CN107271460B - 一种多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，该方法基于水分变化前后多孔样品的前后两次断层照相(CT)获得三维数字图像数据，利用改进的异位数字体积相关方法将水分变化前后的三维图像数据在材料内部每个子体块上进行相关性程度最高的匹配，然后通过灰度计算获得水分饱和度变化的全场分布。本发明借助于CT的三维和无损特性，可在不破坏样品的前提下，实现多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征，而且可针对同一个样品给出水分含量随整个实验过程的演化情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，属于多孔介质水分传输领域。
背景技术
多孔材料中水分迁移的定量表征非常重要。比如，在多孔材料中水分的迁移是造成体积变形的一个重要因素，而体积变形往往会对材料的使用性能产生很重要的影响，例如混凝土材料在干燥过程中的因为水分变化产生的干缩会产生裂纹直接影响混凝土的力学性能和耐久性能。
称重法是水分迁移的传统测量方法中最常用的一种。称重法通过称取样品在不同时间点上的重量的变化来获得整个样品在水分迁移过程中水分的变化。这种方法虽然在宏观上能够获得样品整体的水分变化，但是却不能获得样品内部不同区域水分的分布梯度。针对这一情况，有人发展了一种预埋探测器来测量样品内部水分相对湿度变化的方法。预埋探测器测量水分变化的方法，通过在成型过程中将探测器埋入样品的特定位置，待样品成型完成后将探测器连接到电子设备来实时观察特定位置的相对湿度变化。该方法能够获得样品内部水分相对湿度的变化，如果在样品内部的不同位置预埋探测器则可以获得样品内部较为丰富的水分变化信息。但该方法对样品的尺寸有要求；增加了样品成型的难度；另外，预埋探测器也会对样品的完整性造成一定影响。该方法虽然很复杂，但也只能获得样品在有限的几个点的水分变化信息，不能获得样品内部的全场的水分变化信息。
随着成像技术的发展，用成像方法获得样品内部整个的灰度信息从而计算样品内部组分的全场变化信息的方法受到科研人员的关注。有研究人员用核磁共振，伽马射线，X射线等成像设备获取样品在水分迁移前后的图像。先是用单次成像，后来发展为两次成像的双图像法，比如灰度双断层成像(CT)方法受到越来越多的关注。然而传统的双CT法，不管是原位方法，还是异位方法都假设样品没有变形，而实际的水分迁移过程中总是伴随着一定的变形，比如木材吸水膨胀，混凝土干燥收缩等等。
数字体积相关法(Digital Volume Correlation，DVC)是一种可以计算物体内部变形位移场和应变场的计算方法。DVC是由Bay等人在1999年将数字图像相关法(DIC)思想从二维平面扩展到三维空间而得到的一种可以计算物体内部应变的方法。DVC方法的基本原理是将变形前的三维图像定义为参考图像，将变形后的三维图像定义为目标图像，将以待求点为中心的立方体称为子体块。把参考图像与目标图像序列置于同一个三维虚拟网格中，利用图像中待求点为中心子体块的灰度分布确定它们之间的相关性。在目标图像序列中搜索与以参考图像中的待求点为中心的子体块(参考子体块)相关程度最高的子体块(目标子体块)，并把它作为该待求点在目标图像中的新位置，两者之间的位移变化量即为待求点的位移值。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，该方法通过结合异位数字体积相关算法，将实际过程中水分迁移伴随着一定的变形也考虑了进来，保证了结果的准确性和可靠性，克服了原位实验的限制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，其特征在于，该方法用断层扫描(CT)测试获得的灰度信息计算水分饱和度，具体包括如下步骤：
步骤1，选取一种内部水分会发生迁移变化的多孔材料；
步骤2，在水分变化前，用某个确定的CT测试条件，对步骤1的样品进行第一次CT测试，获得水分变化前样品的三维CT数据G1(x，y，z)；
步骤3，在水分变化后，采用和步骤2相同的CT测试条件，对样品进行第二次CT测试，获得水分含量变化后样品的三维CT数据G2(x，y，z)；
步骤4，通过CT测试获得水的灰度值Gw；
步骤5，选择合适的计算区域、计算点间隔和子体块大小，通过异位数字体积相关方法计算获得样品内部水分饱和度变化的全场分布，采用一个子体块作为计算对象；
步骤5.1：在步骤2的G1(x，y，z)中确定要计算的点(i，j，k)，假设以该计算点为中心选定的子体块大小是r×r×r，其中，r为大于1的整数，用该计算点的子体块图像G1(i，j，k，r)作为参考图像，通过异位数字体积相关方法的计算，在步骤3的G2(x，y，z)中获得与参考图像G1(i，j，k，r)在亚体素精度级别上相关性最高的子体块图像G2(i’，j’，k’，r)，并作为目标图像；
步骤5.2：分别对步骤5.1中的参考图像和目标图像求灰度平均值
和
并分别作为两者中心体素点(i，j，k)和(i’，j’，k’)的灰度值，它们的差值即反应样品内部以体素点(i，j，k)为中心的子体块灰度的变化；
步骤5.3：利用下列公式计算得到以体素点(i，j，k)为中心的子体块水分饱和度的变化：
其中，步骤1中，所述多孔材料为水泥混凝土、岩石、陶瓷、砖瓦、木材、骨骼、颗粒堆积材料中的一种。
其中，步骤1中，所述水分发生迁移变化是指样品的失水变化和吸水变化。
其中，所述三维CT数据是指通过X射线CT设备、伽马射线CT设备、核磁共振CT设备或中子CT设备获得的三维CT数据。本发发明方法采用CT扫描方式获得图像数据，是一种无损测量方法，保证了测量的精确性。
其中，所述X射线CT设备包括医用X射线CT设备、工业X射线CT设备、显微X射线CT设备、纳米X射线CT设备或同步辐射X射线CT设备。
本发明方法中异位数字体积相关方法(DVC)是指利用改进的异位数字体积相关方法，采用了包括基于图像配准的异位数字体积相关方法(ZL201410003602.2)和基于位移梯度分解的异位数字体积相关方法(ZL201410124388.6)。本发明方法利用改性的异位DVC方法来研究水分迁移前后多孔材料的全场变形。
与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明方法从多孔材料样品内部水分变化前后的CT数据的灰度差别，可计算出水分饱和度的全场分布，解决了现有技术中观测多孔材料内部水分变化的难题；另外，本发明方法能从细观尺度上反映材料内部水分的变化情况，可以研究多孔材料内部的水分变化及其影响，比如不同时期混凝土内部水份变化以及变化的均匀程度，更重要的是本发明方法采用异位DVC方法对目标图像和参考图像的对应子体块进行匹配，考虑了材料变形的影响，保证了测量结果的准确性和可靠性；最后，本发明方法能够弥补现有材料领域传统测量水分变化方法不能很好的反应样品内部水分变化信息的缺憾，并且高效、准确、无损，为水分变化的定量研究起到重要的推动作用。
附图说明
图1a为实施例中泡沫混凝土干缩第0天的三维X射线CT数据；
图1b为实施例中泡沫混凝土干缩第3天的三维X射线CT数据；
图2a为干缩第0天的切片数据；
图2b为干缩第3天的切片数据；线框内的区域为计算区域；
图3a为水分饱和度变化的全场三维分布；
图3b为水分饱和度变化的全场二维分布。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。
本发明多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法能够应用于各种多孔材料中水分迁移的研究。
本实施例选用泡沫混凝土的内部水分变化作为研究实验，所选取水分变化前后的时间分别为干缩第0天和第3天。
步骤1，制备40x40x160mm大小的泡沫混凝土样品，拆模后放入养护室在标准养护条件下养护3天；
步骤2，从养护室中取出样品放入徐变室(温度23℃，湿度60％)记为干缩第0天，进行第一次X射线扫描成像，设定X射线CT实验参数(加速电压195千伏，加速电流0.34毫安，放大倍数3.14倍，每幅投影1秒测量时间)，得到第一次X射线扫描成像的三维图像数据G1(x，y，z)，如图1a，扫描完后将样品放入徐变室继续干燥；
步骤3，在徐变室放置3天后，将样品从徐变室拿出并对样品进行第二次X射线CT测试，样品在样品台上的位置尽量保持与第一次X射线扫描成像时相同，X射线CT实验参数与步骤2相同，得到第二次X射线扫描成像的三维图像数据G2(x，y，z)，如图1b；
步骤4，通过断层照相测试获得水的灰度值Gw，本实验测得的水分灰度值为80；
步骤5，在CT图像中选择计算区域大小为550x 530x 100体素，如图1和图2所示，间隔点为10，选定的子体块大小21×21×21体素，通过异位DVC方法计算获得样品内部水分饱和度的全场分布，如图3所示，下面以一个子体块的计算为例；
步骤5.1：在步骤2的G1(x，y，z)中确定要计算的点(200，300，150)，用该计算点的子体块图像G1(200，300，150，21)作为参考图像，通过异位DVC方法的计算，在步骤3的G2(x，y，z)中获得与参考图像G1(200，300，150，21)在亚体素精度级别上相关性最高的子体块图像G2(202.2，304.1，154.5，21)，并作为目标图像；
步骤5.2：分别对保存下来的参考图像和目标图像求灰度平均值
和
并分别作为两者中心体素点(200，300，150)和(202.2，304.1，154.5)的灰度值，它们的差值即反应体素点(200，300，150)为中心的子体块水分饱和度的变化；
步骤5.3：利用下列公式计算得到样品内部水分饱和度在以体素点(200，300，150)为中心的子体块上的变化：
本发明方法基于水分变化前后多孔样品的前后两次断层照相(CT)获得三维数字图像数据，利用改进的异位数字体积相关方法将水分变化前后的三维图像数据在材料内部每个子体块上进行相关性程度最高的匹配，然后通过灰度计算获得水分饱和度变化的全场分布。本发明借助于CT的三维和无损特性，可在不破坏样品的前提下，实现多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征，而且可针对同一个样品给出水分含量随整个实验过程的演化情况。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，其特征在于，该方法用断层扫描测试获得的灰度信息计算水分饱和度，具体包括如下步骤：
步骤1，选取一种内部水分会发生迁移变化的多孔材料；所述水分发生迁移变化是指样品的失水变化和吸水变化；
步骤2，在水分变化前，用某个确定的CT测试条件，对步骤1的样品进行第一次CT测试，获得水分变化前样品的三维CT数据G1(x，y，z)；
步骤3，在水分变化后，采用和步骤2相同的CT测试条件，对样品进行第二次CT测试，获得水分变化后样品的三维CT数据G2(x，y，z)；
步骤4，通过CT测试获得水的灰度值Gw；
步骤5，选择合适的计算区域、计算点间隔和子体块大小，通过异位数字体积相关方法计算获得样品内部水分饱和度变化的全场分布，采用一个子体块作为计算对象；
步骤5.1：在步骤2的G1(x，y，z)中确定要计算的点(i，j，k)，假设以该计算点为中心选定的子体块大小是r×r×r，其中，r为大于1的整数，用该计算点的子体块图像G1(i，j，k，r)作为参考图像，通过异位数字体积相关方法的计算，在步骤3的G2(x，y，z)中获得与参考图像G1(i，j，k，r)在亚体素精度级别上相关性最高的子体块图像G2(i’，j’，k’，r)，并作为目标图像；
步骤5.2：分别对步骤5.1中的参考图像和目标图像求灰度平均值
和
并分别作为两者中心体素点(i，j，k)和(i’，j’，k’)的灰度值，它们的差值即反应样品内部以体素点(i，j，k)为中心的子体块灰度的变化；
步骤5.3：利用下列公式计算得到以体素点(i，j，k)为中心的子体块水分饱和度的变化：
2.根据权利要求1所述的多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，其特征在于：步骤1中，所述多孔材料为水泥混凝土、岩石、陶瓷、砖瓦、木材或骨骼中的一种。
3.根据权利要求1所述的多孔材料内部水分饱和度变化空间分布的定量表征方法，其特征在于：所述三维CT数据是指通过X射线CT设备获得的三维CT数据。
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- 2017-04-20 CN CN201710264719.XA patent/CN107271460B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107271460A (zh) | 2017-10-20 |
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