本發(fā)明涉及巖石力學(xué)和材料科學(xué)，具體為一種巖石裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及反演分析方法及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、在巖石力學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，研究材料力學(xué)性能和破壞行為的實(shí)驗(yàn)方法多種多樣，包括單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、劈裂實(shí)驗(yàn)和針入實(shí)驗(yàn)等，然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置主要依賴于機(jī)械加載和簡單的位移測量，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析裂紋的擴(kuò)展過程，這種限制導(dǎo)致對(duì)材料破壞機(jī)制的理解不足，且由于在不同環(huán)境條件下(如酸堿度和溫度)會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性和裂紋擴(kuò)展行為，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置難以模擬和控制這些復(fù)雜環(huán)境條件，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大的局限性，同時(shí)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種巖石裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及反演分析方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種巖石裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，包括防護(hù)殼體、調(diào)試監(jiān)測終端和自清潔輸液調(diào)節(jié)器，所述防護(hù)殼體頂部的中端固定安裝有液壓缸，所述液壓缸的輸出端螺紋連接有固定筒，所述固定筒的內(nèi)腔活動(dòng)連接有測試針桿，所述防護(hù)殼體右側(cè)的下端固定連接有儲(chǔ)液箱，所述儲(chǔ)液箱左側(cè)的下端通過管道固定安裝有輸送泵，所述防護(hù)殼體右側(cè)的中端固定安裝有電動(dòng)推桿，所述輸送泵的輸出端通過管道與電動(dòng)推桿的輸出端之間固定安裝有環(huán)形噴管，所述防護(hù)殼體底部的中端固定連接有循環(huán)箱，所述循環(huán)箱底部的左端固定安裝有制冷器，所述循環(huán)箱內(nèi)腔的中端固定安裝有ptc加熱器，所述循環(huán)箱外表面的頂部固定連接有支撐臺(tái)，所述支撐臺(tái)外表面的頂部固定連接有環(huán)形墊圈，所述支撐臺(tái)的上端通過軸承活動(dòng)連接有雙向螺桿，所述雙向螺桿的兩端均螺紋連接有移動(dòng)架，所述移動(dòng)架的表面活動(dòng)連接于支撐臺(tái)的表面，所述移動(dòng)架的上端固定連接有弧形夾板，所述防護(hù)殼體內(nèi)腔的兩端均固定安裝有第一滑軌，所述第一滑軌的表面活動(dòng)連接有第一滑塊，所述第一滑塊的數(shù)量為六個(gè)，兩個(gè)所述第一滑塊的表面之間固定安裝有第二滑軌，所述第二滑軌的數(shù)量為三個(gè)，所述第二滑軌的表面活動(dòng)連接有第二滑塊，所述第二滑塊的正表面固定安裝有綜合屏蔽箱，三個(gè)所述綜合屏蔽箱的內(nèi)腔由上至下依次固定安裝有激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器。

3、作為優(yōu)選方案，所述測試針桿的上端開設(shè)有環(huán)形鎖緊槽，所述固定筒右側(cè)的下端螺紋連接有鎖緊螺栓，所述鎖緊螺栓的左端活動(dòng)連接于環(huán)形鎖緊槽的右端。

4、作為優(yōu)選方案，所述循環(huán)箱的右側(cè)固定安裝有循環(huán)扇，所述循環(huán)扇的右側(cè)固定連接有防護(hù)網(wǎng)罩。

5、作為優(yōu)選方案，所述防護(hù)殼體的底部通過軸承活動(dòng)連接有剎車腳輪，所述剎車腳輪的數(shù)量為四個(gè)。

6、作為優(yōu)選方案，所述儲(chǔ)液箱的正表面固定連接有透明視液板，所述儲(chǔ)液箱的頂部固定連接有加注管，所述儲(chǔ)液箱包括玻璃鋼層與聚四氟乙烯層，且玻璃鋼層的內(nèi)表面固定連接于聚四氟乙烯層的外表面。

7、作為優(yōu)選方案，所述防護(hù)殼體外表面的左側(cè)固定連接有支撐板，所述調(diào)試監(jiān)測終端的底部固定安裝于支撐板的頂部，所述調(diào)試監(jiān)測終端正表面的右端由上至下依次固定安裝有中央控制器和儲(chǔ)存硬盤。

8、作為優(yōu)選方案，所述防護(hù)殼體外表面右側(cè)的上端固定連接有支撐框，所述自清潔輸液調(diào)節(jié)器的背面固定安裝于支撐框的正表面，所述自清潔輸液調(diào)節(jié)器的正表面由上至下依次固定安裝有顯示屏、堿液開關(guān)、酸液開關(guān)和自清潔開關(guān)。

9、作為優(yōu)選方案，所述防護(hù)殼體正表面的兩端均通過合頁活動(dòng)連接有防護(hù)門，所述防護(hù)門的表面固定連接有透明觀察板。

10、一種巖石裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的反演分析方法，該反演分析方法包括以下步驟：

11、a.首先，將采集的巖石樣本放置于環(huán)形墊圈的頂部，并通過操縱雙向螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而能夠帶動(dòng)兩組移動(dòng)架向相互靠近的一側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)架移動(dòng)能夠帶動(dòng)弧形夾板進(jìn)行移動(dòng)，而使弧形夾板能夠與巖石樣本的表面緊貼，從而達(dá)到了對(duì)巖石樣本進(jìn)行有效夾緊固定的效果，保證了巖石樣本放置的穩(wěn)定性；

12、b.其次，人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，對(duì)儲(chǔ)液箱內(nèi)部添加相應(yīng)的酸性溶液或者堿性溶液，并通過操控電動(dòng)推桿伸長能夠推動(dòng)環(huán)形噴管向左側(cè)進(jìn)行移動(dòng)，而使環(huán)形噴管能夠處于被固定巖石樣本的上方后，經(jīng)過自清潔輸液調(diào)節(jié)器啟動(dòng)輸送泵工作，而能夠?qū)?chǔ)液箱內(nèi)部的酸性溶液或者堿性溶液進(jìn)行抽取，并經(jīng)過環(huán)形噴管向巖石樣本的周圍進(jìn)行噴灑的同時(shí)，通過啟動(dòng)制冷器或者ptc加熱器進(jìn)行工作，而能夠?qū)ρh(huán)箱和防護(hù)殼體內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行降溫或者加熱，從而便于人員在不同酸堿度和環(huán)境溫度下對(duì)巖石樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

13、c.隨后，通過操控液壓缸伸長能夠推動(dòng)固定筒和測試針桿向下進(jìn)行移動(dòng)，測試針桿移動(dòng)的過程中能夠與被固定巖石樣本的頂部接觸，并能夠?qū)r石樣本進(jìn)行施壓，從而能夠進(jìn)行有效的加載實(shí)驗(yàn)；

14、d.與此同時(shí)，在第一滑軌、第一滑塊、第二滑軌和第二滑塊工作的作用下，能夠在巖石樣本進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)的過程中分別帶動(dòng)激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器進(jìn)行垂直方向和水平方向的位移調(diào)節(jié)，并且在激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器運(yùn)行的過程中，能夠分別獲取巖石樣本的裂紋表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)、裂紋內(nèi)部三維體素?cái)?shù)據(jù)和裂紋深度信息，并通過對(duì)獲得的三種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后，使用icp算法對(duì)激光掃描點(diǎn)云和ct數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并使用體素配準(zhǔn)算法將超聲波數(shù)據(jù)和ct數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，同時(shí)將融合的數(shù)據(jù)生成高分辨率的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對(duì)融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提取裂紋的實(shí)時(shí)參數(shù)；

15、e.步驟d中的icp算法步驟：

16、①初始對(duì)齊：根據(jù)初步位姿信息，粗略對(duì)齊源點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云，將激光掃描點(diǎn)云和ct數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略對(duì)齊，這通常通過估計(jì)一個(gè)初始變換矩陣t0來實(shí)現(xiàn)，該變換矩陣包含旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量

17、②最近點(diǎn)匹配：為在每次迭代中，為源點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)找到目標(biāo)點(diǎn)云中的最近點(diǎn)配對(duì)，對(duì)于點(diǎn)云p＝{p1,p2,...pn}中的每個(gè)點(diǎn)pi，找到ct數(shù)據(jù)點(diǎn)云q＝{q1,q2,...qm}中最近的對(duì)應(yīng)點(diǎn)qj，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以通過歐氏距離來計(jì)算：

18、

19、③優(yōu)化迭代：通過最小化對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的平方距離來優(yōu)化變換矩陣t，目標(biāo)是找到最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量使得以下?lián)p失函數(shù)最小化：

20、

21、這可以通過經(jīng)典的svd分解方法求解；計(jì)算點(diǎn)集p和q的質(zhì)心p和q：

22、

23、去質(zhì)心化：

24、

25、④變換矩陣計(jì)算：計(jì)算最佳的剛性變換矩陣，使得配對(duì)點(diǎn)之間的距離最??；計(jì)算協(xié)方差矩陣h：

26、

27、對(duì)h進(jìn)行svd分解：

28、h＝u∑vt

29、計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量

30、

31、⑤應(yīng)用變換：將變換矩陣應(yīng)用到源點(diǎn)云上，更新點(diǎn)云位置：

32、p′＝rp+t

33、⑥迭代：重復(fù)最近點(diǎn)配對(duì)和變換矩陣計(jì)算，直到損失函數(shù)收斂或達(dá)到預(yù)定的迭代次數(shù)；

34、激光掃描儀和ct掃描儀獲取的數(shù)據(jù)通常在不同的坐標(biāo)系中，直接疊加會(huì)有較大的誤差，icp算法可以精確對(duì)齊兩者的數(shù)據(jù)，通過精確對(duì)齊，可以將激光掃描的高分辨率表面點(diǎn)云與ct掃描的內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全面的三維裂紋分析；

35、f.步驟d中的體素配準(zhǔn)算法步驟：

36、①初始對(duì)齊：將超聲波數(shù)據(jù)和ct數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略對(duì)齊，通常通過估計(jì)一個(gè)初始變換矩陣t0；

37、②體素化處理：將超聲波數(shù)據(jù)和ct數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為體素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)ct掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行體素化，將三維圖像數(shù)據(jù)劃分為等間距的小體積單元；對(duì)超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行類似的處理，將其轉(zhuǎn)換為三維體素?cái)?shù)據(jù)；

38、③體素匹配：對(duì)于超聲波體素?cái)?shù)據(jù)vs＝{vs1，vs2，…，vsn}，找到ct體素?cái)?shù)據(jù)vc＝{vc1，vc2，…，vcm}中最近的對(duì)應(yīng)體素vcj，類似于點(diǎn)云匹配，這里可以通過體素間的距離來計(jì)算：

39、

40、④優(yōu)化迭代：通過最小化對(duì)應(yīng)體素之間的差異來優(yōu)化變換矩陣t，目標(biāo)是找到最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量使得以下?lián)p失函數(shù)最小化：

41、

42、使用類似于icp算法的優(yōu)化過程，計(jì)算最優(yōu)的變換矩陣；

43、⑤應(yīng)用變換：將優(yōu)化后的變換應(yīng)用到超聲波數(shù)據(jù)上，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)齊，具體步驟包括：對(duì)每個(gè)超聲波體素vs應(yīng)用優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量

44、v′＝rvs+t

45、將變換后的超聲波數(shù)據(jù)與ct數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

46、體素配準(zhǔn)算法用于將超聲波數(shù)據(jù)與ct掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，解決不同類型成像數(shù)據(jù)之間的空間配準(zhǔn)問題，通過對(duì)體素?cái)?shù)據(jù)的相似性進(jìn)行優(yōu)化，使不同成像數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系中對(duì)齊，這兩種算法通過不同的方法優(yōu)化和對(duì)齊不同類型的數(shù)據(jù)，確保了多傳感器數(shù)據(jù)的高精度整合，從而提升檢測系統(tǒng)的整體性能和分析能力。

47、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

48、本發(fā)明通過集成激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器，能夠在實(shí)驗(yàn)的過程中對(duì)巖石樣本的裂紋表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)、裂紋內(nèi)部三維體素?cái)?shù)據(jù)和裂紋深度信息進(jìn)行高精度、多維度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析，并結(jié)合第一滑軌、第一滑塊、第二滑軌和第二滑塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器進(jìn)行垂直和水平方向上的精確移動(dòng)，而能夠在不同實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)下進(jìn)行靈活定位和高精度檢測，不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的適應(yīng)性和檢測能力，還為多傳感器融合技術(shù)提供了可靠的機(jī)械支持，顯著提升了巖石力學(xué)和材料科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，并通過儲(chǔ)液箱、輸送泵、環(huán)形噴管、制冷器和ptc加熱器的設(shè)置，能夠在實(shí)驗(yàn)的過程中模擬不同酸堿度和溫度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高了數(shù)據(jù)采集精確度的同時(shí)，通過使用icp算法和體素配準(zhǔn)算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器所采集數(shù)據(jù)的精確融合，提供全面的三維裂紋分析和內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測，這兩種算法通過不同的方法優(yōu)化和對(duì)齊不同類型的數(shù)據(jù)，確保了多傳感器數(shù)據(jù)的高精度整合，從而提升檢測系統(tǒng)的整體性能和分析能力。

49、本發(fā)明擁有中央控制器，中央控制器能夠精確控制和自動(dòng)定位激光掃描儀、ct掃描儀和空氣耦合超聲波傳感器。通過智能化控制系統(tǒng)、雙軸線性滑軌系統(tǒng)，多設(shè)備可以自動(dòng)校準(zhǔn)和調(diào)參，較傳統(tǒng)設(shè)備的人工調(diào)參校準(zhǔn)，減少了人工干預(yù)和操作復(fù)雜性，提高了實(shí)驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用非接觸式微裂紋監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)的接觸式檢測中可能對(duì)被測物體表面造成的損傷。無需使用耦合劑等介質(zhì)材料，減少了檢測前的準(zhǔn)備工作，提高了檢測效率。

50、本發(fā)明通過環(huán)形鎖緊槽和鎖緊螺栓的設(shè)置，能夠?qū)y試針桿與固定筒之間進(jìn)行有效的固定，且方便人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求對(duì)測試針桿進(jìn)行更換，通過循環(huán)扇的設(shè)置，在循環(huán)扇工作的作用下，能夠帶動(dòng)空氣經(jīng)過循環(huán)箱的內(nèi)部進(jìn)行快速流動(dòng)，提高了對(duì)防護(hù)殼體內(nèi)部的空氣進(jìn)行降溫或者加熱的效果，通過剎車腳輪的設(shè)置，便于人員對(duì)整體進(jìn)行移動(dòng)，通過導(dǎo)向滑桿的設(shè)置，達(dá)到了對(duì)環(huán)形噴管進(jìn)行導(dǎo)向的目的，避免環(huán)形噴管在移動(dòng)的過程中發(fā)生傾斜，通過透明視液板的設(shè)置，方便人員對(duì)儲(chǔ)液箱內(nèi)部的液位進(jìn)行觀察，通過玻璃鋼層和聚四氟乙烯層的設(shè)置，在儲(chǔ)液箱的內(nèi)部形成了雙層耐酸堿腐蝕防護(hù)，有效的提高了儲(chǔ)液箱的使用壽命，通過支撐板的設(shè)置，能夠?qū)φ{(diào)試監(jiān)測終端進(jìn)行有效的支撐，通過調(diào)試監(jiān)測終端和儲(chǔ)存硬盤的設(shè)置，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過支撐框的設(shè)置，能夠?qū)ψ郧鍧嵼斠赫{(diào)節(jié)器進(jìn)行有效的支撐，通過防護(hù)門和透明觀察板的設(shè)置，便于人員對(duì)防護(hù)殼體的正面進(jìn)行防護(hù)。