CN110608676B

CN110608676B - 一种剪切位移测量方法、剪切位移测量模块及多参数联合监测系统

Info

Publication number: CN110608676B
Application number: CN201910790730.9A
Authority: CN
Inventors: 陈乔; 张阔; 韦方强; 陈吉龙; 朱洪林; 雷小虎
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: CN110608676A

Abstract

本发明公开了一种剪切位移测量方法、剪切位移测量模块及多参数联合监测系统，步骤1：在测量物上做定位标记；步骤2：使用摄像装置录制整个测量物的移动过程，得到一串数字图像数列；步骤3：对每一幅数字图像进行图形矫正、二值化处理、选取特征像素行，选取的特征像素行是一特征像素行向量；步骤4：将第一张图像的特征像素行向右循环位移，每次右移后得到新的特征行向量序列，将这一特征行向量序列依次与其他图像的特征行向量进行计算，获得每一时刻的位移值。本发明采用非接触式的测量方法来进行剪切位移数据的采集，相对于传统的基于传感器的接触式测量方法来说，仪器安装十分简单方便，使得土体剪切实验能够高效有序地进行。

Description

一种剪切位移测量方法、剪切位移测量模块及多参数联合监测系统

技术领域

本发明涉及土体剪切技术领域，特别是涉及一种剪切位移测量方法、剪切位移测量模块及多参数联合监测系统。

背景技术

剪切试验的原理是根据库伦定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，将同一种土制备成几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度，然后根据剪切定律确定土的抗剪强度指标内摩擦角

和内粘聚力c。

在土体剪切实验过程中，重要的检测参数包括压力信号、次声信号、位移信号等。剪切位移的测量，目前传统的方法是采用基于传感器的位移测量仪进行检测，是一种接触式的测量方式，其存在仪器安装困难的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种剪切位移测量方法、剪切位移测量模块及多参数联合监测系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的技术方案之一是一种剪切位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在测量物上做定位标记；

步骤2：使用摄像装置录制整个测量物的移动过程，得到一串数字图像数列；

步骤3：对每一幅数字图像进行图形矫正、二值化处理、选取特征像素行，选取的特征像素行是一特征像素行向量；

步骤4：将第一张图像的特征像素行向右循环位移，每次右移后得到新的特征行向量序列，将这一特征行向量序列依次与其他图像的特征行向量进行计算，获得每一时刻的位移值；

其中，计算方法按照以下方法进行：

当第一张图像的特征像素行向量按像素移动与第i(i≠1)张图像的特征像素行向量比较时，相关性系数序列为：

其中：

c_ij：第一张图像的特征行向量在右移j位后与第i张图像的特征行向量之间的相关性系数；

a_1j：第一张图像的特征行向量右移j位后的特征行向量；

：a_1j的平均值；

a_i：第i张图像的特征行向量；

：a_i的平均值；

而不同的j值都对应一个实际的位移值，进一步的对于第i张图像每一个c_ij也对应于这个位移值，故相关性系数与位移值的关系采用下式表示：

其中：

l(c_ij)：对应的位移；

J：特征行向量的长度；

L：上部剪切盒的最大位移；

对于每一个i值，设c_ij中的最大值为

C_i＝max(c_ij) (3)

则

l_i＝l(C_i) (4)

其中：

l_i：第i张图像对应位移值；

按式(1)～(4)对每一张图像进行计算，就得到每一张图像对应的位移值，即得到了每一时刻检测物的位移值。

作为优选的技术方案，所述步骤1中做定位标记的方法为，在检测物上贴一张与检测物形成颜色上鲜明反差的长方形纸条。

作为优选的技术方案，所述步骤3和步骤4分别通过Photoshop图像处理软件和matlab编程完成。

本发明的技术方案之二是一种剪切位移测量模块，包括摄像装置，用于录制整个测量物的移动过程，得到一串数字图像数列，还包括与摄像装置线连接的数据处理模块，所述数据处理模块用于按照如上所述的剪切位移测量方法中的步骤3和步骤4对摄像装置传输来的图像进行处理获得每一时刻检测物的位移值。

本发明的技术方案之三是一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，包括如上所述的剪切位移测量模块、变尺寸土体剪切盒，所述变尺寸土体剪切盒一侧贴有长方形白纸作为定位标记，剪切位移测量模块用于检测变尺寸土体剪切盒在土体剪切时每一时刻的位移值。

作为优选的技术方案，所述变尺寸土体剪切盒，包括可拆卸组装的上部剪切盒和下部剪切盒，所述上部剪切盒和下部剪切盒分别连接导轮，所述上部剪切盒内通过第一螺纹杆固定一上部挡土板，所述下部剪切盒内通过第二螺纹杆固定一下部挡土板，所述上部剪切盒的两长边上部设置多个周期排列的用于穿插第一螺纹杆的上圆孔，以此来实现上部挡土板在上部剪切盒内的移动，所述下部剪切盒在其开口端向外延伸出挡边，所述挡边上设置若干周期排列的用于穿插第二螺纹杆的下圆孔。

作为优选的技术方案，所述上部剪切盒和下部剪切盒通过第三螺纹杆穿插固定实现可拆卸组装。

作为优选的技术方案，所述导轮为滚珠花键，所述上部剪切盒的底部两侧长边处以及下部剪切盒的顶部两侧长边处各设置一滚珠花键组成一对导向用的滚珠花键，滚珠花键的花键外筒位于上部剪切盒，花键轴位于下部剪切盒，外筒在轴上做往复直线运动，以使得上部剪切盒与下部剪切盒之间能够沿着长边做剪切运动。

作为优选的技术方案，所述上部剪切盒在顶部两边沿着长边方向延伸出第一突出边，且在上部剪切盒的径向上也延伸出第二突出边。

作为优选的技术方案，所述第一突出边长度为1～3cm，所述第二突出边长度为8～12cm。

作为优选的技术方案，所述上部剪切盒顶部固定安装一根横梁。

作为优选的技术方案，所述上部挡土板为三棱柱状，挡土板的板状部分面积与上部剪切盒短边外壳的内侧面积相同，挡土板上部两边各设置有至少一个周期排列的圆孔，用以穿插第一螺纹杆。

作为优选的技术方案，所述下部挡土板包括L型的挡板和底部的工字型长方体，其底部的工字型长方体上设置有用于穿插第二螺纹杆的圆孔，在工字型长方体和L型挡板之间还有一个长方体立柱，用于防止在实验过程中在土体推力下L型挡板发生变形。

作为优选的技术方案，所述上部剪切盒、上部挡土板、下部剪切盒、下部挡土板均采用不低于10mm厚度的钢板制造而成。

作为优选的技术方案，所述上部剪切盒、上部挡土板、下部剪切盒、下部挡土板、第一螺纹杆、第二螺纹杆、第三螺纹杆上均涂覆防锈蚀材料形成防锈蚀层。

有益效果在于：

1、本发明采用非接触式的测量方法来进行剪切位移数据的采集，相对于传统的基于传感器的接触式测量方法来说，仪器安装十分简单方便，使得土体剪切实验能够高效有序地进行。

2、本发明中的基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，充分利于变尺寸土体剪切盒的结构上的设计，在剪切盒上插装导波管，增强次声信号，以获得清晰准确的次声信号，同时本系统还能检测压力、位移等信号，十分利于剪切实验的进行。

3、本发明中的变尺寸土体剪切盒通过上部挡土板固定在上部剪切盒不同的位置，从而达到“土样尺寸可变”的目的，嵌在内部的上部挡土板和固定用的螺纹杆似乎可以保证剪切盒的两长边外壳在实验时不会向里或向外产生变形，结构更加稳定。同时本发明区别于现有的圆柱的土样采取方式，设计出一个尺寸可调的剪切盒，适用范围更广，利于次声信号的采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1一种剪切位移测量方法的图像序列第1帧和第n帧的处理流程图；

图2为本发明实施例1一种剪切位移测量方法的相关性系数计算示意图(特征行颜色越浅表示相关性越低)；

图3为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的立体图；

图4为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的侧视图；

图5为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部剪切盒的立体图；

图6为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部剪切盒的侧视图；

图7为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部剪切盒的主视图；

图8为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部剪切盒的俯视图；

图9为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部挡土板的立体图；

图10为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部挡土板的侧视图；

图11为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部挡土板的主视图；

图12为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的上部挡土板的俯视图；

图13为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部剪切盒的立体图；

图14为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部剪切盒的侧视图；

图15为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部剪切盒的立主视图；

图16为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部剪切盒的俯视图；

图17为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部挡土板的立体图；

图18为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部挡土板的侧视图；

图19为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部挡土板的立主视图；

图20为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部挡土板的俯视图；

图21为本发明实施例2一种变尺寸土体剪切盒的下部剪切盒的制作成品图；

图22为本发明实施例3一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统的结构示意图。

图中，1为上部剪切盒，2为上部挡土板，3为第一螺纹杆，4为下部挡土板，5为滚珠花键，6为下部剪切盒，7为第三螺纹杆，8为第二螺纹杆，9为上圆孔，10为下圆孔，11为挡边，12为横梁，13为第一突出边，14为第二突出边，15为导波管，16为次声传感器，17为变尺寸土体剪切盒，18为数据处理模块，19为压力传感器，20为千斤顶，21为巡检仪，22为摄像装置，23为次声数据存储器。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：剪切位移测量方法

如果使用传统的基于传感器的接触式测量方法来测量剪切位移，存在仪器安装困难的问题，故结合实验的实际情况，本发明采用自行研发的非接触式光学测量方法结合数字图像识别技术来进行位移数据的采集。

本发明实施例中的测量方法的原理是通过计算物体位移变化前后呈现的两幅图像之间的相关性来达到测量位移的目的。根据本实验的实际情况，利用此测量方法时需要在上部剪切盒表面贴一张长方形白纸(白色与钢板的深色在二值化后会形成鲜明反差)作为定位标记，然后使用数码摄像机录制整个剪切盒移动过程，得到一串数字图像序列，再利用计算机程序对每一副图像进行预处理，包括图形矫正、二值化处理、选取特征像素行(特征像素行指，图像序列中的所有图像中，作为定位标记的像素数量都相等的那一行像素，之所以直接取行像素作为计算量，是因为在本次研究的实验中，上部剪切盒只做水平直线运动)等步骤(流程如图1所示)，图像预处理的每一步需使用相同的变换参数。显然，预处理后的图像的特征像素行是一个一维行向量，且取值非黑即白，如果用0和1表示，就是一个一维二进制行向量(称为特征行向量)。如果将第一张图像的特征像素行一个像素一个像素的右移(这里的移位为循环移位，即移位后末位变首位)，每次右移后得到新的特征行向量序列，将这一特征行向量序列依次与其他图像的特征行向量进行相关性计算(见图2)，每次计算后都会得到一组相关性系数，在一组相关性系数中的每一个值都对应一个移位的像素数，而移位的像素数又对应一个位移距离，即每一个相关系数对应一个位移距离，每一组相关性系数序列中的最大值对应的位移距离就是这幅图像中被测物体在当前时刻的位移值。简而言之，要求某一张图像在其对应时刻的位移值，需要将初始时刻的图像与该张图像按像素右移比较，当契合度(相关性)最高时，所移动的像素数对应的距离即是该张图像所对应的位移值。

其中：

a_1j：第一张图像的特征行向量右移j位后的特征行向量；

：a_1j的平均值；

a_i：第i张图像的特征行向量；

：a_i的平均值；

而不同的j值都对应一个实际的位移值，进一步的对于第i张图像每一个c_ij也对应于这个位移值，所以相关性系数与位移值的关系可用下式表示：

其中：

l(c_ij)：c_ij对应的位移；

J：特征行向量的长度；

L：上部剪切盒的最大位移；

对于每一个i值，设c_ij中的最大值为

C_i＝max(c_ij) (3)

则

l_i＝l(C_i) (4)

其中：

l_i：第i张图像对应位移值；

按式(1)～(4)对每一张图像进行计算，就得到每一张图像对应的位移值，也即得到了每一时刻上部剪切盒的位移值。

整个流程可以通过Photoshop图像处理软件和matlab编程实现。首先利用Photoshop的“动作”面板录制单帧图像预处理操作，并用“批处理”命令对所有图像序列进行预处理，再使用matlab编写程序获取位移数据并储存到文本文件中。

实施例2：变尺寸土体剪切盒

本发明实施例，参照图3～图4所示，是一种变尺寸土体剪切盒，包括可拆卸组装的上部剪切盒1和下部剪切盒6，所述上部剪切盒1和下部剪切盒6分别连接导轮(滚珠花键5)，所述上部剪切盒1内通过第一螺纹杆3固定一上部挡土板2，所述下部剪切盒6内通过第二螺纹杆8固定一下部挡土板4，所述上部剪切盒的两长边上部设置多个周期排列的用于穿插第一螺纹杆3的上圆孔9，以此来实现上部挡土板4在上部剪切盒1内的移动，所述下部剪切盒6在其开口端向外延伸出挡边11，所述挡边11上设置若干周期排列的用于穿插第二螺纹杆的下圆孔10。

进一步，所述上部剪切盒1和下部剪切盒6通过第三螺纹杆7穿插固定实现可拆卸组装。

下面介绍各个主要部件的设计说明，从这些部件的设计中也可以看出上面四点考虑的体现。

上部剪切盒：上部剪切盒3的外形如图5所示，其最大土样堆填尺寸为70cm×30cm×15cm，在顶部两长边分别做了2cm的第一突出长边13，且在径向上也做了10cm的第二突出长边14，并在其上安排16个间隔5cm的小圆孔，用于穿插螺纹杆，从而可以将上部挡土板固定在上部剪切盒不同的位置，达到“土样尺寸可变”的目的。另一方面，虽然嵌在内部的上部挡土板和固定用的螺纹杆似乎可以保证剪切盒的两长边外壳在实验时不会向里或向外产生变形，但在拆卸挡土板变更尺寸时仍然可能导致变形，故在上部剪切盒顶部添加了一根横梁12，以增强其刚度，达到了“防变形”的目的。请参考图6～8所示，图6～8所显示的是本实施例中的上部剪切盒3的外部尺寸，其长840mm，宽290mm，高150mm。

上部挡土板：上部挡土板2外形如图9～12所示整体像一个三菱柱框架，这样设计的目的是为了增加上部挡土板2的刚度，防止在土样推力的作用下挡板向后翘曲，达到“防变形”的目的。挡土板的板状部分面积为30cm×15cm，与上部剪切盒短边外壳的内侧面积相同，上部两边的横梁各有2个间隔10cm的圆孔，用来穿插螺纹杆。整个上部挡土板能恰好放入上部剪切盒中，将其两侧的2个圆孔分别与上部剪切盒上的圆孔对齐，再插入两根第一螺纹杆3，用螺栓扭紧，便能将上部挡土板固定在上部剪切盒的不同位置处，同时两根第一螺纹杆3也防止了整个上部挡土板3在推力作用下向上翻转。本发明实施例中的上部挡土板外部尺寸参考图8～10所示，为290mm*170mm*160mm。

下部剪切盒：相对于上部剪切盒1来说，下部剪切盒6的外形相对简单，整体上可以认为是一块没有一侧短边外壳和顶部外壳的长方体，如图13～16所示。其底部的短边开口向外延伸了10mm，延伸部分两侧各有两个小圆孔，用于穿插第二螺纹杆。下部剪切盒最大土样堆填尺寸与上部剪切盒一致，也是70cm*30cm*15cm。。

下部挡土板：如图17～20所示，下部挡土板4的结构看上去比较复杂，但其实其主体只是一个L型的挡板，底部的工字型长方体主要用于放置穿插螺纹杆的小圆孔。由于下部剪切盒6的底部需要封闭，不能像上部剪切盒1一样将起尺寸变化作用的小圆孔安排在下部剪切盒中，因此安排在下部挡土板4上。工字型长方体上的小圆孔与下部剪切盒两侧的小圆孔对齐后可共同穿插两根第二螺纹杆，如此下部挡土板4就能固定在下部剪切盒6的不同位置处。在工字型长方体和L型挡板之间还有一个长方体立柱，用于防止在实验过程中在土体推力下L型挡板发生变形。在实验时，L型挡板的垂直部分与上部挡土板的垂直挡板对齐，这样就与上部剪切盒和下部剪切盒共同构成一个长方体空间，用于堆填土样。

滚珠花键：在上部剪切盒的底部两侧长边处以及下部剪切盒的顶部两侧长边处各组成一对导向用滚珠花键，其花键外筒位于上部剪切盒，花键轴位于下部剪切盒，外筒能够在轴上做往复直线运动，从而使上部剪切盒与下部剪切盒之间能够沿着长边做相对直线运动，即剪切运动。在滚珠花键中，滚珠的滚动沟槽采精密研磨成型，且采用哥德型40°角接触，因接触角度大，故具有大负荷容量和较高的刚性，在做往复运动的同时足够支撑上部剪切盒及上部挡土板的共同荷载。

另外，在防变形方面，上部剪切盒1、上部挡土板2、下部剪切盒6、下部挡土板4等四个主要结构体均采用10mm厚度的钢板切、割焊接而成，结合仪器的高刚性设计，仪器整体刚度是满足实验的防变形要求的。

剪切实验以土体作为研究对象，会涉及到含水率这一影响因子的相关研究，金属仪器会长时间接触水分，长期使用时钢材锈蚀是一个无法回避的问题。因此在设计时仪器时，钢材表面还涂有一层防锈蚀材料，螺纹杆和螺栓等配件也都采用不锈钢材料，在防锈蚀方面能够满足实验要求。

图21为交付加工厂制作后的实际成品图。

实施例3：基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统

本发明实施例是一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，该系统包含了实施例2中的变尺寸土体剪切盒，并在该基础上增加了可以监测剪切实验过程中的位移信号、压力信号以及次声信号的装置。具体请参考图22所示，增加了力学数据采集模块、次声数据采集模块、位移数据采集模块、数据处理模块18，其中，

所述次声数据采集模块包括导波管15、次声传感器16、次声数据存储器23，所述次声传感器16安装在所述导波管15上，所述导波管15一端设置在所述变尺寸土体剪切盒17内，用以将变尺寸土体剪切盒17内的次声通过导波管15传递至所述次声传感器16，所述次声传感器16电接所述次声数据存储器23和数据处理模块18，所述数据处理模块18用于接收次声传感器16发出的次声信号进行分析处理。

在次声处理模块中，次声传感器可以将在空气中传播的声波(力学信号)转换为方便人为处理的电流、电压(电学信号)等数据，以便进一步将电学信号转换成数字信号传送到计算机端。目前国内外普遍使用的次声传感器大体可分为光纤式次声传感器、气压计、液体式次声传感器以及电容式次声传感器等四类，其中电容式次声传感器又是国内使用比较广泛的一类，这一类传感器主要利用了金属极片随空气振动(即声波)时极片间电容的改变，从而把声学信号转变为电学信号。

所述力学采集模块包括压力传感器19、千斤顶20、巡检仪21，所述压力传感器19设置在所述上部剪切盒1的外侧，用以检测土体剪切时的压力信号并转换为电信号传输至所述数据处理模块18。

本发明实施例采用传感器量程为0～1000kg(0～9800N)，其他相关参数见表1，具体实施时，千斤顶20与上部剪切盒1之间的压力源通过压力传感器19的接触面与内部贴在合金钢弹性体上的箔式应变片连通后，箔式应变片在压力下产生相应的弹性变形，将应变片的这种微小的弹性变形通过一定的放大机构放大后，再根据其固有的“压力-变形”特性曲线得到对应的压力值，最终转换为数字信号。

表1平膜盒式压力传感器参数一览

所述位移数据采集模块包括摄像装置22，所述摄像装置22信号连接所述数据处理模块18，所述摄像装置22设置在变尺寸土体剪切盒17一旁，用以拍摄变尺寸土体剪切盒在进行土体剪切时的位移图像信息并发送至所述数据处理模块。

实施例4：次声数据采集

次声数据采集模块包括刚性导波管、次声传感器、次声数据存储器以及相应的数据处理软件，其中最核心的部件当属次声传感器。次声传感器可以将在空气中传播的声波(力学信号)转换为方便人为处理的电流、电压(电学信号)等数据，以便进一步将电学信号转换成数字信号传送到计算机端。目前国内外普遍使用的次声传感器大体可分为光纤式次声传感器、气压计、液体式次声传感器以及电容式次声传感器等四类，其中电容式次声传感器又是国内使用比较广泛的一类，这一类传感器主要利用了金属极片随空气振动(即声波)时极片间电容的改变，从而把声学信号转变为电学信号。

电容式次声传感器的结构主要包括进气口、前腔、均压管、膜片和后腔5个部件，设次声传感器敏感角频率为ω的次声波的压强为P_i(ω)，则前腔和后腔的次声波的声压P₁(ω)和P₂(ω)表示如下式：

P_i(ω)＝e^jwt (5)

P₁(ω)＝m(ω)e^jwt (6)

P₂(ω)＝n(ω)e^jwt (7)

其中：m(ω)、n(ω)：分别为次声波进入前腔和后腔时的声压幅值(会根据进气口和均压管的声阻抗而改变，均为复数)。

而P₁(ω)和P₂(ω)的动态方程又可由下列式子表示(绝热条件下)：

其中：γ：气体绝热系数，在温度为20℃时取1.4；

V₁：前腔体积；

V₂：后腔体积；

R：进气口声阻抗；

r：均压管的声阻抗；

b：膜片参数。

次声传感器的频率响应函数如下式：

由式5～式10可得传感器频率响应函数：

传感器频率响应函数反映出各个部件参数对传感器整体频率特性的影响。在传感器使用中，通常使用传感器的归一化灵敏度来反映次声传感器对次声波的灵敏特性。传感器归一化灵敏度的最大值为F_m，

处对应的两个截止频率点分别为下限截止频率点ω_l和上限截止频率点ω_h，两个频率点之间的频率范围反映了传感器的有效频段范围。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims

1.一种剪切位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在测量物上做定位标记；

步骤3：对每一幅数字图像进行图形矫正、二值化处理、选取特征像素行，选取的特征像素行是一特征行向量；

步骤4：将第一张图像的特征行向量向右循环位移，每次右移后得到新的特征行向量序列，将这一特征行向量序列依次与其他图像的特征行向量进行计算，获得每一时刻的位移值；

其中，计算方法按照以下方法进行：

当第一张图像的特征行向量按像素移动与第i张图像的特征行向量比较时，相关性系数序列为：

其中：

a_1j：第一张图像的特征行向量右移j位后的特征行向量；

a_1j的平均值；

a_i：第i张图像的特征行向量；

a_i的平均值；

其中：

l(c_ij)：对应的位移；

J：特征行向量的长度；

L：上部剪切盒的最大位移；

对于每一个i值，设c_ij中的最大值为

C_i＝max(c_ij) (3)

则

l_i＝l(C_i) (4)

其中：

l_i：第i张图像对应位移值；

2.根据权利要求1所述的一种剪切位移测量方法，其特征在于，所述步骤1中做定位标记的方法为，在检测物上贴一张与检测物形成颜色上鲜明反差的长方形纸条。

3.根据权利要求1所述的一种剪切位移测量方法，其特征在于，所述步骤3和步骤4分别通过Photoshop图像处理软件和matlab编程完成。

4.一种剪切位移测量模块，其特征在于，包括摄像装置，用于录制整个测量物的移动过程，得到一串数字图像数列，还包括与摄像装置线连接的数据处理模块，所述数据处理模块用于按照如权利要求1所述的剪切位移测量方法中的步骤3和步骤4对摄像装置传输来的图像进行处理获得每一时刻检测物的位移值。

5.一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，其特征在于，包括剪切位移测量模块、变尺寸土体剪切盒，所述剪切位移测量模块包括摄像装置，用于录制整个测量物的移动过程，得到一串数字图像数列，还包括与摄像装置线连接的数据处理模块，所述数据处理模块用于按照如权利要求1所述的剪切位移测量方法中的步骤3和步骤4对摄像装置传输来的图像进行处理获得每一时刻检测物的位移值；所述变尺寸土体剪切盒一侧贴有长方形白纸作为定位标记，剪切位移测量模块用于检测变尺寸土体剪切盒在土体剪切时每一时刻的位移值。

6.根据权利要求5所述一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，其特征在于，还包括力学数据采集模块、次声数据采集模块、数据处理模块，其中，

所述次声数据采集模块包括导波管、次声传感器、次声数据存储器，所述次声传感器安装在所述导波管上，所述导波管一端设置在所述变尺寸土体剪切盒内，用以将变尺寸土体剪切盒内的次声通过导波管传递至所述次声传感器，所述次声传感器电接所述次声数据存储器和数据处理模块，所述数据处理模块用于接收次声传感器发出的次声信号进行分析处理；

所述力学数据采集模块包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述上部剪切盒的外侧，用以检测土体剪切时的压力信号并转换为电信号传输至所述数据处理模块。

7.根据权利要求5或6所述一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，其特征在于，所述变尺寸土体剪切盒包括可拆卸组装的上部剪切盒和下部剪切盒，所述上部剪切盒和下部剪切盒分别连接导轮，所述上部剪切盒内通过第一螺纹杆固定一上部挡土板，所述下部剪切盒内通过第二螺纹杆固定一下部挡土板，所述上部剪切盒的两长边上部设置多个周期排列的用于穿插第一螺纹杆的上圆孔，以此来实现上部挡土板在上部剪切盒内的移动，所述下部剪切盒在其开口端向外延伸出挡边，所述挡边上设置若干周期排列的用于穿插第二螺纹杆的下圆孔。

8.根据权利要求7所述一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，其特征在于，所述上部剪切盒和下部剪切盒通过第三螺纹杆穿插固定实现可拆卸组装。

9.根据权利要求7所述一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，其特征在于，所述导轮为滚珠花键，所述上部剪切盒的底部两侧长边处以及下部剪切盒的顶部两侧长边处各设置一滚珠花键组成一对导向用的滚珠花键，滚珠花键的花键外筒位于上部剪切盒，花键轴位于下部剪切盒，外筒在轴上做往复直线运动，以使得上部剪切盒与下部剪切盒之间能够沿着长边做剪切运动。

10.根据权利要求7所述一种基于变尺寸土体剪切的多参数联合监测系统，其特征在于，所述上部挡土板为三棱柱状，挡土板的板状部分面积与上部剪切盒短边外壳的内侧面积相同，挡土板上部两边各设置有至少一个周期排列的圆孔，用以穿插第一螺纹杆。