CN109900550A - 一种三轴实验试样表面位移测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴实验中试样表面位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：在预先制作好的试样侧面标记示踪点；其中，试样为圆柱体试样、长方体试样或正方体试样，将标记好的试样放入三轴仪内；在三轴仪的前后左右四个方位分别安装一个工业相机，每个工业相机和三轴仪间距离均相等；获取若干组试样图像；将采集的试样图像用MATLAB进行分析，获取侧向变形或径向变形本发明操作简单方便，非接触式测量不扰动土样，结果更可靠。

Description

一种三轴实验试样表面位移测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及岩土工程实验技术领域，具体涉及一种三轴实验试样表面位移测量装置及测量方法。

背景技术：

三轴实验可以完整地体现圆柱体试样受力变形直到破坏的全过程，得到土体的应力应变曲线以及强度，是建立和改进土的本构模型的重要技术手段，也是工程设计的重要参考依据，然而传统三轴实验测量土体变形的方法却存在着一定缺陷，基于传统三轴仪设备进行实验得到的轴向变形，体积变形等均为平均变形，径向变形更是由体变和轴变换算得到，也是平均应变，另外预设霍尔效应传感器或 LVDT 局部应变传感器的方法只适合测量局部个别位置的应变，且存在扰动效应。

随着计算机数字图像技术的发展，使得非接触式测量成为可能，而MATLAB图像处理功能强大，有着精度高，软件使用人性化的优点，越来越多的学者利用其进行数字图像处理，并由此研究工程问题。如何利用现有图像处理技术为三轴实验服务，提高实验效果是我们考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴实验试样表面位移测量装置及测量方法，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种三轴实验中试样表面位移测量方法，包括如下步骤：

步骤1、在预先制作好的试样侧面标记示踪点；其中，试样为圆柱体试样、长方体试样或正方体试样，

步骤2、将标记好的试样放入三轴仪内；

步骤3、在三轴仪的前后左右四个方位分别安装一个工业相机，每个工业相机和三轴仪间距离均相等；其中，工业相机镜头的高度和试样中心的高度相同，相对的两个工业相机能获取完整的试样图像，

步骤4、获取若干组试样图像；其中，图像是四个工业相机等频率获取的，

步骤5、将采集的试样图像用MATLAB进行分析，获取侧向变形和/或径向变形。

进一步的，所述标记示踪点包括如下步骤：

步骤1、用网格把试样的侧面完全裹住；其中，网格的大小为10mm*10mm，

步骤2、在网格的各个交点上标记示踪点。

一种三轴实验试样表面位移测量装置，包括：

三轴仪：所述三轴仪内放置有试样，所述试样上固定有网格，所述网格上粘贴有示踪点；

工业相机，所述工业相机有四个，四个所述工业相机分别固定在三轴仪的前后左右四个面，每个所述工业相机和三轴仪之间的距离均相等；

计算机：所述计算机和所述工业相机相连接，所述计算机中安装有图像处理软件。

本发明的优点在于：

1、操作简单方便，非接触式测量不扰动土样，结果更可靠。

2、可实时成像试样的三维轮廓，根据轮廓信息进一步编程即可计算得到体变，径向应变等数据。

3、轮廓信息实时成像的特点使得其可进行剪切破坏全过程研究，如剪切带分析等。

附图说明

图1为本发明具体实施方式三轴实验试样表面位移测量装置及测量方法的整体结构示意图；

图2为本发明具体实施中图1中部分装置的俯视图；

图3为本发明具体实施方式三轴实验试样表面位移测量装置及测量方法中试样的示意图。

其中：1、三轴仪；2、橡皮膜；3、试样；4、工业相机；5、计算机。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1至图3所示，一种三轴实验中试样表面位移测量方法，包括如下步骤：

步骤1、按照土工规范制作好试样3，其中，试样3为非凹面体土样，非凹面体试样可以为圆柱体试样、正方体试样或长方体试样，采用非凹面体试样保证其侧面任意两点的连线都在面上或面内。

步骤2、判断试样3是否为连续介质性固定，若试样3为连续介质性固定，则可直接在试样3表面标记网格和示踪点；若试样3为散粒体，则需要先用橡皮膜2对试样3进行包括，然后再标记网格和示踪点；为了保证实验测试的精度，网格的大小取10mm*10mm。

步骤3、将标记好网格和示踪点的试样3放入三轴仪1内。

步骤4、根据三轴仪1的位置，确定工业相机4的位置，调整并安装工业相机4，使相对的两个工业相机4能获取完整的试样3图像，即试样3侧面上的任意区域都被像个工业相机4拍摄到；四个工业相机4分别安装在三轴仪1的前后左右四个方向，且每个工业相机4和三轴仪1之间的距离均相等，并保证工业相机4镜头的高度和试样3中心的高度相同，为了更好的获取试样3的图像；工业相机4通过wifi和外部计算机5相连接。

步骤5、通过计算机5设置四个工业相机4自动、同时、等频率拍照，获取试样3的图像；若没有相应条件，可利用带存储功能的相机，设置同时拍照，后续在时间轴上分析即可；为了保证精度和相机的成像质量，可设置每个相机的拍摄频率为一帧每秒。

步骤6、将采集到的图像利用MATLAB进行分析，具体分析技术为：由于试样3每块区域都在正交的两个互相垂直的方向被拍摄到，故试样3表面各处示踪点皆可在(x,z)与（y,z）平面进行标记，从而得到各时刻试样3表面各处示踪点在（x,y,z）上的位置。再根据标记的网格，即可根据差值计算得出试样3全表面的位置信息。具体的，使用matlab，将四个工业相机4拍摄得到的灰度图片转化为二值图，从而将示踪点轮廓单独提取，得到各示踪点轮廓后即可利用算法计算出各轮廓图形质心作为坐标点，再将各坐标点位置信息输入，使用matlab自带的差值函数进一步细分网格并差值计算得出试样3全表面位置信息。从而进行实时轮廓成像，进一步编程计算分析，即可得到侧向变形，径向变形等。

在本实施例中，标记示踪点时需用网格把试样3的侧面完全裹住；其在网格的各个交点上标记示踪点，示踪点为圆形点，为了能够直观清晰的观测网格和示踪点，网格和示踪点的颜色选用为红色或黄色等比较亮的颜色。

一种三轴实验试样3表面位移测量装置，包括：三轴仪1、工业相机4和计算机5，所述三轴仪1内放置有试样3，所述试样3上固定有网格，所述网格上粘贴有示踪点；所述工业相机4有四个，四个所述工业相机4分别固定在三轴仪1的前后左右四个面，每个所述工业相机4和三轴仪1之间的距离均相等；所述计算机5和所述工业相机4相连接，所述计算机5中安装有图像处理软件。

在本实施例中，工业相机4的镜头高度和所述试样3中心的高度相同，为了能够更好的获取试样3的图像。两个相对的工业相机4能够完全的获取试样3侧面的图像，即试样3侧面上任意一点都被两个相邻的两个工业相机4拍摄到。确保试样3上每个点都有一个相对应的三维位置信息。

在本实施例中，所述工业相机4通过无线网络和计算机5相连接，无线连接比较方便，工业相机4也可以通过存储器或蓝牙等装置和计算机5相连接。所述图像处理软件为MATLAB，此软件可处理三轴实验过程中相机拍摄的一系列图片，得到土体表面示踪点的实时三维位置。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.一种三轴实验中试样表面位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

在预先制作好的试样侧面标记示踪点；其中，试样为圆柱体试样、长方体试样或正方体试样；

将标记好的试样放入三轴仪内；

在三轴仪的前后左右四个方位分别安装一个工业相机，每个工业相机和三轴仪间距离均相等；其中，工业相机镜头的高度和试样中心的高度相同，相对的两个工业相机能获取完整的试样图像；

获取若干组试样图像；其中，图像是四个工业相机等频率获取的；

将采集的试样图像用MATLAB进行分析，获取侧向变形和/或径向变形。

2.根据权利要求1所述的三轴实验试样表面位移测量方法，其特征在于，所述标记示踪点包括如下步骤：

用网格把试样的侧面完全裹住；其中，网格的大小为10mm*10mm；

在网格的各个交点上标记示踪点。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的三轴实验试样表面位移测量方法，其特征在于，所述若试样为散粒体则先需要用橡皮膜包裹试样后在进行标记网格与示踪点；若试样为连续介质性固体，则直接标记网格与示踪点。

4.一种三轴实验试样表面位移测量装置，其特征在于，包括：

三轴仪：所述三轴仪内放置有试样，所述试样上固定有网格，所述网格上粘贴有示踪点；

工业相机，所述工业相机有四个，四个所述工业相机分别固定在三轴仪的前后左右四个面，每个所述工业相机和三轴仪之间的距离均相等；

计算机：所述计算机和所述工业相机相连接，所述计算机中安装有图像处理软件。

5.根据权利要求4所述的三轴实验试样表面位移测量装置，其特征在于，所述工业相机的镜头高度和所述试样中心的高度相同。

6.根据权利要求4所述的三轴实验试样表面位移测量装置，其特征在于，所述工业相机通过无线网络和计算机相连接。

7.根据权利要求4所述的三轴实验试样表面位移测量装置，其特征在于，所述图像处理软件为MATLAB。