CN117030705A - 一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，应用于岩石工程技术领域。包括以下步骤：对岩石试样进行预处理，得到完全饱和试样；将散斑纸贴在岩石试样表面并调整岩石试样的位置；对岩石试样进行温度标定；调试三维DIC测量系统，控制降温速率为1℃/min对岩石试样进行降温；计算岩石试样的三维变形量；对不同低温环境下岩石试样的全区域冻胀变形特征进行分析。本发明测试精度高，可实时、全区域测试低温条件下岩石的冻胀变形特征，能更好的模拟岩石及岩石类材料在高寒山地区等真实自然环境下的冻胀变形，获得的岩石的变形和温度响应更符合真实情况，为高寒山地区岩石物理力学性质及其工程应用研究提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及岩石工程技术领域，更具体的说是涉及一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法。
背景技术
当前人们对常温及高温条件下的岩石物理力学性质已经有较深入的了解，并做了很多相关理论和试验方面的研究工作，而对低温条件下含水冻结岩石的物理力学性质的认识还不够充分。在寒区岩石工程中，如岩质边坡、岩石路基、隧道以及人工冻结法凿井液化天然气低温储存库围岩安全等领域，最重要的就是低温冻结条件下岩石物理力学参数的确定问题。在低温环境下，当富水工程岩体中的水冻结时，会产生约9％的体积膨胀，可使岩体产生冻胀融缩效应，从而对支护体的受力状态、岩体工程的稳定性产生显著影响。因此，研究岩石低温变形特征对于防御、控制岩体冻害及寒区岩体工程设计具有重要意义。现有的测定岩石类材料冻胀变形的方法主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法多采用低温应变片测量技术。低温应变片测量岩石变形具有价格低廉、操作简便等优点，然而用于测试冻胀变形的理想应变片阻值应只随应变变化，不受其他因素影响。而实际上应变片的阻值受环境温度(包括测试件)的影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎具有相同的数量级，从而产生很大的测量误差。桥路补偿作为一种常用的消除温度应变误差的方法，其会使得冻胀变形的测量操作复杂。另外，低温应变片只能测定岩石应变片张贴处的冻胀变形，无法实测整个岩石区域内的应变分布情况。以特定位置的冻胀变形和应变估计整个岩石试样的冻胀变形与实际岩石变形特性可能存在较大误差，不能精确刻画低温环境下岩石的真实变形情况。在非接触式测量方法中，CT扫描技术可实现对岩石冻胀变形的实时监测，但基于CT扫描系统获取的低温环境下岩石内部高清CT图像可能受精度影响存在微裂隙识别不准确及伪影现象，造成一定的试验误差。另外，CT扫描系统价格昂贵，与实时低温系统结合后操作复杂。因此，如何提供一种能够准确测量不同岩性及不同饱和状态下岩石的实时低温冻胀变形测试方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，利用三维DIC技术计算岩石试样的三维变形量从而测定岩石的冻胀变形特征和应变分布情况，在不同温度条件下实现岩石材料冻胀变形的全区域、实时、连续监测。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，包括以下步骤：
S1、对岩石试样进行预处理，得到完全饱和试样；
S2、将散斑纸贴在岩石试样表面并调整岩石试样的位置；
S3、对岩石试样进行温度标定；
S4、调试三维DIC测量系统，控制降温速率为1℃/min对岩石试样进行降温；
S5、计算岩石试样的三维变形量；
S6、对不同低温环境下岩石试样的全区域冻胀变形特征进行分析。
可选的，S1具体为：将岩石试样置于真空饱和装置中并密封，抽气至真空状态并维持2h，之后向真空饱和装置内加入蒸馏水至试样高度的1/3处，继续抽气维持真空状态，4h后继续注水至试样高度的2/3处，8h后注水至水面高度超过试样2cm，过程中始终保持试样处于真空状态，在蒸馏水中至少放置24h，获得完全饱和试样。
可选的，S2具体为：将裁剪好的散斑贴于试样表面，覆盖岩石试样2/3个曲面，将岩石试样置于实时低温箱内定位垫板中心，根据岩石试样尺寸调节定位垫板高度至玻璃观察窗中央，贴有散斑的一侧面向玻璃观察窗。
可选的，S3具体为：将温度传感器置于实时低温箱内，利用环氧树脂胶将两个温度传感器粘贴于岩石试样未贴散斑纸区域中心线上，分别粘贴于离岩石试样上表面的1/3和2/3处。
可选的，S4具体为：通过温控箱控制降温速率为1℃/min，待三维DIC测量系统准备完毕后开启降温开关，分别在20℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃的冻结条件下对岩石试样的实时全区域冻胀变形特征进行测试。
可选的，S5具体为：
S51、标定系统的成像模型参数；
S52、采集不同低温条件下岩石试样的实时DIC图像；
S53、三维DIC测量系统对应点匹配及三维坐标计算；
S54、计算岩石试样的三维变形量。
可选的，S51中得成像模型参数包括：焦距、主点坐标、镜头畸变系数、相机间的旋转矩阵R和平移向量T。
可选的，S53具体为：三维DIC测量系统对应点匹配包括左右图像间的立体匹配和图像序列间的时序匹配，当岩石试样投影到二维平面时，其表面在两个相机中呈现的图像会有较大不同，为了获取准确的对应点匹配位置，在对应点匹配过程中添加极线约束条件，将对应点搜索范围缩小到一条直线上，提高匹配速度，同时降低出现伪匹配点的概率；时序匹配指二维DIC中的对应点匹配，经过对应点匹配可获取岩石试样表面点在所有图像上对应的图像坐标。
可选的，S54具体为：对于岩石试样表面上的像素点，将变形前和变形后的三维世界坐标系中的矢量相减计算得到单个像素点三维变形量，对岩石试样表面上得所有像素点进行计算得到岩石全区域的冻胀变形量。
可选的，S6具体为：基于三维DIC测量系统对DIC图像进行三维数字图像相关分析，计算得到实时低温环境下岩石试样表面的应变场；基于实时低温环境下岩石试样表面实时温度值，得到不同冻结条件下岩石试样的温度、应变及时间关系曲线，分析不同低温环境下饱和岩石试样的全区域冻胀变形特征。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，具有以下有益效果：
1、测试精度高，可实时、全区域测试低温条件下岩石的冻胀变形特征，为高寒山地区岩石物理力学性质及其工程应用研究提供理论基础；
2、利用数据采集系统可实现实时监测岩石试样表面温度变化情况，得到时间、温度与应变的关系；
3、基于三维DIC技术实现岩石试样冻胀变形非接触式测量，对低温条件下岩石试样进行实时监测，测试过程简单，解决了当前利用低温应变片测试冻胀变形的较大误差问题和操作繁琐问题；
4、实时低温测试能更好的模拟岩石及岩石类材料在高寒山地区等真实自然环境下的冻胀变形，获得的低温作用下岩石的变形和温度响应更符合真实情况。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的实时低温冻胀变形测试方法流程图；
图2为本发明实施例中的测试装置主视图；
图3为本发明实施例中的测试装置左视图；
图4为本发明实施例中的三维DIC测试系统结构示意图；
图5为本发明的双目立体视觉空间点三维重建原理图；
图6为本发明的黑白棋盘格标定板示意图；
图7为本发明的对应点匹配原理示意图；
图中：1-实时低温箱、2-玻璃观察窗、3-定位垫板、4-垫板升降控制面板、5-光源、6-光源控制面板、7-安装孔、8-温控箱、9-温度控制面板、10-固定装置、11-进出阀、12-进出水管、13-CCD相机、14-同步相机触发仪、15-数据传输线、16-计算机、17-温度数据采集线、18-温度数据采集仪、19-温度传感器、20-岩石试样。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做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。
本发明实施例公开了一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、对岩石试样20进行预处理，得到完全饱和试样；
S2、将散斑纸贴在岩石试样20表面并调整岩石试样20的位置；
S3、对岩石试样20进行温度标定；
S4、调试三维DIC测量系统，控制降温速率为1℃/min对岩石试样20进行降温；
S5、计算岩石试样20的三维变形量；
S6、对不同低温环境下岩石试样20的全区域冻胀变形特征进行分析。
进一步的，S1具体为：将岩石试样20置于真空饱和装置中并密封，抽气至真空状态并维持2h，之后向真空饱和装置内加入蒸馏水至试样高度的1/3处，继续抽气维持真空状态，4h后继续注水至试样高度的2/3处，8h后注水至水面高度超过试样2cm，过程中始终保持试样处于真空状态，在蒸馏水中至少放置24h，获得完全饱和试样。
进一步的，在本发明的一个实施例中，所采用的测试装置如图2和图3所示，包括实时低温测试系统、温度标定系统和三维DIC监测系统，其中，实时低温测试系统包括实时低温箱1、玻璃观察窗2、定位垫板3、垫板升降控制面板4、光源5、光源控制面板6、安装孔7、温控箱8、温度控制面板9、固定装置10、进出阀11、进出水管12和岩石试样20，温度标定系统包括温度数据采集线17、温度数据采集仪18和温度传感器19，三维DIC监测系统包括CCD相机13、同步相机触发仪14、数据传输线15和计算机16。
进一步的，S2具体为：将裁剪好的散斑贴于试样表面，覆盖岩石试样20的2/3个曲面，将岩石试样20置于实时低温箱1内定位垫板3中心，根据岩石试样20尺寸调节定位垫板高度至玻璃观察窗2中央，贴有散斑的一侧面向玻璃观察窗2。在本发明实施例中，为保证散斑均匀性，选择低温不敏感散斑纸进行试验，相较喷洒散斑该方法更均一，试验结果更准确。
进一步的，S3具体为：将温度传感器19置于实时低温箱1内，利用环氧树脂胶将两个温度传感器19粘贴于岩石试样20未贴散斑纸区域中心线上，分别粘贴于离岩石试样20上表面的1/3和2/3处。
更进一步的，温度数据采集线17穿过实时低温箱1左侧安装孔7将温度传感器19与温度数据采集仪18相连，塞上密封塞保证实时低温箱1的降温效果。
进一步的，S4具体为：通过温控箱8控制降温速率为1℃/min，待三维DIC测量系统准备完毕后开启降温开关，分别在20℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃的冻结条件下对岩石试样20的实时全区域冻胀变形特征进行测试。
进一步的，S5具体为：
S51、标定系统的成像模型参数；
S52、采集不同低温条件下岩石试样20的实时DIC图像；
S53、三维DIC测量系统对应点匹配及三维坐标计算；
S54、计算岩石试样20的三维变形量。
本发明实施例中的三维DIC测试系统如图4所示，测量方法基于双目立体视觉原理，利用双相机(标记为相机(左)和相机(右))将二维数字图像相关技术拓展到三维空间，克服了二维图像相关方法无法测量离面位移的缺点，相关计算时，DIC方法被用于相机(左)和相机(右)采集图像之间的立体匹配和变形前后图像之间的匹配，利用标定计算相机参数和相关计算结果重建目标点的三维坐标，进而计算全场三维形貌和变形。
进一步的，S51中得成像模型参数包括：焦距、主点坐标、镜头畸变系数、相机间的旋转矩阵R和平移向量T。
更进一步的，在本发明的一个实施例中，根据岩石试样20调整两CCD相机13姿态位置以满足测试视场需求，并根据拍摄的散斑视场确定合适的物距并微调像距使成像清晰。确定完物距后，对两CCD相机13的拍摄角度加以设置，一般设置为两个CCD相机13的中心轴线相交夹角在30°到60°之间。调节高强光源5至适当光照度使拍摄的散斑清晰，采用张氏标定法进行相机标定，利用耐低温塑料黑白棋盘格标定板，标定板如图6所示，采集不同位姿下标定板图像，利用Matlab标定工具箱，导出系统成像模型参数。
在相机标定结束后，严格限制相机测量系统移动，立马开展测量工作。利用同步相机触发仪14手动触发CCD相机13，同时按下温控箱8降温开关，进行不同低温条件下岩石试样20的实时图像采集。
进一步的，S53具体为：三维DIC测量系统对应点匹配包括左右图像间的立体匹配和图像序列间的时序匹配，当岩石试样20投影到二维平面时，其表面在两个相机中呈现的图像会有较大不同，为了获取准确的对应点匹配位置，在对应点匹配过程中添加极线约束条件，将对应点搜索范围缩小到一条直线上，提高匹配速度，同时降低出现伪匹配点的概率；时序匹配指二维DIC中的对应点匹配，经过对应点匹配可获取岩石试样20表面点在所有图像上对应的图像坐标。
更进一步的，在本发明的一个实施例中，如图5所示，假设相机(左)坐标系Ol-xlylzl原点和世界坐标系O-xyz原点重合且相对于世界坐标系无旋转，图像坐标系为Ol-xlyl；相机(右)坐标系为Or-xryrzr，图像坐标系为Or-xryr，根据相机透视变换模型可得：
式中，sl、sr分别表示相机(左)和相机(右)的缩放因子，利用缩放因子将物点在相机坐标系中的三维坐标系转换到图像坐标系中，fl1和fl2表示相机(左)的名义焦距，fr1和fr2表示相机(右)的名义焦距。
对于世界坐标系O-xyz与相机(右)坐标系Or-xryrzr之间可通过下式进行位置的相互转化：
式中，Mlr为空间转换矩阵，分别为两相机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。
将公式(1.1)和公式(1.2)代入公式(1.3)中，即可计算出世界坐标系O-xyz中的空间点和两相机像面之间对应关系，形式如下：
通过以上变换可以计算出空间点三维坐标，用下式进行表示：
相机的有效焦距fl、fr以及旋转矩阵R和平移向量T在系统参数标定时已经获取，将岩石试样20表面上的点在左右图像中的图像坐标带入上式，计算出这些点的三维空间坐标。将上述数学模型用投影矩阵进行表示，被测空间点三维坐标使用两个相机的投影模型进行表示。
式中pl、pr分别为被测空间点在左右相机中的图像坐标，Ml、Mr分别表示左右相机的投影矩阵，Xw为被测空间点在世界坐标系O-xyz中的三维坐标。在实际应用过程中，双目立体视觉测量是在左右相机图像平面上选取特征点进匹配，通过匹配算法得到共轭点对的集合{(pl,i,pr,i)},i＝1,2,…,n，并且每个共轭对都能够确定两条射线，两条射线相交于被测空间中某一点，通过求两条射线空间相交的点的位置即计算出相交点的三维空间坐标。
进一步的，S54具体为：对于岩石试样20表面上的像素点，将变形前和变形后的三维世界坐标系中的矢量相减计算得到单个像素点三维变形量，对岩石试样20表面上得所有像素点进行计算得到岩石全区域的冻胀变形量。
更进一步的，在本发明的一个实施例中，如图7所示，将左右相机采集到的被测物图像称为“左图像序列”和“右图像序列”，将岩石试样表面某点标记为P，初始状态下对应的空间坐标为(X0,Y0,Z0)，对应点匹配的目标是找到该点在所有图像中的像素坐标。
首先在初始状态下左右两幅图像中找到P的对应点p0、p′0，将p0图像子区域作为参考图像子区域，在左图像序列中其它的图像中寻找与该子区域相似度最佳的对应点pi,将p′0图像子区域作为参考图像子区域，在右图像序列其它的图像中寻找与该子区域相似度最佳的对应点p′i,其中i＝1,2,…,n。
利用式(1.5)或(1.6)计算P点在不同状态下的三维坐标，(Xi,Yi,Zi)，i＝0,1,…,n，通过将变形前和变形后的三维世界坐标系中的矢量相减计算得到三维变形量，如公式(1.7)所示。
对岩石试样表面上的所有像素点按照以上方法计算，即可得到岩石全区域的冻胀变形量，在整个测量过程中，岩石表面上所有像素点的三维坐标信息都能够得到，从而实现了岩石的冻胀变形测量。另外，还能够得到岩石试样的三维形状参数。
进一步的，S6具体为：基于三维DIC测量系统对DIC图像进行三维数字图像相关分析，计算得到实时低温环境下岩石试样20表面的应变场；基于实时低温环境下岩石试样20表面实时温度值，得到不同冻结条件下岩石试样20的温度、应变及时间关系曲线，分析不同低温环境下饱和岩石试样20的全区域冻胀变形特征。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对岩石试样进行预处理，得到完全饱和试样；
S2、将散斑纸贴在岩石试样表面并调整岩石试样的位置；
S3、对岩石试样进行温度标定；
S4、调试三维DIC测量系统，控制降温速率为1℃/min对岩石试样进行降温；
S5、计算岩石试样的三维变形量；
S6、对不同低温环境下岩石试样的全区域冻胀变形特征进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S1具体为：将岩石试样置于真空饱和装置中并密封，抽气至真空状态并维持2h，之后向真空饱和装置内加入蒸馏水至试样高度的1/3处，继续抽气维持真空状态，4h后继续注水至试样高度的2/3处，8h后注水至水面高度超过试样2cm，过程中始终保持试样处于真空状态，在蒸馏水中至少放置24h，获得完全饱和试样。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S2具体为：将裁剪好的散斑贴于试样表面，覆盖岩石试样2/3个曲面，将岩石试样置于实时低温箱内定位垫板中心，根据岩石试样尺寸调节定位垫板高度至玻璃观察窗中央，贴有散斑的一侧面向玻璃观察窗。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S3具体为：将温度传感器置于实时低温箱内，利用环氧树脂胶将两个温度传感器粘贴于岩石试样未贴散斑纸区域中心线上，分别粘贴于离岩石试样上表面的1/3和2/3处。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S4具体为：通过温控箱控制降温速率为1℃/min，待三维DIC测量系统准备完毕后开启降温开关，分别在20℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃的冻结条件下对岩石试样的实时全区域冻胀变形特征进行测试。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S5具体为：
S51、标定系统的成像模型参数；
S52、采集不同低温条件下岩石试样的实时DIC图像；
S53、三维DIC测量系统对应点匹配及三维坐标计算；
S54、计算岩石试样的三维变形量。
7.根据权利要求6所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S51中得成像模型参数包括：焦距、主点坐标、镜头畸变系数、相机间的旋转矩阵R和平移向量T。
8.根据权利要求6所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S53具体为：三维DIC测量系统对应点匹配包括左右图像间的立体匹配和图像序列间的时序匹配，当岩石试样投影到二维平面时，其表面在两个相机中呈现的图像会有较大不同，为了获取准确的对应点匹配位置，在对应点匹配过程中添加极线约束条件，将对应点搜索范围缩小到一条直线上，提高匹配速度，同时降低出现伪匹配点的概率；时序匹配指二维DIC中的对应点匹配，经过对应点匹配可获取岩石试样表面点在所有图像上对应的图像坐标。
9.根据权利要求5所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S54具体为：对于岩石试样表面上的像素点，将变形前和变形后的三维世界坐标系中的矢量相减计算得到单个像素点三维变形量，对岩石试样表面上得所有像素点进行计算得到岩石全区域的冻胀变形量。
10.根据权利要求1所述的一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，S6具体为：基于三维DIC测量系统对DIC图像进行三维数字图像相关分析，计算得到实时低温环境下岩石试样表面的应变场；基于实时低温环境下岩石试样表面实时温度值，得到不同冻结条件下岩石试样的温度、应变及时间关系曲线，分析不同低温环境下饱和岩石试样的全区域冻胀变形特征。
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2023
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