一种多功能透明土模型试验主控系统装置及其使用方法
阅读说明：本技术 一种多功能透明土模型试验主控系统装置及其使用方法 (Multifunctional transparent soil model test master control system device and use method thereof ) 是由 刘汉龙 周航 丁选明 童龙勇 仉文岗 肖杨 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多功能透明土模型试验主控系统装置及其使用方法,该方法包括以下步骤：1)连接工作平台与主结构系统、采集系统和温控系统,并调试；2)打开密封门,将试验所用透明土模型槽通过模型槽轨道运送至光学平台；3)关闭密封门,启动半导体变温片,调节恒温箱内温度至试验预定值；4)调节CCD相机、激光器位置和角度；5)在恒温箱内进行透明土模型试验,CCD相机连续拍摄记录透明土模型槽内土体位移和变形、孔隙率变化、土粒位置调整和破碎等情况；6)结合PIV图像处理技术,使用工作平台计算机对CCD相机拍摄结果进行分析处理。本发明装置结构简单、自动化程度高、操作方便、功能性强,极大地提高了试验效率,且适用于多种试验工况。(The invention discloses a multifunctional transparent soil model test master control system device and a use method thereof, wherein the method comprises the following steps: 1) connecting the working platform with the main structure system, the acquisition system and the temperature control system, and debugging; 2) opening the sealing door, and conveying the transparent soil model groove used for the test to the optical platform through the model groove track; 3) closing the sealing door, starting the semiconductor temperature-variable sheet, and adjusting the temperature in the constant temperature box to a preset test value; 4) adjusting the positions and angles of the CCD camera and the laser; 5) carrying out a transparent soil model test in a constant temperature box, and continuously shooting and recording the displacement and deformation of a soil body in a transparent soil model groove, the porosity change, the position adjustment and the crushing of soil particles and the like by a CCD (charge coupled device) camera; 6) and (3) analyzing and processing the shooting result of the CCD camera by using a working platform computer in combination with a PIV image processing technology. The device has the advantages of simple structure, high automation degree, convenient operation and strong functionality, greatly improves the test efficiency, and is suitable for various test working conditions.)
技术领域
本发明涉及透明土模型试验技术领域，具体涉及一种多功能透明土模型试验主控系统装置及其使用方法。
背景技术
近年来，我国高速公路、高速铁路、港口、机场、城市轨道交通和市政工程等大规模基础设施建设和运营高速发展。同时，复杂的岩土工程问题不断出现。为了实现不同的试验目的和工程需求，相关科研人员研发了形式多样的仪器设备，然而这些仪器设备均无法了解岩土与地下结构破坏时的内部特征。为了得到岩土与地下结构破坏时的内部特征，传统的方法是在岩土体内部埋设一系列离散的传感器进行测量得到岩土体内部位移场、应力场等，该方法不仅破坏了岩土体的完整性，获得的数据仅仅是局部的，且往往由于测试元器件材料与岩土体材料之间的差异导致数据失真。因此，基于透明土材料和数字图像处理技术的可视化模型试验技术以其独特的优势得到蓬勃发展。
透明土试验装备系统，主要由透明土材料、CCD高速工业相机、激光光源、阻尼式光学平台、模型试验装备以及图像处理系统等部分组成。基于透明土试验技术方法，国内外相关学者开展了卓有成效的研究工作，在试验设备研制方面也展开了一定的前期尝试。然而，当前透明土模型试验装置还没有形成综合的体系，功能还较为单一，且不够自动化，模型搬运，相机调节等费时费力。并且，透明土成败的关键之一在于透明土的透明度，而透明度又受到温度的影响，因此，透明土模型试验系统必须设置温控系统，确保透明土模型试验在恒定的温度环境中进行，且温度的变化范围要满足矿物油折射率的要求。
因此，亟需开发一种可自动运输透明土料，集采集系统和温控系统于一体，可自由调节相机的激光器位置和角度，可控制试验环境温度的透明土模型试验主控系统装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能透明土模型试验主控系统装置及其使用方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种多功能透明土模型试验主控系统装置，包括操控分析台、主结构系统、采集系统和温控系统。
所述温控系统包括恒温箱台、恒温箱、温度感应器和半导体变温片，恒温箱为内部中空且下端敞口的矩形箱体，恒温箱的下端口扣在恒温箱台上。若干所述半导体变温片均匀设置在恒温箱的内壁上。
所述主结构系统包括光学平台、立柱、U型横梁、模型槽轨道、透明土模型槽和CCD相机轨道。
呈方形的所述光学平台位于恒温箱内并固定在恒温箱台上，温度感应器设置在光学平台上。所述光学平台上表面的中央处设置有矩形凹槽，矩形凹槽两个相邻的侧壁上均开设有供CCD相机轨道安装的通道，每个通道均贯穿光学平台的侧壁。
两个相互垂直且相交的所述CCD相机轨道分别安装到两个通道内，每个CCD相机轨道的一端与矩形凹槽的内壁接触，另一端伸出通道。
所述恒温箱的一个侧壁上设置有供模型槽轨道和透明土模型槽穿过的开口，开口上滑动连接有密封门。所述开口的底部与光学平台的上表面齐平。
所述模型槽轨道的一端安装在光学平台上并延伸到光学平台的中央处，另一端穿过开口并伸出恒温箱，模型槽轨道上安装有滑动小车Ⅰ，透明土模型槽安装在滑动小车Ⅰ上。所述透明土模型槽和滑动小车Ⅰ均由透明材料制成。
四个所述立柱分别固定在光学平台上表面的四个角上，U型横梁安装在四个立柱的上端，U型横梁的开口方向背向模型槽轨道伸出恒温箱的一端。
所述U型横梁包括依次连接的横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和横梁Ⅲ，横梁Ⅰ和横梁Ⅲ均平行于模型槽轨道，横梁Ⅱ垂直于模型槽轨道。
所述采集系统包括伸缩杆、球铰、CCD相机和激光器，两个伸缩杆的上端均滑动连接到所述横梁Ⅰ上，这两个伸缩杆的下端通过球铰分别连接有CCD相机和激光器。两个所述伸缩杆的上端均滑动连接到横梁Ⅱ上，这两个伸缩杆的下端通过球铰分别连接有CCD相机和激光器。一个所述伸缩杆的上端滑动连接到横梁Ⅲ上，该伸缩杆的下端通过球铰连接有激光器。一个所述CCD相机通过滑动小车Ⅱ滑动连接到CCD相机轨道上。
试验时，在所述透明土模型槽内填入透明土，使用者通过操控分析台控制透明土模型槽从恒温箱的外侧滑入恒温箱，透明土模型槽停放在光学平台的正中央。滑动并关闭所述密封门，启动半导体变温片，调节恒温箱内温度至试验预定值。通过所述操控分析台调整U型横梁上的CCD相机和激光器的高度以及角度，控制CCD相机轨道上的CCD相机滑动，待各个CCD相机和激光器的位置调整完毕后，CCD相机连续拍摄并将采集信息发送至操控分析台，操控分析台对采集信息进行分析处理。
进一步，所述透明土模型槽的横截面积与矩形凹槽的横截面积一致。
进一步，所述U型横梁的横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和横梁Ⅲ上均设置有滑轨，每个伸缩杆的上端均连接有与该滑轨相匹配的滑槽，伸缩杆的上端通过滑槽与U型横梁滑动连接。
进一步，所述透明土模型槽和滑动小车Ⅰ均由透明的有机玻璃制成。
进一步，所述温度感应器由铂金电阻制成。
进一步，所述开口和密封门均呈矩形，开口的两个竖直内壁上均设置有竖直滑槽，密封门的两个竖直边缘分别插入这两个竖直滑槽，开口的顶部设置有供密封门容纳的空腔S。
当开启所述密封门时，密封门沿开口的竖直滑槽向上滑动并退入空腔S内。当关闭所述密封门时，密封门沿开口的竖直滑槽向下滑动并与开口的下边缘抵紧。
进一步，所述密封门的下边缘设置有缺口，缺口内设置有橡胶塞，当关闭所述密封门时，密封门下边缘的橡胶塞与模型槽轨道紧密扣合。
进一步，所述恒温箱的侧壁包括内层和外层，内层和外层之间填充有保温层。
所述内层和外层均为不锈钢钢板，保温层为保温棉。
基于上述的一种多功能透明土模型试验主控系统装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将所述操控分析台、主结构系统、采集系统和温控系统组装好并调试。
2)打开所述密封门，操控分析台控制透明土模型槽从恒温箱的外侧滑入恒温箱，并停留在光学平台的指定位置。
3)关闭所述密封门，启动半导体变温片，调节恒温箱内温度至试验预定值。
4)调节各个所述CCD相机和激光器的位置和角度，直到CCD相机采集的图片达到试验预期效果。
5)在所述恒温箱内进行透明土模型试验，CCD相机连续拍摄记录透明土模型槽内土体的位移、变形、孔隙率变化、土粒位置调整和破碎情况。
6)所述操控分析台采用PIV图像处理方法对CCD相机的拍摄结果进行分析处理。
7)试验结束后，关闭所述半导体变温片，打开密封门，移出透明土模型槽，取出土料。
本发明的有益效果在于：
1.该装置结构简单、自动化程度高、操作方便、功能性强，极大地提高了试验效率，且适用于多种试验工况；
2.减少了透明土模型试验时土料运输的工作量，提高了试验效率，缩短了试验周期；
3.可自由调节CCD相机和激光器的位置和角度，得到土料内部三个方向的位移变形情况；
4.试验在封闭的恒温箱中进行，可调节试验温度，提高透明土的透明度。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为恒温箱内部结构的第一视角示意图；
图3为恒温箱内部结构的第二视角示意图；
图4为CCD相机、激光器、伸缩杆的连接示意图；
图5为光学平台剖面图；
图6为恒温箱外部结构示意图；
图7为恒温箱内腔的示意图；
图8为密封门的示意图。
图中：操控分析台1、恒温箱台201、恒温箱202、开口2021、密封门2022、橡胶塞20221、温度感应器203、半导体变温片204、光学平台301、矩形凹槽3011、通道3012、立柱302、U型横梁303、模型槽轨道304、透明土模型槽305、CCD相机轨道306、滑动小车Ⅰ307、伸缩杆401、滑槽4011、球铰402、CCD相机403和激光器404。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种多功能透明土模型试验主控系统装置，包括操控分析台1、主结构系统、采集系统和温控系统。
所述温控系统包括恒温箱台201、恒温箱202、温度感应器203和半导体变温片204，恒温箱202为内部中空且下端敞口的矩形箱体，参见图6，恒温箱202的下端口扣在恒温箱台201上。参见图7，若干所述半导体变温片204均匀设置在恒温箱202的内壁上，半导体变温片204的温度变化范围为0-100℃，温控的精度满足±0.01℃要求。所述温度感应器203由铂金电阻制成。所述恒温箱202的侧壁包括内层和外层，内层和外层之间填充有保温层，内层和外层均为1.5cm厚的不锈钢钢板，保温层为50mm厚的超细保温棉。
所述主结构系统包括光学平台301、立柱302、U型横梁303、模型槽轨道304、透明土模型槽305和CCD相机轨道306。
参见图1，呈方形的所述光学平台301位于恒温箱202内并固定在恒温箱台201上，参见图2，温度感应器203设置在光学平台301上。参见图5，所述光学平台301上表面的中央处设置有矩形凹槽3011，矩形凹槽3011两个相邻的侧壁上均开设有供CCD相机轨道306安装的通道3012，每个通道3012均贯穿光学平台301的侧壁。
两个相互垂直且相交的所述CCD相机轨道306通过螺栓分别安装到两个通道3012内，每个CCD相机轨道306的一端与矩形凹槽3011的内壁接触，另一端伸出通道3012。
参见图1或6，所述恒温箱202的一个侧壁上设置有供模型槽轨道304和透明土模型槽305穿过的开口2021，开口2021上滑动连接有密封门2022。所述开口2021的底部与光学平台301的上表面齐平。
所述开口2021和密封门2022均呈矩形，开口2021的两个竖直内壁上均设置有竖直滑槽，密封门2022的两个竖直边缘分别插入这两个竖直滑槽，开口2021的顶部设置有供密封门2022容纳的空腔S。
当开启所述密封门2022时，密封门2022沿开口2021的竖直滑槽向上滑动并退入空腔S内。当关闭所述密封门2022时，密封门2022沿开口2021的竖直滑槽向下滑动并与开口2021的下边缘抵紧。
参见图8，所述密封门2022的下边缘设置有缺口，缺口内设置有橡胶塞20221，当关闭所述密封门2022时，密封门2022下边缘的橡胶塞20221与模型槽轨道304紧密扣合，增强密封性。
所述模型槽轨道304的一端通过螺栓安装在光学平台301上并延伸到光学平台301的中央处，另一端穿过开口2021并伸出恒温箱202，参见图2或3，模型槽轨道304上安装有滑动小车Ⅰ307，透明土模型槽305安装在滑动小车Ⅰ307上。所述透明土模型槽305和滑动小车Ⅰ307均由透明的有机玻璃制成。所述透明土模型槽305的横截面积与矩形凹槽3011的横截面积一致，当需要对透明土模型槽305内的透明土材料进行拍照时，透明土模型槽305需滑动至光学平台301的中央处并与矩形凹槽3011对齐。
参见图1或2，四个所述立柱302通过螺栓分别固定在光学平台301上表面的四个角上，U型横梁303安装在四个立柱302的上端，U型横梁303的开口方向背向模型槽轨道304伸出恒温箱202的一端。
所述U型横梁303包括依次连接的横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和横梁Ⅲ，横梁Ⅰ和横梁Ⅲ均平行于模型槽轨道304，横梁Ⅱ垂直于模型槽轨道304。
参见图1或2，所述采集系统包括伸缩杆401、球铰402、CCD相机403和激光器404，两个伸缩杆401的上端均滑动连接到所述横梁Ⅰ上，这两个伸缩杆401的下端通过球铰402分别连接有CCD相机403和激光器404。两个所述伸缩杆401的上端均滑动连接到横梁Ⅱ上，这两个伸缩杆401的下端通过球铰402分别连接有CCD相机403和激光器404。一个所述伸缩杆401的上端滑动连接到横梁Ⅲ上，该伸缩杆401的下端通过球铰402连接有激光器404。一个所述CCD相机403通过滑动小车Ⅱ滑动连接到CCD相机轨道306上。
所述U型横梁303的横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和横梁Ⅲ上均设置有滑轨，参见图4，每个伸缩杆401的上端均连接有与该滑轨相匹配的滑槽4011，伸缩杆401的上端通过滑槽4011与U型横梁303滑动连接。
所述操控分析台1用于控制密封门2022的启闭、透明土模型槽305的移动、CCD相机403位置及角度的改变、激光器404位置及角度的改变、恒温箱202内的温度调节和图像处理分析。
试验时，在所述透明土模型槽305内填入透明土，使用者通过操控分析台1控制透明土模型槽305从恒温箱202的外侧滑入恒温箱202，透明土模型槽305停放在光学平台301的正中央。滑动并关闭所述密封门2022，使恒温箱202处于密闭状态，启动半导体变温片204，调节恒温箱202内温度至试验预定值。通过所述操控分析台1调整U型横梁303上的CCD相机403和激光器404的高度以及角度，控制CCD相机轨道306上的CCD相机403滑动，待各个CCD相机403和激光器404的位置调整完毕后，CCD相机403以大于50帧/秒的拍摄速率连续拍摄，并将采集信息发送至操控分析台1，操控分析台1对采集信息进行分析处理。试验过程中，要求所述激光器404产生的片激光厚度不超过1mm，功率在5W以上。
实施例2：
本实施例公开了基于实施例1所述的一种多功能透明土模型试验主控系统装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将所述操控分析台1、主结构系统、采集系统和温控系统组装好并调试。
2)打开所述密封门2022，操控分析台1控制透明土模型槽305从恒温箱202的外侧滑入恒温箱202，并停留在光学平台301的指定位置。
3)关闭所述密封门2022，启动半导体变温片204，调节恒温箱202内温度至试验预定值。
4)调节各个所述CCD相机403和激光器404的位置和角度，直到CCD相机403采集的图片达到试验预期效果。
5)在所述恒温箱202内进行透明土模型试验，CCD相机403连续拍摄记录透明土模型槽305内土体的位移、变形、孔隙率变化、土粒位置调整和破碎情况。
6)所述操控分析台1采用PIV图像处理方法对CCD相机403的拍摄结果进行分析处理。
7)试验结束后，关闭所述半导体变温片204，打开密封门2022，移出透明土模型槽305，取出土料。
实施例3：
本实施例公开了一种多功能透明土模型试验主控系统装置，包括操控分析台1、主结构系统、采集系统和温控系统。
所述温控系统包括恒温箱台201、恒温箱202、温度感应器203和半导体变温片204，恒温箱202为内部中空且下端敞口的矩形箱体，参见图6，恒温箱202的下端口扣在恒温箱台201上。参见图7，若干所述半导体变温片204均匀设置在恒温箱202的内壁上。
所述主结构系统包括光学平台301、立柱302、U型横梁303、模型槽轨道304、透明土模型槽305和CCD相机轨道306。
参见图1，呈方形的所述光学平台301位于恒温箱202内并固定在恒温箱台201上，参见图2，温度感应器203设置在光学平台301上。参见图5，所述光学平台301上表面的中央处设置有矩形凹槽3011，矩形凹槽3011两个相邻的侧壁上均开设有供CCD相机轨道306安装的通道3012，每个通道3012均贯穿光学平台301的侧壁。
两个相互垂直且相交的所述CCD相机轨道306分别安装到两个通道3012内，每个CCD相机轨道306的一端与矩形凹槽3011的内壁接触，另一端伸出通道3012。
参见图1或6，所述恒温箱202的一个侧壁上设置有供模型槽轨道304和透明土模型槽305穿过的开口2021，开口2021上滑动连接有密封门2022。所述开口2021的底部与光学平台301的上表面齐平。
所述模型槽轨道304的一端安装在光学平台301上并延伸到光学平台301的中央处，另一端穿过开口2021并伸出恒温箱202，参见图2或3，模型槽轨道304上安装有滑动小车Ⅰ307，透明土模型槽305安装在滑动小车Ⅰ307上。所述透明土模型槽305和滑动小车Ⅰ307均由透明材料制成。
参见图1或2，四个所述立柱302分别固定在光学平台301上表面的四个角上，U型横梁303安装在四个立柱302的上端，U型横梁303的开口方向背向模型槽轨道304伸出恒温箱202的一端。
所述U型横梁303包括依次连接的横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和横梁Ⅲ，横梁Ⅰ和横梁Ⅲ均平行于模型槽轨道304，横梁Ⅱ垂直于模型槽轨道304。
参见图1或2，所述采集系统包括伸缩杆401、球铰402、CCD相机403和激光器404，两个伸缩杆401的上端均滑动连接到所述横梁Ⅰ上，这两个伸缩杆401的下端通过球铰402分别连接有CCD相机403和激光器404。两个所述伸缩杆401的上端均滑动连接到横梁Ⅱ上，这两个伸缩杆401的下端通过球铰402分别连接有CCD相机403和激光器404。一个所述伸缩杆401的上端滑动连接到横梁Ⅲ上，该伸缩杆401的下端通过球铰402连接有激光器404。一个所述CCD相机403通过滑动小车Ⅱ滑动连接到CCD相机轨道306上。
试验时，在所述透明土模型槽305内填入透明土，使用者通过操控分析台1控制透明土模型槽305从恒温箱202的外侧滑入恒温箱202，透明土模型槽305停放在光学平台301的正中央。滑动并关闭所述密封门2022，启动半导体变温片204，调节恒温箱202内温度至试验预定值。通过所述操控分析台1调整U型横梁303上的CCD相机403和激光器404的高度以及角度，控制CCD相机轨道306上的CCD相机403滑动，待各个CCD相机403和激光器404的位置调整完毕后，CCD相机403连续拍摄并将采集信息发送至操控分析台1，操控分析台1对采集信息进行分析处理。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述透明土模型槽305的横截面积与矩形凹槽3011的横截面积一致，当需要对透明土模型槽305内的透明土材料进行拍照时，透明土模型槽305需滑动至光学平台301的中央处并与矩形凹槽3011对齐。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例4，进一步，所述U型横梁303的横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和横梁Ⅲ上均设置有滑轨，参见图4，每个伸缩杆401的上端均连接有与该滑轨相匹配的滑槽4011，伸缩杆401的上端通过滑槽4011与U型横梁303滑动连接。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例5，进一步，所述透明土模型槽305和滑动小车Ⅰ307均由透明的有机玻璃制成，方便CCD相机403拍照。
实施例7：
本实施例主要结构同实施例6，进一步，所述温度感应器203由铂金电阻制成。
实施例8：
本实施例主要结构同实施例7，进一步，所述开口2021和密封门2022均呈矩形，开口2021的两个竖直内壁上均设置有竖直滑槽，密封门2022的两个竖直边缘分别插入这两个竖直滑槽，开口2021的顶部设置有供密封门2022容纳的空腔S。
当开启所述密封门2022时，密封门2022沿开口2021的竖直滑槽向上滑动并退入空腔S内。当关闭所述密封门2022时，密封门2022沿开口2021的竖直滑槽向下滑动并与开口2021的下边缘抵紧。
实施例9：
本实施例主要结构同实施例8，进一步，参见图8，所述密封门2022的下边缘设置有缺口，缺口内设置有橡胶塞20221，当关闭所述密封门2022时，密封门2022下边缘的橡胶塞20221与模型槽轨道304紧密扣合。
实施例10：
本实施例主要结构同实施例9，进一步，所述恒温箱202的侧壁包括内层和外层，内层和外层之间填充有保温层。所述内层和外层均为不锈钢钢板，保温层为保温棉。