一種測量土工材料微小變形的方法
【專利摘要】一種測量土工材料微小變形的方法，涉及圖像邊緣識別及像素測量技術(shù)，將此方法應(yīng)用于土工材料微小變形的測量尚屬首次。這套測量設(shè)備由WDW-E50D萬能試驗機(jī)、圖像采集設(shè)備和微型計算機(jī)組成，本發(fā)明測量方法分兩部分，圖像采集與圖像處理，其中圖像處理又分為系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及變形測定，各部分中又包括圖像灰度化、圖像二值化、試件邊緣識別、像素測定、信息存儲及圖表繪制。批量、快速處理不同分辨率的圖像信息，對土工材料試件在單軸壓縮試驗條件下的橫、縱向變形進(jìn)行同步直接測量，并結(jié)合WDW-E50D萬能試驗機(jī)采集數(shù)據(jù)，由程序自動采集散點并繪制材料的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。整個試驗過程不干擾試件和變形，為非接觸式測量，可廣泛應(yīng)用于土工材料單軸壓縮實驗過程中的變形測定。
【專利說明】一種測量土工材料微小變形的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明中的測量方法涉及到圖像邊緣識別及像素測量技術(shù)，主要用于土工材料單 軸壓縮實驗中橫、縱向變形的非接觸同步直接測量以及單軸抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處 理。

【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明中的數(shù)字圖像測量技術(shù)在土工材料壓縮變形實驗中的應(yīng)用幾乎沒有系統(tǒng) 性的報導(dǎo)，1993年在美國召開關(guān)于數(shù)字圖像處理技術(shù)的專題會議上，Emir等人發(fā)表了一篇 題為"用數(shù)字圖像技術(shù)測量三軸試驗的體積變形"的文章，僅是為了配合美國NASA空間站 研究在失重條件下三軸試件的應(yīng)力變形特性而提出的一種新的三軸試件體積變形測量方 法，但受當(dāng)時測試技術(shù)的限制，測量精度并不高，但是為該項測量技術(shù)應(yīng)用于其他材料的變 形測量提供了一個全新的方向。
[0003] 目前，在土工材料單軸壓縮實驗中，試件變形多采用應(yīng)變計、位移計、應(yīng)變片等儀 器直接測量，其中軸向變形通過量測傳力桿的相對位移確定；由于土工試件橫向變形很小， 利用應(yīng)變片、應(yīng)變計及常規(guī)測量儀器等難以測量，故橫向變形需根據(jù)實測的軸向變形和體 積變形間接求得，測定體積變形時要求試件是飽和的，且計算中還需假定試件不同高度的 橫向變形量相同，其測量精度不高，可靠性也差。
[0004] 傳統(tǒng)的材料壓縮實驗變形測量中，測量儀器是固定在實驗試件上，為接觸式測量， 這樣既擾動了實驗試件，也干擾了試件變形，同時受測試儀器本身和材料體散粒體特性限 制，傳統(tǒng)壓縮實驗在實驗方法和測試手段上存在的缺陷尤為突出，需要改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：在不要求試件是否飽和，不擾動試件和變形，且保 證實驗精度的前提下，實現(xiàn)對試件橫、縱向變形的非接觸同步直接測量，提供一種研究土工 材料單軸抗壓強(qiáng)度和變形性能的新型測量方法。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：土工材料壓縮變形的測量設(shè) 備，由WDW-E50D萬能試驗機(jī)、圖像采集設(shè)備及其微機(jī)控制系統(tǒng)組成。本發(fā)明測量方法分兩 部分，圖像采集與圖像處理，其中圖像處理又分為系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及變形測定，各部分中又包 括圖像灰度化、圖像二值化、試件邊緣識別、像素測定、信息存儲及圖表繪制。
[0007] 土工材料變形的數(shù)字圖像測量方法為為非接觸式測量，可實現(xiàn)試件橫、縱向變形 的非接觸同步直接測量，同時對試件是否飽和亦沒有要求，其步驟包括：
[0008] 1)圖像采集
[0009] (1)制備實驗試件，試件組成無要求；試件形狀要求為圓柱形，尺寸大小為 50mm (直徑）X 100mm (高度）。
[0010] ⑵將⑴中制備試件置于YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕（溫度為20°C，濕度為95% ) 養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間分8小時、1天、3天、7天4個齡期。
[0011] (3)把試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后用墨汁涂抹于整個表面，對其進(jìn)行黑化處理。
[0012] (4)啟動微型計算機(jī)與WDW-E50D電子萬能實驗機(jī)，啟動微機(jī)控制程序，進(jìn)行聯(lián)機(jī)。
[0013] (5)把（3)中處理好的試件置于壓力機(jī)下承壓板中心位置，并將上承壓板下移至 剛好接觸試件。
[0014] (6)在壓力機(jī)上、下承壓板與試件接觸表面各粘貼一張白紙，將承壓板表面完全覆 蓋。
[0015] (7)在距試件中心軸線前方L處放置三角架，放置相機(jī)。距離L以相機(jī)視野將整個 試件居于圖像正中為原則，每次進(jìn)行精確測量，用以消除系統(tǒng)誤差。
[0016] (8)調(diào)節(jié)相機(jī)焦距，使整個試件居于視野中心；調(diào)節(jié)光線，使試件與背景色對比鮮 明。
[0017] (9)拍攝實驗前試件初始圖像，用以標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)。
[0018] (10)開始實驗，對試件進(jìn)行加壓，同時利用遙控控制相機(jī)對壓縮試件進(jìn)行連續(xù)拍 照，至試件出現(xiàn)剪切破壞，停止實驗。
[0019] 2)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定
[0020] (1)運行變形測量程序，生成實驗文件夾，用以放置原始及數(shù)據(jù)文件。
[0021] ⑵將拍攝實驗圖像移至"測試圖像"文件夾，手動調(diào)入試件初始圖像，在對調(diào)入圖 像進(jìn)行數(shù)字化處理時，默認(rèn)坐標(biāo)原點位于圖像左上角。
[0022] (3)對導(dǎo)入圖像分別進(jìn)行圖像灰度化與二值化處理，此時除試件范圍變?yōu)楹谏?余部分皆為白色。
[0023] (4)由圖像坐標(biāo)原點開始，先自左至右檢測當(dāng)前像素值及相鄰下一像素值，再自上 而下檢測當(dāng)前像素值及相鄰下一像素值，實質(zhì)上即確定試件左、右邊緣及上、下邊緣黑白像 素轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)位置。
[0024] (5)前后像素值不同時，程序即開始自動計數(shù)，直至下次前后像素值不同時停止計 數(shù)，此時即得到試件范圍內(nèi)的像素數(shù)目，即橫向與縱向黑色像素數(shù)目。
[0025] (6)已知試件寬度與高度，且通過（5)中得到的橫向與縱向黑色像素數(shù)目，即可對 當(dāng)前像素當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定。
[0026] S卩：橫向像素當(dāng)量Ka =試件橫向?qū)嶋H弦長/(右邊緣坐標(biāo)-左邊緣坐標(biāo)）
[0027] 縱向像素當(dāng)量Kb =試件縱向?qū)嶋H高度八下邊緣坐標(biāo)-上邊緣坐標(biāo)）
[0028] 3)變形測定
[0029] 繼續(xù)運行程序，按照2)中（3)-(5)的順序處理剩余圖像，獲得試件壓縮過程任一 時刻占據(jù)的橫、縱向黑色像素數(shù)目m、n，通過2)已知橫、縱向像素當(dāng)量分別為K a、Kb，則試件 變形參數(shù)可以通過以下計算求得。
[0030] BP :試件橫向?qū)嶋H弦長= mXKa
[0031] 試件縱向?qū)嶋H高度：H，=nXKb
[0032] 所述的土工材料微小變形的數(shù)字圖像測量方法，其中：在獲得試件各個時刻橫、縱 向變形以后，可自動與電子萬能實驗機(jī)獲得的數(shù)據(jù)利用線性插值方法進(jìn)行融合，并可反推 得到某時刻變形所對應(yīng)的試驗力，由于是橫、縱向變形的同步直接測量，據(jù)此，可由程序自 動繪制出試件壓縮過程中的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0033] 本發(fā)明的有益效果為：采用本發(fā)明的微小變形測量方法處理土工試件在單軸壓縮 過程中的圖像進(jìn)行變形測定，這是一種非接觸測量方法，既不擾動試件，也不會干擾試件變 形；本方法可以實時記錄壓縮實驗的全過程，便于試驗結(jié)束以后試件變形的重新分析與研 究，提高了實驗的可重復(fù)性；本方法使用計算機(jī)和遙控器控制數(shù)據(jù)的采集和處理，提高了數(shù) 據(jù)采樣頻率，降低了試驗人員的勞動強(qiáng)度；它能夠自動識別與記錄物體邊緣位置，可以任意 選擇多個測量部位或測量斷面，實現(xiàn)試件軸向和徑向變形的同步直接測量；本方法采用編 譯計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)圖像處理與數(shù)字化信息動態(tài)存儲的連續(xù)化，并利用插值法融合壓力機(jī)數(shù) 據(jù)，利用建立的函數(shù)反求相應(yīng)變形量下的試驗力，將變形與試驗力予以結(jié)合，繪制土工材料 單軸壓縮變形的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，為實驗人員深入研究土工材料壓縮性能提供方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明圖像采集設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖2為圖像二值化效果圖；
[0036] 圖3為變形測量方法實施例流程圖。
[0037] 圖1中，1為壓力機(jī)上承壓板，2為壓力機(jī)下承壓板，3為膏體材料試件，在承壓板 1、2與圓柱形試件3中間各粘貼一張白紙，使白紙覆蓋全部承壓板表面，4為圓柱形試件中 心軸，5為實驗專用三角架，6為相機(jī)，L為相機(jī)與試件中心軸的距離。
[0038] 圖2中，1為拍攝圖像的背景，2為試件。拍攝圖像經(jīng)過圖像灰度與二值化以后，試 件與背景成黑白兩色，對比鮮明。

【具體實施方式】
[0039] 下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0040] 土工材料微小變形的像測量方法可以簡單概括如下，先采用圖像采集設(shè)備對試件 壓縮過程進(jìn)行圖像采集，然后再利用本發(fā)明的測量程序?qū)D像進(jìn)行處理，即模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0041] 為實現(xiàn)圖像信息采集過程，本發(fā)明中圖像采集模塊實施例如圖1所示，包括如下 步驟：
[0042] (1)制備實驗試件。試件組成無要求；試件形狀要求為圓柱形，尺寸大小為 50mm (直徑）X 100mm (高度）。
[0043] (2)將⑴中制備試件置于YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕（溫度為20°C，濕度為95% ) 養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間分8小時、1天、3天、7天4個齡期。
[0044] (3)把試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后用墨汁涂抹于整個表面，對其進(jìn)行黑化處理。
[0045] (4)啟動微型計算機(jī)與WDW-E50D電子萬能實驗機(jī)，啟動微機(jī)控制程序，進(jìn)行聯(lián)機(jī)。
[0046] (5)把（3)中處理好的試件置于壓力機(jī)下承壓板2中心位置，并將上承壓板1下移 至剛好接觸試件3。
[0047] (6)在壓力機(jī)上、下承壓板1、2與試件3接觸表面各粘貼一張白紙，將承壓板表面 完全覆蓋。
[0048] (7)在距試件中心軸線4前方L處放置三角架5,在上面安置相機(jī)6。距尚L以相 機(jī)視角將整個試件居于視野中心而定，每次進(jìn)行精確測量，以消除系統(tǒng)誤差。
[0049] (8)調(diào)節(jié)相機(jī)焦距，使整個試件居于視野中心；調(diào)節(jié)光線，使試件與背景色對比鮮 明。
[0050] (9)拍攝實驗前試件初始圖像，以標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)。
[0051] (10)開始實驗，對試件進(jìn)行加壓，同時利用遙控控制相機(jī)6對壓縮試件3進(jìn)行連續(xù) 拍照，至試件出現(xiàn)剪切破壞，停止實驗。
[0052] 本發(fā)明的數(shù)字圖像測量方法實施例如圖3所示，包括以下步驟：
[0053] 步驟1、運行編譯程序，新建各工作文件夾，用以存儲源文件及生成的數(shù)據(jù)庫文件。
[0054] 步驟2、添加試件詳細(xì)信息，導(dǎo)入試件未壓縮前的初始圖像文件。
[0055] 步驟3、依次進(jìn)行圖像灰度化，圖像二值化，試件邊緣識別，得到試件橫、縱向占據(jù) 像素數(shù)目之后，對當(dāng)前像素當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定，存儲當(dāng)量值，并計算當(dāng)前變形量。
[0056] 步驟4、對采集圖像繼續(xù)進(jìn)行測定，按下"運行"按鈕，程序可自動采集剩余圖像，并 按照步驟3圖像處理的次序自動處理載入圖像，得到各個圖像對應(yīng)下的系列變形值，直至 結(jié)束當(dāng)前實驗。
[0057] 步驟5、依據(jù)圖像信息所得的橫、縱向變形值，利用線性插值法與萬能壓力機(jī)所得 的縱向變形值進(jìn)行融合，并利用建立的函數(shù)關(guān)系，反推得到圖像中試件壓縮狀態(tài)下的試驗 力。
[0058] 步驟6、綜合以上處理數(shù)據(jù)，繪制壓縮試件全應(yīng)力應(yīng)變曲線，生成工作報表，結(jié)束實 驗。
[0059] 任何連續(xù)物體的形變，實際上皆表現(xiàn)為物體邊緣位置的變化，因此，利用數(shù)字圖像 原理測量試件微小變形的實質(zhì)即為確定試件變形前后邊緣位置的變化幅度。本發(fā)明測量方 法實施過程中，將拍攝的彩色圖像進(jìn)行了灰度化與二值化處理，效果圖如圖2所示，其中1 為拍攝圖像背景，2為處理后試件，據(jù)此可知，試件邊緣的確定原則可歸結(jié)為二值化圖像中 黑白像素的分界，利用圖像處理的方法找出此轉(zhuǎn)折點，即找出試件對應(yīng)邊緣位置，前后邊緣 位置的變動相差即得變形量。
[0060] 根據(jù)物體成像原理，當(dāng)從某側(cè)看向試件時，其實際弦長與實際高度已經(jīng)發(fā)生變化， 同時，由于其他一些透光及反光因素的干擾，致使物體成像會出現(xiàn)視覺誤差，這些均屬系統(tǒng) 誤差，實際操作中，我們是以實際測得的柱體寬度與高度像素進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定，從而可 以消除此些系統(tǒng)誤差。同時，我們以常規(guī)測量儀器及數(shù)字圖像的原理對壓縮試件的變形量 進(jìn)行測定，并對其中的最大值作了精度分析，采用本發(fā)明數(shù)字圖像測量技術(shù)，膏體材料的應(yīng) 變測量精度誤差在1. 31 %?2. 53 %之間，小于5 %，從而滿足精確測量的目的。
【權(quán)利要求】
1. 一種測量土工材料微小變形的方法，其特征在于：本測量方法為非接觸式測量，用 以實現(xiàn)土工試件橫、縱向微小變形的非接觸同步直接測量，同時對試件是否飽和亦沒有要 求，其步驟包括： 1) 圖像采集 (1) 制備實驗試件，試件組成無要求；試件形狀要求為圓柱形，尺寸大小為50mm(直 徑）X 100mm (高度）。 (2) 將（1)中制備試件置于YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕（溫度為20°C，濕度為95% )養(yǎng)護(hù) 箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間分8小時、1天、3天、7天4個齡期。 (3) 把試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后用墨汁涂抹于整個表面，對其進(jìn)行黑化處理。 (4) 啟動微型計算機(jī)與WDW-E50D電子萬能實驗機(jī)，啟動微機(jī)控制程序，進(jìn)行聯(lián)機(jī)。 (5) 把（3)中處理好的試件置于壓力機(jī)下承壓板中心位置，并將上承壓板下移至剛好 接觸試件。 (6) 在壓力機(jī)上、下承壓板與試件接觸表面各粘貼一張白紙，將承壓板表面完全覆蓋。 (7) 在距試件中心軸線前方L處放置三角架，放置相機(jī)。距離L以相機(jī)視野將整個試件 居于圖像正中為原則，每次進(jìn)行精確測量，用以消除系統(tǒng)誤差。 (8) 調(diào)節(jié)相機(jī)焦距，使整個試件居于視野中心；調(diào)節(jié)光線，使試件與背景色對比鮮明。 (9) 實驗前拍攝試件初始圖像，用以標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)。 (10) 開始實驗，對試件進(jìn)行加壓，同時利用相機(jī)遙控器控制相機(jī)對壓縮試件進(jìn)行連續(xù) 拍照，至試件出現(xiàn)剪切破壞，停止實驗。 2) 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定 (1) 運行變形測量程序，生成實驗文件夾，用以放置原始及數(shù)據(jù)文件。 (2) 將拍攝實驗圖像移至"測試圖像"文件夾，手動調(diào)入試件初始圖像，在對其處理時， 默認(rèn)坐標(biāo)原點位于圖像左上角。 (3) 對導(dǎo)入圖像分別進(jìn)行圖像灰度化與二值化處理，此時除試件范圍變?yōu)楹谏?，其余?分皆為白色。 (4) 由圖像坐標(biāo)原點開始，先自左至右檢測當(dāng)前像素值及相鄰下一像素值，再自上而下 檢測當(dāng)前像素值及相鄰下一像素值。 (5) 前后像素值不同時，程序即開始自動計數(shù)，直至下次像素值不同時停止計數(shù)，此時 即得到試件范圍內(nèi)占據(jù)的像素數(shù)目，即橫向與縱向黑色像素數(shù)目。 (6) 已知試件寬度與高度，且通過（5)中得到的橫向與縱向黑色像素數(shù)目，即可對當(dāng)前 像素當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定。 艮P:橫向像素當(dāng)量Ka =試件橫向?qū)嶋H弦長/(右邊緣坐標(biāo)-左邊緣坐標(biāo)） 縱向像素當(dāng)量Kb =試件縱向?qū)嶋H高度/(下邊緣坐標(biāo)-上邊緣坐標(biāo)） 3) 變形測定 繼續(xù)運行程序，按照2)中（3)?（5)的順序處理剩余圖像，獲得試件壓縮過程任一時 刻占據(jù)的橫、縱向黑色像素數(shù)目m、n，通過2)已知橫、縱向像素當(dāng)量分別為Ka、Kb，則試件變 形參數(shù)可以通過以下計算求得。 艮P :試件橫向?qū)嶋H弦長：D' = mXKa 試件縱向?qū)嶋H高度：H' = nXKb。
【文檔編號】G01B11/16GK104142268SQ201310177188
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月9日
【發(fā)明者】李學(xué)華, 姚強(qiáng)嶺, 何利輝 申請人:李學(xué)華, 何利輝, 姚強(qiáng)嶺