[發明專利]混凝土表面初始開裂信息的采集系統與識別方法

有效

• 申請號: 201410546651.0
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號: CN104330023A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 金南國;田野;金賢玉;童晶
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/16
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

1.一種基于數字圖像技術的混凝土表面初始開裂信息的采集系統，包括數字圖像收集系統、數字圖像存儲系統與數字圖像處理分析系統；所述數字圖像收集系統包括CCD鏡頭和數碼相機；其特征在于：所述數字圖像存儲系統包括計算機和存儲硬盤，并通過數據連接線與數字圖像收集系統相連；所述數字圖像處理分析系統是安裝于計算機上的軟件功能模塊，能夠通過數字圖像匹配方法對采集及存儲的數字圖像進行處理分析，通過對比分析混凝土變形前后圖像的灰度，計算數字圖像的相關系數；然后通過相關系數，判斷混凝土的變形與位移，從而獲得混凝土的應變值；并能夠通過混凝土表面的主應變分布圖峰值點識別混凝土的初始開裂位置，進而由峰值點應變的時變變化規律判斷混凝土的初始開裂時刻。

2.一種基于數字圖像技術的混凝土初始開裂信息的識別方法，其特征在于，該方法是利用CCD鏡頭和數碼相機拍攝混凝土材料待測試件表面的圖像，然后通過數字圖像匹配方法對采集及存儲的數字圖像進行處理分析，通過對比分析混凝土變形前后圖像的灰度，計算數字圖像的相關系數；然后通過相關系數，判斷混凝土的變形與位移，從而獲得混凝土的應變值；并能夠通過混凝土表面的主應變分布圖峰值點識別混凝土的初始開裂位置，進而由峰值點應變的時變變化規律判斷混凝土的初始開裂時刻。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：

(1)混凝土材料待測試件表面處理

在混凝土材料待測試件表面均勻涂上石膏或油漆涂層，然后在涂層上制作散斑；散斑的顏色應與涂層的顏色具有顯著區別，且散斑的外形與尺寸大小具有隨機性以保證每個散斑都能相互區分；每個散斑的直徑大小與測量區域的變長的比例關系在1/1000～1/10之間；

(2)測定前的準備

通過CCD鏡頭和數碼相機進行對待測混凝土試件進行拍攝；在拍攝之前使用圓點標靶對數碼相機的內外參數進行標定；標靶采用與背景顏色不同的圓點作為特征標記，通過重心提取來獲得標記圓點的精確位置，實現標記點位置的自動提取；

(3)數字圖像采集與存儲

根據測試精度的要求設定數碼相機的拍照頻率，拍攝的照片通過數據連接線傳輸至計算機并存儲至存儲硬盤；在數字圖像采集過程中，CCD鏡頭和數碼相機與混凝土試件均不能移動；

(4)數字圖像處理分析

以混凝土試件變形前的圖片為基準參考圖片，在數值圖像中首先以坐標為(x，y)的參考點為中心選取邊長為(2M+1)個像素點的矩形區域為參考圖子區，M為區域邊長特征值；將混凝土材料待測試件變形后的圖片為目標圖片，通過亞像素搜索的方法，以坐標為(x’，y’)的參考點為中心選取邊長為(2M+1)個像素點的矩形區域為目標圖子區；采用與圖像灰度有關的相關系數C分析此參考圖子區域目標圖子區的相關性；當相關系數C高于一個閥值時，認為混凝土試件變形前后的區域具有相關性，即認為變形后目標圖中坐標點(x’，y’)對應于為變形時參考圖中坐標點(x，y)；所述相關系數C的閥值的取值范圍為0.9～1.0；

本發明中的相關系數C為：

C=ΣΣ[f(x,y)-f‾]·[g(x′,y′)-g‾]ΣΣ[f(x,y)-f‾]2·ΣΣ[g(x′,y′)-g‾]2]]>

式中：

C為相關系數；

￡(x，y)為參考圖上坐標(x，y)點的灰度；

為參考圖子區域的平均灰度；

g(x’，y’)為目標圖上坐標為(x’，y’)點的灰度；

為目標圖子區域的平均灰度；

確定變形前后坐標點后，計算參考圖中參考點坐標的位移分量(u，v)；

其中x方向的位移分量u＝x’-x；y方向的位移分量v＝y’-y；

對變形前后兩幅圖像計算區域內的所有點進行相關匹配后，就能獲得這些點在變形前后空間幾何位置的變化，即獲得測量區域的位移場分布，并采用局部最小二乘法對亞像素區域位移場求導獲得廣義主應變場；

(5)混凝土初始開裂信息的識別

A、基于數組圖像相關技術繪制不同時刻混凝土表面廣義主應變場分布圖；

B、當混凝土表面廣義主應變場峰值點的峰值首次達到閥值時，統計混凝土表面廣義主應變場的峰值點數量N，并分別繪制出每個峰值點的混凝土廣義主應變ε_p隨時間t的發展變化曲線以及混凝土廣義主應變變化率dε_p/dt與時間t的關系曲線；

C、由第n個峰值點(x_n，y_n)混凝土廣義主應變變化率dε_p/dt與時間t的關系曲線可知，在混凝土未產生初始開裂時，混凝土廣義主應變變化率dε_p/dt為一個常數；當混凝土發生初始開裂之后，混凝土廣義主應變變化率dε_p/dt迅速增大，當dε_p/dt增大到一個閥值時，表明混凝土表面總應變隨時間發展產生失穩，dε_p/dt發生失穩發展的時間t_cn就是此峰值點發生初始開裂的時刻，t_cn時刻對應的混凝土表面廣義主應變值ε_pn就是此峰值點混凝土發生初始開裂時的開裂應變；所述n≤N；

混凝土試件表面的主應變ε_p為：

ϵp=ϵx+ϵy2+(ϵx-ϵy2)2+(γxy2)2]]>

式中：ε_x為x方向的橫向廣義應變；ε_y為y方向的縱向廣義應變；γ_xy為廣義剪應變；具體表達式為：

ϵx=∂u∂x]]>

ϵy=∂v∂y]]>

γxy=∂u∂y+∂v∂x]]>

D、對混凝土表面不同峰值點的初始開裂時間進行排序，混凝土初始開裂時刻T_c為峰值點初始開裂時刻的最小值，即：

T_c＝min(t_c1，t_c2，……t_cn)

式中：t_cn為第n個峰值點的初始開裂時刻；

混凝土初始開裂時刻T_c對應的峰值點的位置即混凝土初始開裂位置(x_c，y_c)，此峰值點初始開裂對應的廣義主應變ε_pc即混凝土初始開裂時的應變。