本发明专利技术公开了利用高速摄影机和DIC技术非接触检测实时高温岩体传播系数装置，利用高速摄影机和DIC技术通过测量端部位移和速度两个参数计算得到实时高温下岩体传播系数的实验装置。本装置可以通过高速摄影机直接观察到岩体在应力波作用下的位移。利用数字图像相关技术，对高速摄影机拍摄得到的影像资料进行处理，得到岩石杆端部在应力波作用下所产生的准确位移和速度。本装置共分为四部分：发射装置、加热装置、图像采集装置、数据处理装置。本发明专利技术利用DIC软件通过处理高速摄影机拍摄图像就可对受冲击作用下岩石杆端部的位移进行测量，克服了高温下无法在岩石表面粘贴应变片的问题，有效测量25～800℃范围内岩石的传播系数，并极大的提高了计算精度。极大的提高了计算精度。极大的提高了计算精度。
【技术实现步骤摘要】
利用高速摄影机和DIC技术非接触检测实时高温岩体传播系数装置
[0001]本专利技术涉及一种用于研究应力波在实时高温岩体内传播特性的实验装置，属于岩体力学实验
技术介绍
[0002]天然岩体内部存在许多微缺陷，当应力波通过含有微裂隙的岩体时会发生衰减和弥散，表现出粘弹性的性质，前人对此进行过很多研究。而高温状态下岩体的裂隙会不断发生扩展，劣化岩体力学性质。随着我国深部地下工程的不断发展，尤其是地热能开采、核废料存储等工程的周围岩体往往处于高温状态，更容易受到地震、爆破等振动的影响，因此了解应力波在实时高温岩体内的传播情况对工程安全具有重要作用。
[0003]目前研究应力波在岩体内的传播情况往往是采用一维波传播理论，采用一个长径比大于25的圆柱形岩石杆，通过中间粘贴应变片所采集到的波形得到岩石材料的传播系数。这种方法所采用的应变片和粘合剂在高温下不能正常工作，无法测量实时高温下岩体的传播系数。随着高速摄影机和数字图像相关技术(DIC)的发展，使非接触测量应力波在岩体中的传播成为可能。在研究应力波在岩体内的传播规律时为了防止拉伸脉冲破坏岩石试样，冲击所产生的所产生的应变很小(0至10
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10
‑5)，而目前DIC软件所能测得的最小应变约为5
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‑5，相对误差为50％，因此通过DIC测量应力波所造成的岩石应变误差较大。而应力波在岩石杆自由端反射时端部位移大于0.1mm，端部速度大于1m/s，通过搭载微距镜头的高速摄影机可以直接观察到岩体在应力波作用下的所产生的位移，利用DIC软件进一步提高位移计算精度，最终计算高温岩体的传播系数。本专利技术涉及了一种利用高速摄影机和DIC技术非接触检测实时高温岩体传播系数装置，具有可视化的优点，可以通过影像数据直接观察岩体在应力波作用下的所产生的位移，通过DIC软件分析得到高温岩体端部的位移和速度，通过计算最终得到实时高温岩体的传播系数。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供一种利用高速摄影机和DIC技术通过测量端部位移和速度两个参数计算得到实时高温下岩体传播系数的实验装置。本装置可以通过高速摄影机直接观察到岩体在应力波作用下的位移，为分析应力波在岩体内的传播提供依据。利用数字图像相关(DIC)技术，对高速摄影机拍摄得到的影像资料进行处理，得到岩石杆端部在应力波作用下所产生的准确位移和速度。
[0005]本专利技术采取的技术方案是：利用高速摄影机可视化观察高温岩石端部在应力波作用下产生的位移，利用数字图像相关(DIC)技术计算高速摄影机拍摄得到的影像资料，得到岩石杆端部的位移和速度，进而计算得到实时高温下岩石的传播系数。本装置共分为四部分：发射装置、加热装置、图像采集装置、数据处理装置。首先将圆柱形岩石杆表面喷涂上耐高温散斑，然后放入加热装置中，加热至指定温度。岩石杆左端面与发射装置垂直，图像采
集装置中的高速摄影机拍摄角度垂直于岩石杆轴线，并靠近岩石杆右端面。在发射入射杆的瞬间激活高速摄影机。在应力波作用下岩石杆端部会发生随时间变化的位移，每次位移持续时间约为0.2ms，产生的位移约为0.1mm。所采用高速摄影机拍摄帧率为10万帧，单个像素尺寸为20
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20μm，本专利技术需要利用1:1放大倍率微距镜头配合高速摄影机才可实现观测应力波在岩体内产生的移动，此时高速摄影机传感器上成像大小与实际物体大小一致，实际端部产生的0.1mm移动反映到高速摄影机传感器成像中也移动了0.1mm，反映到拍摄图像为移动了5个像素。每次持续0.2ms应力波所产生的0.1mm位移在实际观测画面上表现为20帧画面中共移动了5个像素。为了进一步提高计算精度，将采集得到的影响资料导入DIC软件中，首先进行1像素分辨率的位移计算，然后进行像素之间的差值得到亚像素精度的位移，得到岩石杆右端面的时间
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位移曲线，对位移进行时间求导得到时间
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速度曲线。
[0006]其中发射装置主要包括空气压缩机、发射腔室、测速器、不同长度的入射杆。可以通过不同的空气压力产生不同的冲击速度，冲击速度由测速器检测得到。通过选用不同长度的入射杆得到不同长度的入射波形。在发射入射杆的时利用测速仪激活高速摄影机进行拍摄。
[0007]其中加热装置包括保温外壳、加热层、石英圆管、耐高温定滑轮。其中加热层为圆柱形，最高加热为800℃，包裹在石英圆管外部。将待加热的岩石杆放入石英管中，石英管为透明耐高温材质，内部装有两个定滑轮用于支撑圆柱形岩石杆，减少岩石杆运动时受到的摩擦，在石英管右侧设置用高速摄影机拍摄时的观察窗，加热过程中两端采用隔热塞密封。
[0008]图像采集装置主要包括高速摄影机和补光灯。其中高速摄影机在拍摄时帧率选择为10万帧，每张照片间隔为0.01ms，拍摄分辨率为256
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128像素，像素大小为20μm，拍摄时选用1:1放大倍率微距镜头，对应实际观测区域为5.12mm
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2.56mm，采用DIC计算精度为0.2μm，相比实际位移为0.1mm时计算精度很高。由于拍摄帧率很高导致每张照片曝光时间很短，直接拍摄图片较暗，因此采用一盏2000W无闪烁的LED灯进行补光。
[0009]数据处理装置为带有DIC分析软件的电脑。首先将拍摄视频的每一帧转换为照片，然后导入DIC分析软件中。首先播撒种子点确定每张图片的相对位置，然后确定每块计算区域大小为12像素正方形，计算区域间隔为6像素，进行计算得到所选择区域的位移场，选择所计算区域中间一点，将位移数据导出，由于每张照片的间隔已知，所以对位移数据进行时间求导得到速度
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时间曲线。
[0010]与现有技术比较，本专利技术具有如下技术优势：
[0011]本专利技术采用高速摄影机与测量的岩石杆右端面无接触的方式，这种非接触的测量方案不需要传统的接触粘结，仅需利用DIC软件通过处理高速摄影机拍摄图像就可对受冲击作用下岩石杆端部的位移进行测量，克服了高温下无法在岩石表面粘贴应变片的问题。
[0012]本装置克服了传统DIC分析应力波作用下岩石应变误差较大的问题，通过测量应力波在岩石杆右端反射所产生的位移和速度，可以有效测量25～800℃范围内岩石的传播系数，并极大的提高了计算精度，
[0013]本装置具有可视化的优点，可以通过高速摄影机影像资料直接观察到岩石杆在应力波作用下产生的位移，为分析应力波在岩石中的传播提供依据。
附图说明
[0014]图1为利用高速摄影机和DIC技术非接触测量实时高温岩体传播系数的装置。
[0015]图2为拍摄时的耐高温散斑区域。
[0016]图3为DIC计算得到的岩石右端的端部位移。
[0017]图4为DIC计算得到的岩石右端的速度。
[0018]图中：1空气压缩机；2发射腔室；3入射杆；4测速器；5电脑；6高速摄影机；7补光灯；8岩石杆；9石英管；10加热层；11隔热塞。
具体实施方式
[0019]如图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.利用高速摄影机和DIC技术非接触检测实时高温岩体传播系数装置，其特征在于：利用高速摄影机可视化观察高温岩石端部在应力波作用下产生的位移，利用数字图像相关(DIC)技术计算高速摄影机拍摄得到的影像资料，得到岩石杆端部的位移和速度，进而计算得到实时高温下岩石的传播系数；本装置共分为四部分：发射装置、加热装置、图像采集装置、数据处理装置；圆柱形岩石杆表面喷涂上耐高温散斑，然后放入加热装置中，加热至指定温度；岩石杆左端面与发射装置垂直，图像采集装置中的高速摄影机拍摄角度垂直于岩石杆轴线，并靠近岩石杆右端面；在发射入射杆的瞬间激活高速摄影机；在应力波作用下岩石杆端部会发生随时间变化的位移，每次位移持续时间约为0.2ms，产生的位移约为0.1mm；所采用高速摄影机拍摄帧率为10万帧，单个像素尺寸为20
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20μm，本发明需要利用1:1放大倍率微距镜头配合高速摄影机才可实现观测应力波在岩体内产生的移动，此时高速摄影机传感器上成像大小与实际物体大小一致，实际端部产生的0.1mm移动反映到高速摄影机传感器成像中也移动了0.1mm，反映到拍摄图像为移动了5个像素；每次持续0.2ms应力波所产生的0.1mm位移在实际观测画面上表现为20帧画面中共移动了5个像素。2.根据权利要求1所述的利用高速摄影机和DIC技术非接触检测实时高温岩体传播系数装置，其特征在于：将采集得到的影响资料导入DIC软件中，首先进行1像素分辨率的位移计算，然后进行像素之间的差值得到亚像素精度的位移，得到岩石杆右端面的时间
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位移曲线，对位移进行时间求导得到时间
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速度曲线。3.根据权利要求1所述的利用高速摄影机和DIC技术非接触检测实时高温岩体传播系数装置，其特征在于：发射装置包括空气压缩机、发射腔室、测速器、不同长度的入射杆；通过不同的空气压力产生不同的...
【专利技术属性】
技术研发人员：范立峰，杨崎浩，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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