CN107315009A - 室内土石混合体试样的断层数码成像装置及三维数值逆向重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内土石混合体试样的断层数码成像装置及三维数值逆向重构方法，属于试验设备领域，该装置包括：固定机构、打磨机构、旋进机构、检测机构。该方法为：通过打磨机构层层出露土石混合体试样内部断层的二维块石形态，采用顶部的数码相机层层采集出露断层的块石二维形态信息，通过采集整个土石混合体试样的二维断层形态信息，并采用MATLAB软件编程逆向构建出土石混合体试样的三维数值模型。本发明与传统的土石混合体CT扫描获取断层信息相比，该装置成本低，操作简单灵活，且装置可自由拆卸、组装，场地适应性广，可竖向布置、可横向布置，并适应多种尺寸的土石混合体试样逆向建模，无重量限制。

Description

室内土石混合体试样的断层数码成像装置及三维数值逆向重 构方法

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，涉及一种试验设备，具体涉及室内土石混合体试样的断层数码成像装置及三维数值逆向重构方法，主要用于土石混合体的三维逆向重构。

背景技术

土与块石的混合体广泛存在于自然界中，土石混合体非均质性和土石力学性质的巨大差异，使得土石混合体力学性质很大程度上受块石的形态和空间分布控制。为此获取土石混合体中块石的形态和空间分布，建立土石混合体二维、三维数值模型是研究土石混合体力学性能和变形特性的关键。现有方法多采用CT扫描获取块石内部形态参数，然而由于CT扫描经济性和扫描尺寸的限制，使得无法简单、快速的逆向构建室内土石混合体试样三维模型。

发明内容

有鉴于此，本专利的目的研发出一种经济、简单、高效、适用性广的土石混合体试样断层数码成像装置和相应的三维数值逆向重构方法。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种室内土石混合体试样的断层数码成像装置，包括：固定机构，由底座、可拆卸的安装在该底座上的护筒、可滑动的设置在该护筒内的承台板组成，用于承载土石混合体试样；打磨机构，包括打磨器，设置在该护筒的上方，用于对放置在该承台板上且露出于该护筒顶部的土石混合体试样实施若干次的断层打磨；旋进机构，由与该底座固接的固定螺母、与该固定螺母旋接的旋转螺杆组成，用于在该打磨器对土石混合体试样实施单次的断层打磨后竖向顶升该承台板；检测机构，由计算机、与该计算机通过导线分别电性连接的数码相机和位移计组成，所述数码相机用于采集土石混合体试样经打磨器单次断层打磨后的断层图像，安装在该护筒的上方且位于该护筒的中轴线上，所述位移计用于测量该承台板在顶升过程中的位移量，安装在该底座上，其信号发射端对准该承台板底部，所述计算机用于存储数码相机采集的断层图像及位移计测量的承台板位移量，并根据存储的断层图像和承台板位移量进行土石混合体试样的三维数值逆向重构。

采用上述方案，是通过大功率打磨器的打磨作用，从上到下等间距地出露土石混合体试样断层上的二维块石形态信息；其次，采用计算机远程控制护筒中心顶部位置上方固定的数码相机，对土石混合体试样每个断层面进行成像，获取并顺序储存各断层面上的块石形态信息；然后，对每个断层面上的块石形态信息进行数字图象处理，提出块石形态轮廓；最后，根据每个断层面的块石形态轮廓和断层面的高度，根据三维插值算法，三维数值逆向重构出土石混合体模型。

进一步，所述打磨机构还包括与该打磨器连接的吸尘器，所述吸尘器包括吸尘机、罩设在打磨器上的吸尘罩、将吸尘罩与吸尘机相连接的吸尘管、用于收集吸尘机内粉尘的集尘桶，所述吸尘罩包括防尘罩、防尘膜、橡皮筋，所述防尘罩覆盖在护筒顶部，所述防尘膜呈筒状，由柔性材料制作而成，其一端与防尘罩口部密封连接，另一端通过该橡皮筋紧固于护筒在距其顶部一定距离的筒壁外侧上。

进一步，所述护筒具有两端开口的圆柱形结构，其顶端开口与打磨机构相连接，底端开口通过其上的沿边与底座连接，所述护筒与承台板的尺寸可根据土石混合体试样的尺寸来确定，且护筒的直径比土石混合体试样的直径大1～5mm。

进一步，所述旋转螺杆在与承台板连接的一端设有光滑的杆部，所述承台板上设有与所述杆部相配合插接的凹槽，所述杆部与凹槽过盈配合，所述杆部的顶端周向上设有倒角。

进一步，所述底座为正六面体，其内设有用于放置固定螺母的凹坑，所述凹坑的底部开设有用于与位移计相连接的导线穿过的圆孔。

进一步，所述旋转螺杆在远离承台板的一端设有旋转把手，所述旋转把手为垂直于旋转螺杆且对称布置的两个钢管。

本发明还提供一种室内土石混合体试样的三维数值逆向重构方法，是利用上述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，该方法具体包括如下步骤：

1)、将欲成像的土石混合体试样完全干燥，并调节室内照明；

2)、根据该土石混合体试样选取合适尺寸的固定机构后，先将承台板固定在旋进机构的旋转螺杆上，再将土石混合体试样放置于该承台板中心处，接着在底座上安装护筒，然后将打磨机构与护筒形成封闭系统、将数码相机设置在护筒的上方、将位移计固定在底座上，最后将数码相机与位移计连接至计算机上；

3)、通过旋转螺杆使土石混合体试样的顶面高出护筒顶面，其高度值为3～6mm；

4)、采用计算机记录初始时刻位移计读数，并打开吸尘器，通过打磨器对土石混合体试样表面进行打磨，直至打磨到护筒顶面后取下吸尘罩并移除打磨器；

5)、采用计算机控制数码相机对土石混合体试样露出的断面进行拍照并由计算机记录存储后，旋进旋转螺杆，通过位移计读数控制承台板顶升高度，使得土石混合体试样的顶面再次高出护筒顶面且具有同上次相同的高度值；

6)、重复步骤4)、5)，直至剩余土石混合体试样的高度小于该高度值时，结束对土石混合体试样的断层打磨；

7)、将对每个断层的成像数据采用MATLAB编程软件进行数字图像处理，获取断层面上块石的几何形态和平面位置信息数据；

8)、根据每个断层的间距和高度，采用三维插值方法，以三维数值逆向重构土石混合体试样的三维模型；

9)、根据生成的三维模型和土石混合体试样特点，采用MATLAB编写三维网格划分程序，进而直接生成可以计算的土石混合体模型。

本发明与现有CT断层扫描相比，其显著优点在于：本发明成本低，适用各种尺寸的土石混合体试样，特别是大直径土石混合体试样(直径30cm、高60cm)的断层成像，场地要求低，可以竖向布置，也可以横向布置，同时该装置具有可自由拆卸、组装，操作灵活的特点。同时提出的三维逆向重构方法，结构清晰，简便快捷，无需采用其他辅助软件，可以直接根据土石混合体试样的断层数码照片和每层的高度，生成可以用于直接计算的土石混合体三维模型。此外，本发明使得后续数值试验所用的土石混合体试样块石结构具有一致性，有效避免了前期块石结构离散性对试验最终结果的影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明成像装置的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，附图中的元件标号1-18分别表示：底座1、护筒2、承台板3、土石混合体试样4、打磨器5、防尘罩6、防尘膜7、橡皮筋8、吸尘管9、吸尘机10、集尘桶11、旋转螺杆12、固定螺母13、计算机14、导线15、数码相机16、位移计17、旋转把手18。

实施例基本如附图所示：本实施例提供一种室内土石混合体试样的断层数码成像装置，主要包括固定机构、打磨机构、旋进机构和检测机构；该固定机构由底座1、可拆卸的安装在该底座1上的护筒2、可滑动的设置在该护筒2内的承台板3组成，用于承载土石混合体试样4；该打磨机构由依次连接的打磨器4、吸尘罩、吸尘管9、吸尘器10组成，用于对放置在该承台板3上且露出于该护筒2顶部的土石混合体试样4实施若干次的断层打磨；该旋进机构由与该底座1通过焊接固接的固定螺母13、与该固定螺母13通过螺纹旋接的旋转螺杆12组成，用于在该打磨器4对土石混合体试样4实施单次的断层打磨后竖向顶升该承台板3；该检测机构由计算机14、与该计算机通过导线15分别电性连接的数码相机16和位移计17组成，所述数码相机16用于采集土石混合体试样4经打磨器5单次断层打磨后的断层图像，安装在该护筒2的上方且位于该护筒2的中轴线上，所述位移计17用于测量该承台板3在顶升过程中的位移量，安装在该底座1或固定螺母13上，其信号发射端对准该承台板3底部，所述计算机14用于存储数码相机16采集的断层图像及位移计测量的承台板3位移量，并根据存储的断层图像和承台板位移量进行土石混合体试样4的三维数值逆向重构。

采用上述方案，是通过大功率打磨器的打磨作用，从上到下等间距地出露土石混合体试样断层上的二维块石形态信息；其次，采用计算机远程控制护筒中心顶部位置上方固定的数码相机，对土石混合体试样每个断层面进行成像，获取并顺序储存各断层面上的块石形态信息；然后，对每个断层面上的块石形态信息进行数字图象处理，提出块石形态轮廓；最后，根据每个断层面的块石形态轮廓和断层面的高度，根据三维插值算法，三维数值逆向重构出土石混合体模型。

本实施例中的打磨机构还包括与该打磨器5连接的吸尘器，所述吸尘器包括吸尘机10、罩设在打磨器5上的吸尘罩、将吸尘罩与吸尘机10连接的吸尘管9、用于收集吸尘机10内粉尘的集尘桶11，所述吸尘罩包括防尘罩6、防尘膜7、橡皮筋8，所述防尘罩6覆盖在护筒2顶部，所述防尘膜7呈筒状，由柔性材料制作而成，其一端与防尘罩6口部密封连接，另一端通过该橡皮筋7紧固于护筒2在距其顶部一定距离的筒壁外侧上。此设计为了减小打磨过程中粉尘弥漫扩散对环境和操作人员健康的不利影响，将打磨器和护筒形成密闭系统，并通过打磨器后方的吸尘器将产生的粉尘集中收集，从而降低对环境和操作人员健康的影响。

本实施例中的护筒2具有两端开口的圆柱形结构，其顶端开口与打磨机构连接，底端开口通过其上的沿边与底座1连接，所述护筒2与承台板3的尺寸可根据土石混合体试样4的尺寸来确定，且护筒2的直径比土石混合体试样4的直径大1～5mm。假定该土石混合体试样4直径30cm、高60cm，为此护筒2和承台板3直径取为35cm。多余5cm用以减小护筒2与土石混合体试样4的摩阻力，并方便土石混合体装样，周边空隙在土石混合体试样放入之后可以采用泡沫填充，用以固定试样。

本实施例中的旋转螺杆12在与承台板3连接的一端设有光滑的杆部(未画出)，所述承台板3上设有与所述杆部相配合插接的凹槽(未画出)，所述杆部与凹槽过盈配合，所述杆部的顶端周向上设有倒角(未画出)。具体为在承台板3中部开设半径2cm、深1.5cm凹槽，旋转螺杆12顶部为高1.5cm，周边倒角光滑的圆柱形凸起，以减小旋转螺杆12旋进对土石混合体试样4平面位置的影响。

本实施例中的底座1为正六面体，其内设有用于放置固定螺母13的凹坑(未标记)，所述凹坑的底部开设有用于与位移计17相连接的导线15穿过的圆孔(未画出)。

本实施例中的旋转螺杆12在远离承台板3的一端设有旋转把手18，所述旋转把手18为垂直于旋转螺杆12且对称布置的两个钢管。

下面具体介绍下本成像装置的工作原理:

1)、将欲成像的土石混合体试样4完全干燥，以增加其整体刚度，并调节室内照明，以减小光照不同对数码相机16成像的影响；

2)、根据该土石混合体试样4选取合适尺寸的固定机构后，先将承台板3固定在旋进机构的旋转螺杆12上，再将土石混合体试样4放置于该承台板3中心处，接着在底座1上安装护筒2，然后将打磨机构与护筒2形成封闭系统，以防止打磨产生的灰尘飞扬、将数码相机16设置在护筒2的上方、将位移计17固定在底座1上，最后将数码相机16与位移计17连接至计算机14上；

3)、通过旋转螺杆12使土石混合体试样4的顶面高出护筒2顶面5mm；

4)、采用计算机14记录初始时刻位移计17读数，并打开吸尘器10，通过打磨器5对土石混合体试样4表面进行打磨，直至打磨到护筒2顶面后取下吸尘罩并移除打磨器5；

5)、采用计算机14控制数码相机16对土石混合体试样4露出的断面进行拍照并由计算机记录存储后，旋进旋转螺杆12，通过位移计17读数控制承台板3顶升高度，使得土石混合体试样4的顶面再次高出护筒2顶面5mm；

6)、重复步骤4)、5)，直至剩余土石混合体试样4的高度小于5mm，结束对土石混合体试样4的断层打磨；

7)、将对每个断层的成像数据采用MATLAB编程软件进行数字图像处理，获取断层面上块石的几何形态和平面位置信息数据；

8)、根据每个断层的间距和高度，采用三维插值方法，以三维数值逆向重构土石混合体试样4的三维模型；

9)、根据生成的三维模型和土石混合体试样4特点，采用MATLAB编写高效简洁、并考虑土石接触面的土石混合体三维网格划分程序，进而直接生成可以计算的土石混合体模型。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种室内土石混合体试样的断层数码成像装置，其特征在于，包括：

固定机构，由底座(1)、可拆卸的安装在该底座上的护筒(2)、可滑动的设置在该护筒内的承台板(3)组成，用于承载土石混合体试样(4)；

打磨机构，包括打磨器(5)，设置在该护筒的上方，用于对放置在该承台板上且露出于该护筒顶部的土石混合体试样实施若干次的断层打磨；

旋进机构，由与该底座固接的固定螺母(13)、与该固定螺母旋接的旋转螺杆(12)组成，用于在该打磨器对土石混合体试样实施单次的断层打磨后竖向顶升该承台板；

检测机构，由计算机(14)、与该计算机通过导线(15)分别电性连接的数码相机(16)和位移计(17)组成，所述数码相机用于采集土石混合体试样经打磨器单次断层打磨后的断层图像，安装在该护筒的上方且位于该护筒的中轴线上，所述位移计用于测量该承台板在顶升过程中的位移量，安装在该底座上，其信号发射端对准该承台板底部，所述计算机用于存储数码相机采集的断层图像及位移计测量的承台板位移量，并根据存储的断层图像和承台板位移量进行土石混合体试样的三维数值逆向重构。

2.根据权利要求1所述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，其特征在于，所述打磨机构还包括与该打磨器连接的吸尘器，所述吸尘器包括吸尘机10、罩设在打磨器上的吸尘罩、将吸尘罩与吸尘机相连接的吸尘管(9)、用于收集吸尘机内粉尘的集尘桶(11)，所述吸尘罩包括防尘罩(6)、防尘膜(7)、橡皮筋(8)，所述防尘罩覆盖在护筒顶部，所述防尘膜呈筒状，由柔性材料制作而成，其一端与防尘罩口部密封连接，另一端通过该橡皮筋紧固于护筒在距其顶部一定距离的筒壁外侧上。

3.根据权利要求1所述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，其特征在于，所述护筒具有两端开口的圆柱形结构，其顶端开口与打磨机构相连接，底端开口通过其上的沿边与底座连接，所述护筒与承台板的尺寸可根据土石混合体试样的尺寸来确定，且护筒的直径比土石混合体试样的直径大1～5mm。

4.根据权利要求1所述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，其特征在于，所述旋转螺杆在与承台板连接的一端设有光滑的杆部，所述承台板上设有与所述杆部相配合插接的凹槽，所述杆部与凹槽过盈配合，所述杆部的顶端周向上设有倒角。

5.根据权利要求1所述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，其特征在于，所述底座为正六面体，其内设有用于放置固定螺母的凹坑，所述凹坑的底部开设有用于与位移计相连接的导线穿过的圆孔。

6.根据权利要求1所述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，其特征在于，所述旋转螺杆在远离承台板的一端设有旋转把手(18)，所述旋转把手为垂直于旋转螺杆且对称布置的两个钢管。

7.一种室内土石混合体试样的三维数值逆向重构方法，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述的室内土石混合体试样的断层数码成像装置，所述方法包括如下步骤：

1)、将欲成像的土石混合体试样完全干燥，并调节室内照明；

2)、根据该土石混合体试样选取合适尺寸的固定机构后，先将承台板固定在旋进机构的旋转螺杆上，再将土石混合体试样放置于该承台板中心处，接着在底座上安装护筒，然后将打磨机构与护筒形成封闭系统、将数码相机设置在护筒的上方、将位移计固定在底座上，最后将数码相机与位移计连接至计算机上；

3)、通过旋转螺杆使土石混合体试样的顶面高出护筒顶面，其高度值为3～6mm；

4)、采用计算机记录初始时刻位移计读数，并打开吸尘器，通过打磨器对土石混合体试样表面进行打磨，直至打磨到护筒顶面后取下吸尘罩并移除打磨器；

5)、采用计算机控制数码相机对土石混合体试样露出的断面进行拍照并由计算机记录存储后，旋进旋转螺杆，通过位移计读数控制承台板顶升高度，使得土石混合体试样的顶面再次高出护筒顶面且具有同上次相同的高度值；

6)、重复步骤4)、5)，直至剩余土石混合体试样的高度小于该高度值时，结束对土石混合体试样的断层打磨；

7)、对每个断层的成像数据采用MATLAB编程软件进行数字图像处理，获取断层面上块石的几何形态和平面位置信息数据；

8)、根据每个断层的间距和高度，采用三维插值方法，三维数值逆向重构土石混合体试样的三维模型；

9)、根据生成的三维模型和土石混合体试样特点，采用MATLAB编写三维网格划分程序，最终直接生成可以计算的土石混合体模型。