CN103162632B - 离心模型3d光学位移测量系统 - Google Patents

Abstract

一种离心模型3D光学位移测量系统，其包括一个模型箱，所述模型箱顶部固定连接有一根支撑梁，所述支撑梁固定连接有三根安装杆，在所述安装杆上均连接有摄像头，所述光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机吊篮内与所述摄像头连接的影像采集设备，所述影像采集设备包括一个第一无线模块，所述系统进一步包括一个设置在所述离心机外的控制设备，所述控制设备包括一个用于与所述第一无线模块建立通讯连接的第二无线模块以及一个与所述第二无线模块连接的控制主机。本发明所提供的离心模型3D光学位移测量系统，解决了在离心试验中利用非接触式光学位移测量方法，特别是3D光学位移测量方法从模型上部对模型进行三维位移测量的问题。

Description

离心模型3D光学位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于对土工离心试验中模型的位移进行测量的装置。

背景技术

在许多工程科学中，常常需要用小比尺的物理模型去揭示和分析现象的本质和机理，以验证和解决工程实际问题。例如，在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，土的力学特性和水力特性随应力水平而变化。利用小比尺离心模型的试验，可以采用与原型相同的材料，在离心试验机形成的高加速度场中达到与原型相同的应力水平，从而使模型与原型的应力应变相等，变形相似，破坏机理相同，能够再现原型特性，为理论和数值等分析方法提供真实可靠的参数依据。

在离心模型试验中，模型的位移和变形的测量一般分为2类，一类是点测量，一类是面测量。传统的位移测量方法，需要在模型上布放传感器或者标志物等测量辅助物品。这些方法普遍存在工作量大、测量精度低、测量点有限、测量辅助物品对模型干扰大等缺陷。而且，由于试验前很难准确确定离心模型发生较大变形或者发生应变局部区域的具体准确位置，因此，这些通过事先确定测量点来测量位移的方法就不能很好的满足研究离心模型变形或者应变局部化等问题的具体要求。

为克服已有方法的缺点，新的用于离心场环境中的位移测量方法得到了广泛的探索和研究。其中基于数字图像的位移测量技术因其无需对模型增加应变片等测量辅助物品，从而不会导致干扰等优点已在离心模型试验中得到了一定的研究，例如，《岩土工程学报》2007年1月第1期中张嘎、牟太平、张建民发表的“基于图像分析的土坡离心模型试验变形场测量”，以及《岩石力学与工程学报》2010年9月第29卷增2中张敏、吴宏伟发表的“颗粒图像测速技术在离心试验变形分析中的应用”等文章所记录的用于离心试验中的位移测量方法，均提及使用非接触式光学位移测量方法对离心模型进行位移测量。

在已有的利用非接触式光学位移测量方法对离心模型进行位移测量的装置或方法的研究中，均只提供了测量模型侧面的二维变形的方法，也即是，使用侧面采用透明材质的模型箱，将图像采集设备固定在模型箱透明侧壁的外侧，从而可以用非接触式光学位移测量方法对所述离心模型的侧面在贴合于模型箱侧壁的平面上的二维位移进行测量。但是，这些非接触式光学位移测量方法并不能对所述离心模型的侧面在垂直于所述模型箱侧壁的方向上的位移进行测量，也即是，已有的利用非接触式光学位移测量方法对离心模型进行位移测量的装置或方法的研究中，不能提供对于离心模型进行3D方向，即三维方向的位移测量。

在离心试验中，模型顶部的三维位移数据（及水平方向和垂直方向位移数据）是离心试验中需要采集的重要数据之一，虽然市场上现在已经有了应用于汽车制造、钣金成形等领域的能够测量被测物的三维变形的非接触式光学位移测量设备，例如，美国CSI公司（Correlated Solutions，Inc.）提供的Vic-3D非接触应变测量系统就可以提供三维空间内的位移、应变数据测量，但由于非接触式光学位移测量方法对于图像采集设备（例如照相机、摄像机）有着严格的位置固定要求，而当其用于离心试验环境，对离心模型顶面数据进行图像采集时，由于图像采集设备与离心模型顶面在离心试验过程中均会产生位移，因此，现在并没有很好的方法在所述图像采集设备与所述离心模型顶面均产生位移时进行测量，也就是现在还不能利用非接触式光学位移测量方法，特别是用于测量三维位移的3D光学位移测量方法从离心模型上部对模型进行三维位移测量。

发明内容

本发明提供了一种离心模型3D光学位移测量系统，该设备可减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述问题，本发明提出了一种离心模型3D光学位移测量系统，其用于在离心试验中对土工模型顶面的三维位移进行测量，其包括一个用于装载所述土工模型并放置于离心机吊篮中的长方体结构的模型箱，所述模型箱顶部固定连接有一根支撑梁，所述支撑梁固定连接有三根安装杆，在所述安装杆上均连接有摄像头，所述模型箱内进一步固定有用于照明的光源；所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机吊篮内与所述摄像头连接的影像采集设备，所述影像采集设备包括一个分别与所述摄像头连接的信号接收器，一个与所述信号接收器连接的处理器，一个与所述处理器连接的存储卡，一个与所述处理器连接的第一无线模块；所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机外的控制设备，所述控制设备包括一个用于与所述第一无线模块建立通讯连接的第二无线模块以及一个与所述第二无线模块连接的控制主机。

优选地，所述支撑梁端面边沿与所述模型箱边沿均设置有用于校准所述支撑梁安装位置的刻度标尺。

优选地，所述光源为与所述摄像头一体设置的LED灯。

优选地，所述支撑梁与所述安装杆均为中空“口”型结构杆件。

优选地，所述模型箱长宽高分别为120cm、80cm、90cm。

优选地，所述模型箱内的底面和四壁均设置有间隔1mm的水平和垂直标志线。

优选地，所述模型箱与所述支撑梁通过螺栓连接。

优选地，所述安装杆固定连接在所述支撑梁的四等分位置，所述摄像头为5000万像素摄像头。

优选地，所述离心模型3D光学位移测量系统的使用步骤如下，

步骤A，在放置所述土工模型进行离心试验前，在所述模型箱底部平铺放置设置有1mm×1mm方格的方格纸，使离心机过载从静止至250g，以10g为间隔，分别在各个间隔的过载下稳定运行3-5分钟，在每个稳定运行的过载下，通过所述控制设备记录所述三个摄像头的影像，从而由所述控制设备计算出在每个稳定运行的过载下通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量时，所述方格纸上每个交叉点的偏移值；

步骤B，通过计算机根据步骤A所计算出所述偏移值，拟合得出每个间隔过载时，在所述模型箱水平截面上每个点的偏移值所形成的曲面图；从而进一步拟合得出在所述模型箱水平截面上每个点在不同过载时的偏移值曲线；

步骤C，在所述模型箱内放置所述土工模型，当在离心试验中对所述土工模型顶面进行位移测量时，将所述土工模型顶面划分为水平面投影大小为1mm×1mm的多个区域，在不同过载条件下，通过所述控制设备根据所述三个摄像头的影像采集的影像计算出所述土工模型顶面的每个所述区域位移量，然后根据不同过载条件下，所述区域在水平面投影的位置，将所述区域至少四个端点的位移值减去根据步骤B所得出的每个点的偏移值所得出的所述区域的偏移值，即得出每个所述区域的真实位移，从而得出所述土工模型顶面的真实位移。

优选地，当使用的所述模型箱内的底面和四壁均设置有间隔1mm的水平和垂直标志线时，所述离心模型3D光学位移测量系统的使用步骤如下，

步骤A，在放置所述土工模型进行离心试验前，使离心机过载从静止至250g，以10g为间隔，分别在各个间隔的过载下稳定运行3-5分钟，在每个稳定运行的过载下，通过所述控制设备记录所述三个摄像头的影像，从而由所述控制设备计算出在每个稳定运行的过载下通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量时，所述模型箱内底面的每个标志线交叉点的偏移值；

步骤B，通过计算机根据步骤A所计算出所述偏移值，拟合得出每个间隔过载时，在所述模型箱水平截面上每个点的偏移值所形成的曲面图；从而进一步拟合得出在所述模型箱水平截面上每个点在不同过载时的偏移值曲线；

步骤C，在所述模型箱内放置所述土工模型，当在离心试验中对所述土工模型顶面进行位移测量时，将所述土工模型顶面划分为水平面投影大小为1mm×1mm的多个区域，在不同过载条件下，通过所述控制设备根据所述三个摄像头的影像采集的影像计算出所述土工模型顶面的每个所述区域位移量，然后根据不同过载条件下，所述区域在水平面投影的位置，将所述区域至少四个端点的位移值减去根据步骤B所得出的每个点的偏移值所得出的所述区域的偏移值，即得出每个所述区域的真实位移，从而得出所述土工模型顶面的真实位移。

本发明所提供的离心模型3D光学位移测量系统，用于在离心试验中对模型顶面的三维位移进行测量，其通过预先对图像采集设备进行校准，采集并计算不同过载条件下，图像采集设备自身的位移偏差。从而使得在对离心试验中模型顶面位移进行测量时，在测量结果中去除偏差部分，即可得到模型顶面的真实三维位移数据。本发明所提供的离心模型3D光学位移测量系统，解决了在离心试验中利用非接触式光学位移测量方法，特别是3D光学位移测量方法从模型上部对模型顶面进行三维位移测量的问题。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为根据本发明的一个具体实施例的离心模型3D光学位移测量系统的模型箱的结构示意图；

图2为图1所示的A部局部放大示意图；

图3为在图1所示的模型箱底部平铺放置的设置有1mm×1mm方格的方格纸示意图；

图4为在离心机稳定运行的过载下，由所述控制设备通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量计算时，图3所示的方格纸上每个交叉点的偏移值所形成的曲面示意图；

图5为图3所示的方格纸上的交叉点在不同过载条件下的偏移值曲线示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

下面参照附图详细说明根据本发明的一种离心模型3D光学位移测量系统的结构及其原理。

为了便于展现离心模型3D光学位移测量系统的结构及其在离心机运行过程中位移测量的矫正原理，在附图中使用了三轴垂直坐标系作为参考，其中，x轴为长方体结构的模型箱的窄边方向，y轴为长方体结构的模型箱的长边方向，z轴为长方体结构的模型箱的高度方向。

图1为根据本发明的一个具体实施例的离心模型3D光学位移测量系统的模型箱的结构示意图；参见图1所示，本发明所提供的一种离心模型3D光学位移测量系统，其用于在离心试验中对土工模型（图中未示出）顶面的三维位移进行测量，其包括一个用于装载所述土工模型并放置于离心机吊篮（图中未示出）中的长方体结构的模型箱1，所述模型箱1顶部固定连接有一根支撑梁2，所述支撑梁2固定连接有三根安装杆3，在所述安装杆3上均连接有摄像头（图中未示出），所述模型箱1内进一步固定有用于照明的光源；

所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机吊篮内与所述摄像头连接的影像采集设备（图中未示出），所述影像采集设备包括一个分别与所述摄像头连接的信号接收器，一个与所述信号接收器连接的处理器，一个与所述处理器连接的存储卡，一个与所述处理器连接的第一无线模块，

所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机外的控制设备，所述控制设备包括一个用于与所述第一无线模块建立通讯连接的第二无线模块以及一个与所述第二无线模块连接的控制主机。

在每个所述安装杆3上至少安装有一个摄像头，所述摄像头可以安装在所述安装杆3的顶端，这样能够保障所述摄像头在对所述土工模型进行摄像时，不会被所述安装杆3遮挡。

所述支撑梁2可以灵活的设置在待测的所述土工模型正上方，所述安装杆3可以通过螺栓和L型耳片固定在所述支撑梁2上，所述L型耳片的两边分别贴合在所述支撑梁2和所述安装杆3上，然后通过螺栓进行固定，这样就可以方便对所述摄影头进行安装定位，同时便于使得所述摄像头能够对所述土工模型顶部进行影像采集。可以使至少一个所述摄像头用于对所述模型箱进行全景影像采集，这样就能够利用所述模型箱底面四角进行参考比对来对所述土工模型进行水平面位置的参考定位，也即是说，利用所述摄像头采集到的全景影像中，所述模型箱底面四角的位置，可以对三个所述摄像头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进行参考定位。

所述影像采集设备设置在所述离心机吊篮内，也就是说，其可以固定在所述模型箱1外侧，这样就可以避免所述影像采集设备设置在所述模型箱1内部时可能对所述摄像头的影像采集视野造成的遮挡。

当所述测量系统进行工作时，所述信号接收器将从所述摄像头采集的影像数据传送至所述处理器，所述处理器根据影像数据的数据量大小决定是否需要进行缓存，如果数据量不大，可以通过所述第一无线模块直接将影像数据传送至离心机外的所述控制设备，如果数据量大于所述第一无线模块的传输速率，则可以先在所述存储卡进行缓存，在所述第一无线模块空闲时再进行数据发送。所述存储卡可以是市售的大容量存储卡，比如32G或64G的TF卡、CF卡等，这样就可以避免使用传统机械硬盘时，在高过载离心环境可能会出现的硬盘不工作的问题。所述第一无线模块、所述第二无线模块均可以使用市售标准wifi网卡，例如802.11n网卡，或者RFID模块，甚至可以采用3G网卡等，这样就可以使得所述离心机外的所述控制设备与影像采集设备之间可以通过无线连接的形式进行数据传输，从而避免了在离心机内进行布线，也就能简化离心试验环境的线缆铺设工作。

所述控制主机可以安装有市售的非接触式光学位移测量软件，例如美国CSI公司（Correlated Solutions，Inc.）提供的Vic-3D非接触应变测量系统中的影像分析软件，这样，所述控制主机就可以通过3个所述摄像头采集的影像进行所述土工模型顶部位移的计算。

所述光源可以是1个也可以是多个，其安装位置可以安装在所述模型箱1的顶部四角或者安装在所述支撑梁2上，这样就可以满足对所述模型箱1内的照明要求。

图2为图1所示的A部局部放大示意图；参见图2所示，在一个优选实施例中，所述支撑梁2端面边沿与所述模型箱1边沿均设置有用于校准所述支撑梁2安装位置的刻度标尺。这样，在每次放置所述土工模型进所述模型箱1后，安装固定所述支撑梁2时，可以方便的校准所述支撑梁2的安装位置，以确保在多次离心试验过程中，所述支撑梁2均安装在相同位置，也就能够确保在多次离心试验过程中，所述摄像头均能放置在相同位置。

在一个优选实施例中，所述光源为与摄像头一体设置的LED灯。与摄像头一体设置的LED灯为所述模型箱1内的环境提供光源，这样避免了单独在所示模型箱1内设置光源可能带来的布线复杂性增加和对摄像区域照明度不足的隐患。

参见图2所示，在一个优选实施例中，所述支撑梁2与所述安装杆3均为中空“口”型结构杆件。这样可以使得所述支撑梁与所述安装杆在保障结构强度的同时，减轻重量，节约材料成本。而且中空“口”型结构杆件还可以降低加工螺栓安装孔的加工难度，在使用螺栓对所述支撑梁2和/或所述安装杆3进行安装时更加方便。

所述支撑梁2与所述安装杆3均可以由高强度碳钢制成。例如由T9、T10、T11等型号碳钢制成，这样使得所述支撑梁具有较高的硬度、刚度，有利于在离心机运行过程中，降低所述支撑梁2和所述安装杆3自身产生较大的变形对所述摄像头的影响。例如，当所述支撑梁2与所述安装杆3选用T11型号碳钢制造，所述支撑梁2与所述安装杆3采用的中空“口”型结构杆件的壁厚均大于8mm时，在离心机运行在100g的过载下，所述摄像头的水平位移小于0.06mm，这样就非常有利于所述控制设备对所述摄像头采集的所述土工模型的影像进行处理。

在一个优选实施例中，所述模型箱1长L、宽W、高H分别为120cm、80cm、90cm。这样就可以满足高过载大比例土工离心试验所需的所述土工模型的布放空间要求。例如，可以对长宽高分别为100cm、80cm、50cm的土工模型进行有效影像采集。

在一个优选实施例中，所述模型箱1内的底面和四壁均设置有间隔1mm的水平和垂直标志线，所述模型箱1内的底面设置有相互垂直并分别与底面长短边平行的间隔1mm的水平标志线，所述模型箱1内四壁设置有间隔1mm的水平标志线以及与这些水平标志线垂直的间隔1mm的垂直标志线。利用这些标志线，所述控制主机可以很容易的通过所述摄像头采集的影像中的这些标志线作为参照来判断所述土工模型的顶面的不同区域在水平面上的投影位置。也即是所述土工模型的顶面的不同区域所处的x轴和y轴的坐标位置。

在一个优选实施例中，所述模型箱1与所述支撑梁2通过螺栓连接。这样可以方便的调整所述支撑梁2在所述土工模型顶部的位置。

在一个优选实施例中，所述安装杆3固定在所述支撑梁1的四等分位置，所述摄像头为5000万像素摄像头。所述摄像头可以采用5000万像素以上的摄像头，这样，当所述安装杆3均匀分布在所示支撑梁1上，也就使得三个所述摄像头能均匀分布在所述支撑梁1上，即在所述支撑梁1中心安装有一根所述安装杆3，在所述支撑梁1两侧四分之一位置分别安装有一根所述安装杆3，也就意味着，在进行离心试验时，所述摄像头能够均匀分布在所述土工模型顶部的上方，从而采集到能够满足市售的非接触式光学位移测量软件计算所需要的影像。5000万像素的所述摄像头可以采集高分辨率的影像用于所述控制主机进行精确分析。

图3为在图1所示的模型箱底部平铺放置的设置有1mm×1mm方格的方格纸示意图；图4为在离心机稳定运行的过载下，由所述控制设备通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量计算时，图3所示的方格纸上每个交叉点的偏移值所形成的曲面示意图；图5为图3所示的方格纸上的交叉点在不同过载条件下的偏移值曲线示意图。参见图3-5所示，为了消除采集影像的所述摄像头在离心机高过载运行时由于自身位置不能保持固定所带来的对市售的非接触式光学位移测量软件计算的影响，所述离心模型3D光学位移测量系统的使用步骤如下，

步骤A，在放置所述土工模型进行离心试验前，在所述模型箱底部平铺放置设置有1mm×1mm方格的方格纸，使离心机过载从静止至250g，以10g为间隔，分别在各个间隔的过载下稳定运行3-5分钟，在每个稳定运行的过载下，通过所述控制设备记录所述三个摄像头的影像，从而由所述控制设备计算出在每个稳定运行的过载下通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量时，所述方格纸上每个交叉点P的偏移值；

如图3所示，由于所述方格纸平铺放置在所述模型箱1底部，因此，不管离心机运行的过载有多大，所述方格纸上每个交叉点P都不会产生实际位移。但由于在离心机运行时存在着过载，设置在所述土工模型顶部的所述支撑梁1、所述安装杆2以及所述摄像头都会产生形变，因此，当离心机运行时，使用市售的非接触式光学位移测量软件对通过所述摄像头采集到的影像进行计算时，所述方格纸上每个交叉点P就会产生偏移，为了能够对这个偏移进行定量分析，可以使离心机过载从静止至250g，以10g为间隔，分别在各个间隔的过载下稳定运行3-5分钟，这样就可以得到除静止状态下，在25个稳定运行的过载下，当所述摄像头稳定时，使用市售的非接触式光学位移测量软件对通过所述摄像头采集到的影像进行计算所产生的偏移。

如图4所示，在图中，虚线交叉处的P点表示的是所述方格纸上每个交叉点P的真实位置，实线交叉处的P’点表示的是在离心机稳定运行的过载下使用市售的非接触式光学位移测量软件对通过所述摄像头采集到的影像进行计算得出的所述虚线交叉处的P点的计算位置，也就是说，对于每一个实际位置点P（x，y，z），在不同的过载下，使用市售的非接触式光学位移测量软件对通过所述摄像头采集到的影像进行计算均会得出一个计算位置P’（x’，y’，z’）。这个P’（x’，y’，z’）与P（x，y，z）的差值，也就是在该离心机稳定运行的过载下，所述控制设备计算出的在通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量时，所述方格纸上每个交叉点P的偏移值；

步骤B，通过计算机根据步骤A所计算出所述偏移值，拟合得出每个间隔过载时，在所述模型箱1水平截面上每个点的偏移值所形成的曲面图；从而可以进一步拟合得出在所述模型箱1水平截面上每个点在不同过载条件下的偏移值曲线；

根据步骤A，可以得出在每个稳定运行的间隔过载下的所述方格纸上每个交叉点P的偏移值，这样，通过计算机就可以拟合得出每个间隔过载时，如图4所示的在所述模型箱1水平截面上每个点的偏移值所形成的曲面图；进一步的，也就可以通过计算机拟合得出如图5所示的在所述模型箱1水平截面上每个点在不同过载条件下的偏移值曲线，也就是P（x，y，z）与不同g值的关系曲线P（g）。图5中为了清楚表示，使用虚线标示了所述关系曲线P（g）的两个端点在三轴垂直坐标系上的对应的投影位置。

步骤C，在所述模型箱1内放置所述土工模型，当在离心试验中对所述土工模型顶面进行位移测量时，将所述土工模型顶面划分为水平面投影大小为1mm×1mm的多个区域，在不同过载条件下，通过所述控制设备根据所述三个摄像头的影像采集的影像计算出所述土工模型顶面的每个所述区域位移量，然后根据不同过载条件下，所述区域在水平面投影的位置，将所述区域至少四个端点的位移值减去根据步骤B所得出的每个点的偏移值所得出的所述区域的偏移值，即得出每个所述区域的真实位移，从而得出所述土工模型顶面的真实位移。

将步骤B所拟合出的曲面数据和曲线数据存储在所述控制设备中，当在离心试验中对所述土工模型顶面进行位移测量时，可以将模型顶面划分为水平面投影大小为1mm×1mm的多个区域，在不同的试验过载下，在所述控制设备可使用市售的非接触式光学位移测量软件对通过所述三个摄像头采集到的影像进行计算，得到每个所述区域的位移量，之后可以在所述控制设备上，对于模型顶面的每个所述区域，根据其在当前试验过载下，在所述摄像头采集的影像中所得出的其在所述模型箱1水平面的对应位置（该对应位置可以由所述三个摄像头的影像数据直接通过市售的非接触式光学位移测量软件测算出来），经由所存储的步骤B所拟合出的曲面数据和曲线数据，计算出该区域在试验过载下的偏移值，将市售的非接触式光学位移测量软件计算得出的位移值减去上述偏移值，即可得出该区域的真实位移，得出所述土工模型顶面的真实位移，这样就可以实现在离心试验中对模型顶面位移进行测量。

例如，在离心机开始运行前，将土工模型放置在所述摄像头正下方，所述控制设备可以经由所述摄像头采集的所述土工模型的影像得出所述土工模型顶面的三维位置，在所述土工模型上可以使用喷洒不同颜色的颜料等方法，在所述土工模型顶面划分多个在水平面投影为1mm×1mm的区域，所述控制设备记录下每个所述区域的位置，

当离心机运行到10g时，所述区域产生变形，例如，某个在离心机运行前的1mm×1mm的区域，可能会在离心机运行到10g时变成在水平面投影为2mm×2mm的区域，对于变形后的该区域，根据其至少四个端点，即该2mm×2mm的区域的四个端点在水平投影上的位置，利用步骤B所得的离心机在10g过载下运行时的曲面图，可以得出上述四个端点的偏移值，将由所述控制设备利用市售的非接触式光学位移测量软件测算出来上述四个端点的位移值分别减去上述四个端点的偏移值，即可得出上述四个端点的真实位移，从而可以得出该区域的真实位移，该区域的真实位移可以利用上述四个端点之间的线性连线得出。

在一个优选实施例中，当所述模型箱1内的底面和四壁均设置有间隔1mm的水平和垂直标志线，即所述模型箱1内的底面设置有相互垂直并分别与底面长短边平行的间隔1mm的水平标志线，所述模型箱1内四壁设置有间隔1mm的水平标志线以及与这些水平标志线垂直的间隔1mm的垂直标志线。利用这些标志线，所述控制主机可以很容易的通过所述摄像头采集的影像中的这些标志线作为参照来判断所述土工模型的顶面的不同区域在水平面上的投影位置。也即是所述土工模型的顶面的不同区域所处的x轴和y轴的坐标位置。这样在前述的步骤A中，就不需要再额外使用设置有1mm×1mm方格的方格纸进行校准，而可以直接利用所述模型箱1底面的每个标志线交叉点校准即可，而且在步骤C中，利用这些标志线，可以更方便的帮助市售的非接触式光学位移测量软件利用所述摄像头采集的影像进行所述土工模型顶面的各个区域的水平投影位置确定，从而可以方便校准数据的计算。

本发明所提供的离心模型3D光学位移测量系统，用于在离心试验中对模型顶面的三维位移进行测量，其通过预先对图像采集设备进行校准，采集并计算不同过载条件下，图像采集设备自身的位移偏差。从而使得在对离心试验中模型顶面位移进行测量时，在测量结果中去除偏差部分，即可得到模型顶面的真实三维位移数据。本发明所提供的离心模型3D光学位移测量系统，解决了在离心试验中利用非接触式光学位移测量方法，特别是3D光学位移测量方法从模型上部对模型顶面进行三维位移测量的问题。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种离心模型3D光学位移测量系统，其用于在离心试验中对土工模型顶面的三维位移进行测量，其包括一个用于装载所述土工模型并放置于离心机吊篮中的长方体结构的模型箱，所述模型箱顶部固定连接有一根支撑梁，其特征在于，所述支撑梁固定连接有三根安装杆，在所述安装杆上均连接有摄像头，所述模型箱内进一步固定有用于照明的光源；

所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机吊篮内与所述摄像头连接的影像采集设备，所述影像采集设备包括一个分别与所述摄像头连接的信号接收器，一个与所述信号接收器连接的处理器，一个与所述处理器连接的存储卡，一个与所述处理器连接的第一无线模块；

所述离心模型3D光学位移测量系统进一步包括一个设置在所述离心机外的控制设备，所述控制设备包括一个用于与所述第一无线模块建立通讯连接的第二无线模块以及一个与所述第二无线模块连接的控制主机；

其使用步骤如下，

步骤A，在放置所述土工模型进行离心试验前，在所述模型箱底部平铺放置设置有1mm×1mm方格的方格纸，使离心机过载从静止至250g，以10g为间隔，分别在各个间隔的过载下稳定运行3-5分钟，在每个稳定运行的过载下，通过所述控制设备记录所述三个摄像头的影像，从而由所述控制设备计算出在每个稳定运行的过载下通过所述三个摄像头的影像进行3D位移测量时，所述方格纸上每个交叉点的偏移值；

步骤B，通过计算机根据步骤A所计算出所述偏移值，拟合得出每个间隔过载时，在所述模型箱水平截面上每个点的偏移值所形成的曲面图；从而进一步拟合得出在所述模型箱水平截面上每个点在不同过载时的偏移值曲线；

步骤C，在所述模型箱内放置所述土工模型，当在离心试验中对所述土工模型顶面进行位移测量时，将所述土工模型顶面划分为水平面投影大小为1mm×1mm的多个区域，在不同过载条件下，通过所述控制设备根据所述三个摄像头的影像采集的影像计算出所述土工模型顶面的每个所述区域位移量，然后根据不同过载条件下，所述区域在水平面投影的位置，将所述区域至少四个端点的位移值减去根据步骤B所得出的每个点的偏移值所得出的所述区域的偏移值，即得出每个所述区域的真实位移，从而得出所述土工模型顶面的真实位移。

2.根据权利要求1所述的离心模型3D光学位移测量系统，其特征在于，所述支撑梁端面边沿与所述模型箱边沿均设置有用于校准所述支撑梁安装位置的刻度标尺。

3.根据权利要求1所述的离心模型3D光学位移测量系统，其特征在于，所述光源为与所述摄像头一体设置的LED灯。

4.根据权利要求1所述的离心模型3D光学位移测量系统，其特征在于，所述支撑梁与所述安装杆均为中空“口”型结构杆件。

5.根据权利要求1所述的离心模型3D光学位移测量系统，其特征在于，所述模型箱长宽高分别为120cm、80cm、90cm。

6.根据权利要求1所述的离心模型3D光学位移测量系统，其特征在于，所述模型箱与所述支撑梁通过螺栓连接。

7.根据权利要求1所述的离心模型3D光学位移测量系统，其特征在于，所述安装杆固定连接在所述支撑梁的四等分位置，所述摄像头为5000万像素摄像头。