專利名稱：離心模型3d光學位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于對土工離心試驗中模型的位移進行測量的裝置。
背景技術：
在許多工程科學中，常常需要用小比尺的物理模型去揭示和分析現(xiàn)象的本質和機理，以驗證和解決工程實際問題。例如，在巖土工程中，土的自重應力通常占支配地位，土的力學特性和水力特性隨應力水平而變化。利用小比尺離心模型的試驗，可以采用與原型相同的材料，在離心試驗機形成的高加速度場中達到與原型相同的應力水平，從而使模型與原型的應力應變相等，變形相似，破壞機理相同，能夠再現(xiàn)原型特性，為理論和數(shù)值等分析方法提供真實可靠的參數(shù)依據(jù)。在離心模型試驗中，模型的位移和變形的測量一般分為2類，一類是點測量，一類是面測量。傳統(tǒng)的位移測量方法，需要在模型上布放傳感器或者標志物等測量輔助物品。這些方法普遍存在工作量大、測量精度低、測量點有限、測量輔助物品對模型干擾大等缺陷。而且，由于試驗前很難準確確定離心模型發(fā)生較大變形或者發(fā)生應變局部區(qū)域的具體準確位置，因此，這些通過事先確定測量點來測量位移的方法就不能很好的滿足研究離心模型變形或者應變局部化等問題的具體要求。為克服已有方法的缺點，新的用于離心場環(huán)境中的位移測量方法得到了廣泛的探索和研究。其中基于數(shù)字圖像的位移測量技術因其無需對模型增加應變片等測量輔助物品，從而不會導致干擾等優(yōu)點已在離心模型試驗中得到了一定的研究，例如，《巖土工程學報》2007年I月第I期中張嘎、牟太平、張建民發(fā)表的“基于圖像分析的土坡離心模型試驗變形場測量”，以及《巖石力學與工程學報》2010年9月第29卷增2中張敏、吳宏偉發(fā)表的“顆粒圖像測速技術在離心試驗變形分析中的應用”等文章所記錄的用于離心試驗中的位移測量方法，均提及使用非接觸式光學位移測量方法對離心模型進行位移測量。在已有的利用非接觸式光學位移測量方法對離心模型進行位移測量的裝置或方法的研究中，均只提供了測量模型側面的二維變形的方法，也即是，使用側面采用透明材質的模型箱，將圖像采集設備固定在模型箱透明側壁的外側，從而可以用非接觸式光學位移測量方法對所述離心模型的側面在貼合于模型箱側壁的平面上的二維位移進行測量。但是，這些非接觸式光學位移測量方法并不能對所述離心模型的側面在垂直于所述模型箱側壁的方向上的位移進行測量，也即是，已有的利用非接觸式光學位移測量方法對離心模型進行位移測量的裝置或方法的研究中，不能提供對于離心模型進行3D方向，即三維方向的位移測量。在離心試驗中，模型頂部的三維位移數(shù)據(jù)(及水平方向和垂直方向位移數(shù)據(jù))是離心試驗中需要采集的重要數(shù)據(jù)之一，雖然市場上現(xiàn)在已經(jīng)有了應用于汽車制造、鈑金成形等領域的能夠測量被測物的三維變形的非接觸式光學位移測量設備，例如，美國CSI公司(Correlated Solutions, Inc.)提供的Vic_3D非接觸應變測量系統(tǒng)就可以提供三維空間內(nèi)的位移、應變數(shù)據(jù)測量，但由于非接觸式光學位移測量方法對于圖像采集設備(例如照相機、攝像機)有著嚴格的位置固定要求，而當其用于離心試驗環(huán)境，對離心模型頂面數(shù)據(jù)進行圖像采集時，由于圖像采集設備與離心模型頂面在離心試驗過程中均會產(chǎn)生位移，因此，現(xiàn)在并沒有很好的方法在所述圖像采集設備與所述離心模型頂面均產(chǎn)生位移時進行測量，也就是現(xiàn)在還不能利用非接觸式光學位移測量方法，特別是用于測量三維位移的3D光學位移測量方法從離心模型上部對模型進行三維位移測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，該設備可減少或避免前面所提到的問題。為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其用于在離心試驗中對土工模型頂面的三維位移進行測量，其包括一個用于裝載所述土工模型并放置于離心機吊籃中的長方體結構的模型箱，所述模型箱頂部固定連接有一根支撐梁，所述支撐梁固定連接有三根安裝桿，在所述安裝桿上均連接有攝像頭，所述模型箱內(nèi)進一步固定有用于照明的光源；所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機吊籃內(nèi)與所述攝像頭連接的影像采集設備，所述影像采集設備包括一個分別與所述攝像頭連接的信號接收器，一個與所述信號接收器連接的處理器，一個與所述處理器連接的存儲卡，一個與所述處理器連接的第一無線模塊；所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機外的控制設備，所述控制設備包括一個用于與所述第一無線模塊建立通訊連接的第二無線模塊以及一個與所述第二無線模塊連接的控制主機。優(yōu)選地，所述支撐梁端面邊沿與所述模型箱邊沿均設置有用于校準所述支撐梁安裝位置的刻度標尺。優(yōu)選地，所述光源為與所述攝像頭一體設置的LED燈。優(yōu)選地，所述支撐梁與所述安裝桿均為中空“ 口 ”型結構桿件。優(yōu)選地，所述模型箱長寬高分別為120Cm、80Cm、90Cm。優(yōu)選地，所述模型箱內(nèi)的底面和四壁均設置有間隔1_的水平和垂直標志線。優(yōu)選地，所述模型箱與所述支撐梁通過螺栓連接。優(yōu)選地，所述安裝桿固定連接在所述支撐梁的四等分位置，所述攝像頭為5000萬
像素攝像頭。優(yōu)選地，所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的使用步驟如下，步驟A，在放置所述土工模型進行離心試驗前，在所述模型箱底部平鋪放置設置有1_X Imm方格的方格紙,使離心機過載從靜止至250g,以IOg為間隔,分別在各個間隔的過載下穩(wěn)定運行3-5分鐘，在每個穩(wěn)定運行的過載下，通過所述控制設備記錄所述三個攝像頭的影像，從而由所述控制設備計算出在每個穩(wěn)定運行的過載下通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量時，所述方格紙上每個交叉點的偏移值；步驟B，通過計算機根據(jù)步驟A所計算出所述偏移值，擬合得出每個間隔過載時，在所述模型箱水平截面上每個點的偏移值所形成的曲面圖；從而進一步擬合得出在所述模型箱水平截面上每個點在不同過載時的偏移值曲線；步驟C，在所述模型箱內(nèi)放置所述土工模型，當在離心試驗中對所述土工模型頂面進行位移測量時，將所述土工模型頂面劃分為水平面投影大小為ImmXlmm的多個區(qū)域，在不同過載條件下，通過所述控制設備根據(jù)所述三個攝像頭的影像采集的影像計算出所述土工模型頂面的每個所述區(qū)域位移量，然后根據(jù)不同過載條件下，所述區(qū)域在水平面投影的位置，將所述區(qū)域至少四個端點的位移值減去根據(jù)步驟B所得出的每個點的偏移值所得出的所述區(qū)域的偏移值，即得出每個所述區(qū)域的真實位移，從而得出所述土工模型頂面的真實位移。優(yōu)選地，當使用的所述模型箱內(nèi)的底面和四壁均設置有間隔1_的水平和垂直標志線時，所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的使用步驟如下，步驟A，在放置所述土工模型進行離心試驗前，使離心機過載從靜止至250g，以IOg為間隔，分別在各個間隔的過載下穩(wěn)定運行3-5分鐘，在每個穩(wěn)定運行的過載下，通過所述控制設備記錄所述三個攝像頭的影像，從而由所述控制設備計算出在每個穩(wěn)定運行的過載下通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量時，所述模型箱內(nèi)底面的每個標志線交叉點的偏移值；步驟B，通過計算機根據(jù)步驟A所計算出所述偏移值，擬合得出每個間隔過載時，在所述模型箱水平截面上每個點的偏移值所形成的曲面圖；從而進一步擬合得出在所述模型箱水平截面上每個點在不同過載時的偏移值曲線；步驟C，在所述模型箱內(nèi)放置所述土工模型，當在離心試驗中對所述土工模型頂面進行位移測量時，將所述土工模型頂面劃分為水平面投影大小為ImmXlmm的多個區(qū)域，在不同過載條件下，通過所述控制設備根據(jù)所述三個攝像頭的影像采集的影像計算出所述土工模型頂面的每個所述區(qū)域位移量，然后根據(jù)不同過載條件下，所述區(qū)域在水平面投影的位置，將所述區(qū)域至少四個端點的位移值減去根據(jù)步驟B所得出的每個點的偏移值所得出的所述區(qū)域的偏移值，即得出每個所述區(qū)域的真實位移，從而得出所述土工模型頂面的真實位移。本發(fā)明所提供的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，用于在離心試驗中對模型頂面的三維位移進行測量，其通過預先對圖像采集設備進行校準，采集并計算不同過載條件下，圖像采集設備自身的位移偏差。從而使得在對離心試驗中模型頂面位移進行測量時，在測量結果中去除偏差部分，即可得到模型頂面的真實三維位移數(shù)據(jù)。本發(fā)明所提供的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，解決了在離心試驗中利用非接觸式光學位移測量方法，特別是3D光學位移測量方法從模型上部對模型頂面進行三維位移測量的問題。


以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中，圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的模型箱的結構不意圖；圖2為圖1所示的A部局部放大示意圖；圖3為在圖1所示的模型箱底部平鋪放置的設置有1_X Imm方格的方格紙示意圖；圖4為在離心機穩(wěn)定運行的過載下，由所述控制設備通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量計算時，圖3所示的方格紙上每個交叉點的偏移值所形成的曲面示意圖；圖5為圖3所示的方格紙上的交叉點在不同過載條件下的偏移值曲線示意圖。
具體實施例方式為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照

本發(fā)明的具體實施方式
。其中，相同的部件采用相同的標號。下面參照附圖詳細說明根據(jù)本發(fā)明的一種離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的結構及其原理。為了便于展現(xiàn)離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的結構及其在離心機運行過程中位移測量的矯正原理，在附圖中使用了三軸垂直坐標系作為參考，其中，X軸為長方體結構的模型箱的窄邊方向，y軸為長方體結構的模型箱的長邊方向，Z軸為長方體結構的模型箱的高度方向。圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的模型箱的結構示意圖；參見圖1所示，本發(fā)明所提供的一種離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其用于在離心試驗中對土工模型(圖中未示出)頂面的三維位移進行測量，其包括一個用于裝載所述土工模型并放置于離心機吊籃(圖中未示出)中的長方體結構的模型箱1，所述模型箱I頂部固定連接有一根支撐梁2，所述支撐梁2固定連接有三根安裝桿3，在所述安裝桿3上均連接有攝像頭(圖中未示出)，所述模型箱I內(nèi)進一步固定有用于照明的光源；所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機吊籃內(nèi)與所述攝像頭連接的影像采集設備(圖中未示出)，所述影像采集設備包括一個分別與所述攝像頭連接的信號接收器，一個與所述信號接收器連接的處理器，一個與所述處理器連接的存儲卡，一個與所述處理器連接的第一無線模塊，所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機外的控制設備，所述控制設備包括一個用于與所述第一無線模塊建立通訊連接的第二無線模塊以及一個與所述第二無線模塊連接的控制主機。在每個所述安裝桿3上至少安裝有一個攝像頭，所述攝像頭可以安裝在所述安裝桿3的頂端，這樣能夠保障所述攝像頭在對所述土工模型進行攝像時，不會被所述安裝桿3遮擋。所述支撐梁2可以靈活的設置在待測的所述土工模型正上方，所述安裝桿3可以通過螺栓和L型耳片固定在所述支撐梁2上，所述L型耳片的兩邊分別貼合在所述支撐梁2和所述安裝桿3上，然后通過螺栓進行固定，這樣就可以方便對所述攝影頭進行安裝定位，同時便于使得所述攝像頭能夠對所述土工模型頂部進行影像采集。可以使至少一個所述攝像頭用于對所述模型箱進行全景影像采集，這樣就能夠利用所述模型箱底面四角進行參考比對來對所述土工模型進行水平面位置的參考定位，也即是說，利用所述攝像頭采集到的全景影像中，所述模型箱底面四角的位置，可以對三個所述攝像頭所采集到的影像中的所述土工模型的上表面在水平面上的位置進行參考定位。所述影像采集設備設置在所述離心機吊籃內(nèi)，也就是說，其可以固定在所述模型箱I外側，這樣就可以避免所述影像采集設備設置在所述模型箱I內(nèi)部時可能對所述攝像頭的影像采集視野造成的遮擋。當所述測量系統(tǒng)進行工作時，所述信號接收器將從所述攝像頭采集的影像數(shù)據(jù)傳送至所述處理器，所述處理器根據(jù)影像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大小決定是否需要進行緩存，如果數(shù)據(jù)量不大，可以通過所述第一無線模塊直接將影像數(shù)據(jù)傳送至離心機外的所述控制設備，如果數(shù)據(jù)量大于所述第一無線模塊的傳輸速率，則可以先在所述存儲卡進行緩存，在所述第一無線模塊空閑時再進行數(shù)據(jù)發(fā)送。所述存儲卡可以是市售的大容量存儲卡，比如32G或64G的TF卡、CF卡等，這樣就可以避免使用傳統(tǒng)機械硬盤時，在高過載離心環(huán)境可能會出現(xiàn)的硬盤不工作的問題。所述第一無線模塊、所述第二無線模塊均可以使用市售標準wifi網(wǎng)卡，例如802.1ln網(wǎng)卡，或者RFID模塊，甚至可以采用3G網(wǎng)卡等，這樣就可以使得所述離心機外的所述控制設備與影像采集設備之間可以通過無線連接的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，從而避免了在離心機內(nèi)進行布線，也就能簡化離心試驗環(huán)境的線纜鋪設工作。所述控制主機可以安裝有市售的非接觸式光學位移測量軟件，例如美國CSI公司(Correlated Solutions, Inc.)提供的Vic_3D非接觸應變測量系統(tǒng)中的影像分析軟件,這樣，所述控制主機就可以通過3個所述攝像頭采集的影像進行所述土工模型頂部位移的計算。所述光源可以是I個也可以是多個，其安裝位置可以安裝在所述模型箱I的頂部四角或者安裝在所述支撐梁2上，這樣就可以滿足對所述模型箱I內(nèi)的照明要求。圖2為圖1所示的A部局部放大示意圖；參見圖2所示,在一個優(yōu)選實施例中，所述支撐梁2端面邊沿與所述模型箱I邊沿均設置有用于校準所述支撐梁2安裝位置的刻度標尺。這樣，在每次放置所述土工模型進所述模型箱I后，安裝固定所述支撐梁2時，可以方便的校準所述支撐梁2的安裝位置，以確保在多次離心試驗過程中，所述支撐梁2均安裝在相同位置，也就能夠確保在多次離心試驗過程中，所述攝像頭均能放置在相同位置。在一個優(yōu)選實施例中，所述光源為與攝像頭一體設置的LED燈。與攝像頭一體設置的LED燈為所述模型箱I內(nèi)的環(huán)境提供光源，這樣避免了單獨在所示模型箱I內(nèi)設置光源可能帶來的布線 復雜性增加和對攝像區(qū)域照明度不足的隱患。參見圖2所示，在一個優(yōu)選實施例中，所述支撐梁2與所述安裝桿3均為中空“口”型結構桿件。這樣可以使得所述支撐梁與所述安裝桿在保障結構強度的同時，減輕重量，節(jié)約材料成本。而且中空“ 口”型結構桿件還可以降低加工螺栓安裝孔的加工難度，在使用螺栓對所述支撐梁2和/或所述安裝桿3進行安裝時更加方便。所述支撐梁2與所述安裝桿3均可以由高強度碳鋼制成。例如由T9、T10、T11等型號碳鋼制成，這樣使得所述支撐梁具有較高的硬度、剛度，有利于在離心機運行過程中，降低所述支撐梁2和所述安裝桿3自身產(chǎn)生較大的變形對所述攝像頭的影響。例如，當所述支撐梁2與所述安裝桿3選用Tll型號碳鋼制造，所述支撐梁2與所述安裝桿3采用的中空“口 ”型結構桿件的壁厚均大于8mm時，在離心機運行在IOOg的過載下，所述攝像頭的水平位移小于0.06_，這樣就非常有利于所述控制設備對所述攝像頭采集的所述土工模型的影像進行處理。在一個優(yōu)選實施例中，所述模型箱I長L、寬W、高H分別為120cm、80cm、90cm。這樣就可以滿足高過載大比例土工離心試驗所需的所述土工模型的布放空間要求。例如，可以對長寬高分別為100Cm、80Cm、50Cm的土工模型進行有效影像采集。在一個優(yōu)選實施例中，所述模型箱I內(nèi)的底面和四壁均設置有間隔1_的水平和垂直標志線，所述模型箱I內(nèi)的底面設置有相互垂直并分別與底面長短邊平行的間隔1_的水平標志線，所述模型箱I內(nèi)四壁設置有間隔1_的水平標志線以及與這些水平標志線垂直的間隔Imm的垂直標志線。利用這些標志線，所述控制主機可以很容易的通過所述攝像頭采集的影像中的這些標志線作為參照來判斷所述土工模型的頂面的不同區(qū)域在水平面上的投影位置。也即是所述土工模型的頂面的不同區(qū)域所處的X軸和y軸的坐標位置。在一個優(yōu)選實施例中，所述模型箱I與所述支撐梁2通過螺栓連接。這樣可以方便的調整所述支撐梁2在所述土工模型頂部的位置。在一個優(yōu)選實施例中，所述安裝桿3固定在所述支撐梁I的四等分位置，所述攝像頭為5000萬像素攝像頭。所述攝像頭可以采用5000萬像素以上的攝像頭，這樣，當所述安裝桿3均勻分布在所示支撐梁I上，也就使得三個所述攝像頭能均勻分布在所述支撐梁I上，即在所述支撐梁I中心安裝有一根所述安裝桿3，在所述支撐梁I兩側四分之一位置分別安裝有一根所述安裝桿3，也就意味著，在進行離心試驗時，所述攝像頭能夠均勻分布在所述土工模型頂部的上方，從而采集到能夠滿足市售的非接觸式光學位移測量軟件計算所需要的影像。5000萬像素的所述攝像頭可以采集高分辨率的影像用于所述控制主機進行精確分析。圖3為在圖1所示的模型箱底部平鋪放置的設置有1_X Imm方格的方格紙示意圖；圖4為在離心機穩(wěn)定運行的過載下，由所述控制設備通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量計算時，圖3所示的方格紙上每個交叉點的偏移值所形成的曲面示意圖；圖5為圖3所示的方格紙上的交叉點在不同過載條件下的偏移值曲線示意圖。參見圖3-5所示，為了消除采集影像的所述攝像頭在離心機高過載運行時由于自身位置不能保持固定所帶來的對市售的非接觸式光學位移測量軟件計算的影響，所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)的使用步驟如下，步驟A，在放置所述土工模型進行離心試驗前，在所述模型箱底部平鋪放置設置有1_X Imm方格的方格紙,使離心機過載從靜止至250g,以IOg為間隔,分別在各個間隔的過載下穩(wěn)定運行3-5分鐘，在每個穩(wěn)定運行的過載下，通過所述控制設備記錄所述三個攝像頭的影像，從而由所述控制設備計算出在每個穩(wěn)定運行的過載下通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量時，所述方格紙上每個交叉點P的偏移值；如圖3所示，由于所述方格紙平鋪放置在所述模型箱I底部，因此，不管離心機運行的過載有多大，所述方格紙上每個交叉點P都不會產(chǎn)生實際位移。但由于在離心機運行時存在著過載，設置在所述土工模型頂部的所述支撐梁1、所述安裝桿2以及所述攝像頭都會產(chǎn)生形變，因此，當離心機運行時，使用市售的非接觸式光學位移測量軟件對通過所述攝像頭采集到的影像進行計算時，所述方格紙上每個交叉點P就會產(chǎn)生偏移，為了能夠對這個偏移進行定量分析，可以使離心機過載從靜止至250g，以IOg為間隔，分別在各個間隔的過載下穩(wěn)定運行3-5分鐘，這樣就可以得到除靜止狀態(tài)下，在25個穩(wěn)定運行的過載下，當所述攝像頭穩(wěn)定時，使用市售的非接觸式光學位移測量軟件對通過所述攝像頭采集到的影像進行計算所產(chǎn)生的偏移。如圖4所示,在圖中,虛線交叉處的P點表示的是所述方格紙上每個交叉點P的真實位置，實線交叉處的P’點表示的是在離心機穩(wěn)定運行的過載下使用市售的非接觸式光學位移測量軟件對通過所述攝像頭采集到的影像進行計算得出的所述虛線交叉處的P點的計算位置，也就是說，對于每一個實際位置點P (x，y，z)，在不同的過載下，使用市售的非接觸式光學位移測量軟件對通過所述攝像頭采集到的影像進行計算均會得出一個計算位置P’(x’，y’，z’)。這個P’(x’，y’，z’)與P (x，y，z)的差值，也就是在該離心機穩(wěn)定運行的過載下，所述控制設備計算出的在通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量時，所述方格紙上每個交叉點P的偏移值；步驟B，通過計算機根據(jù)步驟A所計算出所述偏移值，擬合得出每個間隔過載時，在所述模型箱I水平截面上每個點的偏移值所形成的曲面圖；從而可以進一步擬合得出在所述模型箱I水平截面上每個點在不同過載條件下的偏移值曲線；根據(jù)步驟A，可以得出在每個穩(wěn)定運行的間隔過載下的所述方格紙上每個交叉點P的偏移值，這樣，通過計算機就可以擬合得出每個間隔過載時，如圖4所示的在所述模型箱I水平截面上每個點的偏移值所形成的曲面圖；進一步的，也就可以通過計算機擬合得出如圖5所示的在所述模型箱I水平截面上每個點在不同過載條件下的偏移值曲線，也就是P U，y，z)與不同g值的關系曲線P (g)。圖5中為了清楚表示，使用虛線標示了所述關系曲線P (g)的兩個端點在三軸垂直坐標系上的對應的投影位置。步驟C，在所述模型箱I內(nèi)放置所述土工模型，當在離心試驗中對所述土工模型頂面進行位移測量時，將所述土工模型頂面劃分為水平面投影大小為ImmX Imm的多個區(qū)域，在不同過載條件下，通過所述控制設備根據(jù)所述三個攝像頭的影像采集的影像計算出所述土工模型頂面的每個所述區(qū)域位移量，然后根據(jù)不同過載條件下，所述區(qū)域在水平面投影的位置，將所述區(qū)域至少四個端點的位移值減去根據(jù)步驟B所得出的每個點的偏移值所得出的所述區(qū)域的偏移值，即得出每個所述區(qū)域的真實位移，從而得出所述土工模型頂面的真實位移。將步驟B所擬合出的曲面數(shù)據(jù)和曲線數(shù)據(jù)存儲在所述控制設備中，當在離心試驗中對所述土工模型頂面進行位移測量時，可以將模型頂面劃分為水平面投影大小為ImmX Imm的多個區(qū)域,在不同的試驗過載下,在所述控制設備可使用市售的非接觸式光學位移測量軟件對通過所述三個攝像頭采集到的影像進行計算，得到每個所述區(qū)域的位移量，之后可以在所述控制設備上，對于模型頂面的每個所述區(qū)域，根據(jù)其在當前試驗過載下，在所述攝像頭采集的影像中所得出的其在所述模型箱I水平面的對應位置(該對應位置可以由所述三個攝像頭的影像數(shù)據(jù)直接通過市售的非接觸式光學位移測量軟件測算出來)，經(jīng)由所存儲的步驟B所擬合出的曲面數(shù)據(jù)和曲線數(shù)據(jù)，計算出該區(qū)域在試驗過載下的偏移值，將市售的非接觸式光學位移測量軟件計算得出的位移值減去上述偏移值，即可得出該區(qū)域的真實位移，得出所述土工模型頂面的真實位移，這樣就可以實現(xiàn)在離心試驗中對模型頂面位移進行測量。例如，在離心機開始運行前，將土工模型放置在所述攝像頭正下方，所述控制設備可以經(jīng)由所述攝像頭采集的所述土工模型的影像得出所述土工模型頂面的三維位置，在所述土工模型上可以使用噴灑不同顏色的顏料等方法，在所述土工模型頂面劃分多個在水平面投影為1_X Imm的區(qū)域，所述控制設備記錄下每個所述區(qū)域的位置，當離心機運行到IOg時，所述區(qū)域產(chǎn)生變形，例如，某個在離心機運行前的ImmX Imm的區(qū)域,可能會在離心機運行到IOg時變成在水平面投影為2_X2_的區(qū)域,對于變形后的該區(qū)域，根據(jù)其至少四個端點，即該2_X2mm的區(qū)域的四個端點在水平投影上的位置，利用步驟B所得的離心機在IOg過載下運行時的曲面圖，可以得出上述四個端點的偏移值，將由所述控制設備利用市售的非接觸式光學位移測量軟件測算出來上述四個端點的位移值分別減去上述四個端點的偏移值，即可得出上述四個端點的真實位移，從而可以得出該區(qū)域的真實位移，該區(qū)域的真實位移可以利用上述四個端點之間的線性連線得出。在一個優(yōu)選實施例中，當所述模型箱I內(nèi)的底面和四壁均設置有間隔Imm的水平和垂直標志線，即所述模型箱I內(nèi)的底面設置有相互垂直并分別與底面長短邊平行的間隔Imm的水平標志線，所述模型箱I內(nèi)四壁設置有間隔1_的水平標志線以及與這些水平標志線垂直的間隔Imm的垂直標志線。利用這些標志線，所述控制主機可以很容易的通過所述攝像頭采集的影像中的這些標志線作為參照來判斷所述土工模型的頂面的不同區(qū)域在水平面上的投影位置。也即是所述土工模型的頂面的不同區(qū)域所處的X軸和y軸的坐標位置。這樣在前述的步驟A中，就不需要再額外使用設置有1_X1_方格的方格紙進行校準，而可以直接利用所述模型箱I底面的每個標志線交叉點校準即可，而且在步驟C中，利用這些標志線，可以更方便的幫助市售的非接觸式光學位移測量軟件利用所述攝像頭采集的影像進行所述土工模型頂面的各個區(qū)域的水平投影位置確定，從而可以方便校準數(shù)據(jù)的計算。本發(fā)明所提供的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，用于在離心試驗中對模型頂面的三維位移進行測量，其通過預先對圖像采集設備進行校準，采集并計算不同過載條件下，圖像采集設備自身的位移偏差。從而使得在對離心試驗中模型頂面位移進行測量時，在測量結果中去除偏差部分，即可得到模型頂面的真實三維位移數(shù)據(jù)。本發(fā)明所提供的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，解決了在離心試驗中利用非接觸式光學位移測量方法，特別是3D光學位移測量方法從模型上部對模型頂面進行三維位移測量的問題。本領域技術人員應當理解，雖然本發(fā)明是按照多個實施例的方式進行描述的，但是并非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案。說明書中如此敘述僅僅是為了清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體加以理解，并將各實施例中所涉及的技術方案看作是可以相互組合成不同實施例的方式來理解本發(fā)明的保護范圍。以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實施方式
，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1.一種離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其用于在離心試驗中對土工模型頂面的三維位移進行測量，其特征在于，其包括一個用于裝載所述土工模型并放置于離心機吊籃中的長方體結構的模型箱，所述模型箱頂部固定連接有一根支撐梁，所述支撐梁固定連接有三根安裝桿，在所述安裝桿上均連接有攝像頭，所述模型箱內(nèi)進一步固定有用于照明的光源； 所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機吊籃內(nèi)與所述攝像頭連接的影像采集設備，所述影像采集設備包括一個分別與所述攝像頭連接的信號接收器，一個與所述信號接收器連接的處理器，一個與所述處理器連接的存儲卡，一個與所述處理器連接的第一無線模塊； 所述離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機外的控制設備，所述控制設備包括一個用于與所述第一無線模塊建立通訊連接的第二無線模塊以及一個與所述第二無線模塊連接的控制主機。
2.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐梁端面邊沿與所述模型箱邊沿均設置有用于校準所述支撐梁安裝位置的刻度標尺。
3.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為與所述攝像頭一體設置的LED燈。
4.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐梁與所述安裝桿均為中空“口”型 結構桿件。
5.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述模型箱長寬高分別為 120cm、80cm、90cm。
6.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述模型箱內(nèi)的底面和四壁均設置有間隔Imm的水平和垂直標志線。
7.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述模型箱與所述支撐梁通過螺栓連接。
8.根據(jù)權利要求1所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述安裝桿固定連接在所述支撐梁的四等分位置，所述攝像頭為5000萬像素攝像頭。
9.根據(jù)權利要求1-5、7-8之一所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，其使用步驟如下， 步驟A，在放置所述土工模型進行離心試驗前，在所述模型箱底部平鋪放置設置有1_X Imm方格的方格紙,使離心機過載從靜止至250g,以IOg為間隔,分別在各個間隔的過載下穩(wěn)定運行3-5分鐘，在每個穩(wěn)定運行的過載下，通過所述控制設備記錄所述三個攝像頭的影像，從而由所述控制設備計算出在每個穩(wěn)定運行的過載下通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量時，所述方格紙上每個交叉點的偏移值； 步驟B，通過計算機根據(jù)步驟A所計算出所述偏移值，擬合得出每個間隔過載時，在所述模型箱水平截面上每個點的偏移值所形成的曲面圖；從而進一步擬合得出在所述模型箱水平截面上每個點在不同過載時的偏移值曲線； 步驟C，在所述模型箱內(nèi)放置所述土工模型，當在離心試驗中對所述土工模型頂面進行位移測量時，將所述土工模型頂面劃分為水平面投影大小為ImmXlmm的多個區(qū)域，在不同過載條件下，通過所述控制設備根據(jù)所述三個攝像頭的影像采集的影像計算出所述土工模型頂面的每個所述區(qū)域位移量，然后根據(jù)不同過載條件下，所述區(qū)域在水平面投影的位置，將所述區(qū)域至少四個端點的位移值減去根據(jù)步驟B所得出的每個點的偏移值所得出的所述區(qū)域的偏移值，即得出每個所述區(qū)域的真實位移，從而得出所述土工模型頂面的真實位移。
10.根據(jù)權利要求6所述的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其特征在于，其使用步驟如下， 步驟A，在放置所述土工模型進行離心試驗前，使離心機過載從靜止至250g，以IOg為間隔，分別在各個間隔的過載下穩(wěn)定運行3-5分鐘，在每個穩(wěn)定運行的過載下，通過所述控制設備記錄所述三個攝像頭的影像，從而由所述控制設備計算出在每個穩(wěn)定運行的過載下通過所述三個攝像頭的影像進行3D位移測量時，所述模型箱底面的每個標志線交叉點的偏移值； 步驟B，通過計算機根據(jù)步驟A所計算出所述偏移值，擬合得出每個間隔過載時，在所述模型箱水平截面上每個點的偏移值所形成的曲面圖；從而進一步擬合得出在所述模型箱水平截面上每個點在不同過載條件下的偏移值曲線； 步驟C，在所述模型箱內(nèi)放置所述土工模型，當在離心試驗中對所述土工模型頂面進行位移測量時，將所述土工模型頂面劃分為水平面投影大小為ImmXlmm的多個區(qū)域，在不同過載條件下，通過所述控制設備根據(jù)所述三個攝像頭的影像采集的影像計算出所述土工模型頂面的每個所述區(qū)域位移量，然后根據(jù)不同過載條件下，所述區(qū)域在水平面投影的位置，將所述區(qū)域至少四 個端點的位移值減去根據(jù)步驟B所得出的每個點的偏移值所得出的所述區(qū)域的偏移值，即得出每個所述區(qū)域的真實位移，從而得出所述土工模型頂面的真實位移。
全文摘要
一種離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，其包括一個模型箱，所述模型箱頂部固定連接有一根支撐梁，所述支撐梁固定連接有三根安裝桿，在所述安裝桿上均連接有攝像頭，所述光學位移測量系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機吊籃內(nèi)與所述攝像頭連接的影像采集設備，所述影像采集設備包括一個第一無線模塊，所述系統(tǒng)進一步包括一個設置在所述離心機外的控制設備，所述控制設備包括一個用于與所述第一無線模塊建立通訊連接的第二無線模塊以及一個與所述第二無線模塊連接的控制主機。本發(fā)明所提供的離心模型3D光學位移測量系統(tǒng)，解決了在離心試驗中利用非接觸式光學位移測量方法，特別是3D光學位移測量方法從模型上部對模型進行三維位移測量的問題。
文檔編號G01B11/02GK103162632SQ20131009832
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權日2013年3月26日
發(fā)明者侯瑜京, 溫彥鋒, 張雪東 申請人:中國水利水電科學研究院