石试块的反射光复制成至少两束光束，所述至少两束光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元；成像控制子单元，用于控制所述至少两个数码成像子单元交替成像；在其中一个数码成像子单元对其中一束光束曝光后，对该数码成像子单元一次成像产生的电信号进行转移处理的过程中，启动另一个数码成像子单元对另一束光束进行曝光：或者

所述高速高分辨率摄像单元还包括：第二分光子单元，用于将所述天然岩石试块的反射光分离成至少两束子光束，所述至少两束子光束对应入射到所述至少两个数码成像子单元；其中，不同的子光束代表来自于所述天然岩石试块上不同区域的反射光或者代表不同波长的反射光；成像控制子单元，用于控制所述至少两个数码成像子单元同时成像；在控制其中一个数码成像子单元对其中一束子光束曝光的同时，控制另一个数码成像子单元对另一束子光束进行同时曝光；图像组合子单元，用于对所述至少两个数码成像子单元的所形成的数码图像进行组合。

2.根据权利要求1所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，所述光源单元为高亮LED散光源。

3.根据权利要求1所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，

所述加载单元包括：

U型夹具，在所述U型夹具顶部的内侧，相对设有两个呈圆柱状的卡持端，其中一个卡持端为固定卡持端，另一个卡持端为活动卡持端；所述固定卡持端靠近所述高速高分辨率摄像单元，所述活动卡持端远离所述高速高分辨率摄像单元；试块放置到所述U型夹具上并抵靠在所述固定卡持端，通过移动所述活动卡持端将所述试块卡持在U形夹具内侧；

导烟管，套设在所述固定卡持端的外围，在所述导烟管内壁与所述固定卡持端的外壁之间形成有导烟通道；

多通道起爆器，所述多通道起爆器通过起爆导线与所述试块的炮孔中的炸药相连，其中所述起爆导线包括并行设置的第一起爆导线和第二起爆导线，所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部相断开且相邻近；所述多通道起爆器还与顺序触发装置相连，顺序触发装置与所述同步单元相连；同步单元动作，通过所述顺序触发装置控制所述多通道起爆器动作，使所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆，同时，所述高速高分辨率摄像单元及光源单元同步动作；

防护玻璃，围设在所述U型夹具外围，或者隔档在所述U型夹具和所述高速高分辨率摄像单元之间。

4.根据权利要求3所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，所述同步单元包括：

触发模块，用于手动触发产生控制信号；

控制信号分发模块，与所述触发模块、顺序触发装置、高速高分辨率摄像单元及光源单元分别相连，用于将所述触发模块产生的控制信号同步输出给所述顺序触发装置、高速高分辨率摄像单元及光源单元；所述顺序触发装置根据所述控制信号控制所述多通道起爆器动作，使所述第一起爆导线和第二起爆导线位于所述炮孔中的端部产生火花放电对所述炸药进行起爆，同时，所述高速高分辨率摄像单元根据所述控制信号开始拍照动作、所述光源单元根据所述控制信号开始提供照明或补强照明光线的动作。

5.根据权利要求3所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，所述同步单元还包括：

触发导线，其一端与所述高速高分辨率摄像单元相连，另一端位于所述试块的炮孔中并与所述起爆导线相邻近；其中

所述触发导线包括并行设置的第一触发导线和第二触发导线，所述第一触发导线和第二触发导线位于所述炮孔中的端部相断开且相邻近。

6.根据权利要求1所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，所述数字图像分析单元，用于基于数字相关图像测量方法，利用变形先后的两幅图像的进行相关运算，从而达到求解变形体表面位移，进而对位移进行数值微分处理，即得到应变场，得到拍摄物体在动态载荷作用下产生的动态应变场的时空分布特征。

7.根据权利要求1所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，所述第一分光子单元包括：

第一分光镜和第二分光镜；入射到所述第一分光镜上的第一光束，经所述第一分光镜形成第二光束和第三光束；所述第三光束入到所述第二分光镜上后，经所述第二分光镜形成第四光束和第五光束；或者

所述第一分光子单元包括一个多次反射棱镜；其中，所述多次反射棱镜的上表面具有分光特性，多次反射棱镜的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱镜上时，部分光将通过多次反射棱镜上表面反射，部分光将透过多次反射棱镜上表面并由多次反射棱镜下表面反射再经上表面出射，使入射光分为两束或两束以上的光。

8.根据权利要求1所述的岩石爆破超动态应变场监测及分析系统，其特征在于，所述第二分光子单元包括一个二向色分光镜；

所述天然岩石试块的反射光照射到所述二向色分光镜上，使得波长大于885nm的光透射形成其中一份子光束，而波长小于885nm的光反射，形成另一份子光束，从而形成两路光；所述的至少两个数码成像子单元可在同一时刻对所述两路光分别单独成像，然后通过图像组合子单元，将所述至少两个数码成像子单元在该同一时刻对天然岩石试块所反射的两路光单独形成的图像进行组合，得到在该同一时刻天然岩石试块整个视场范围内的裂纹扩展图像。