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一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，能夠較好地獲得對天然巖石進(jìn)行爆破載荷下的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。所述系統(tǒng)包括：加載單元，用于對天然巖石試塊進(jìn)行爆炸加載，在試塊中產(chǎn)生超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場；攝像單元，用于通過至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元對天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行交替拍照或同時(shí)拍照，獲得不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展圖像；光源單元，用于為所述天然巖石試塊提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線；同步單元，用于對所述加載單元、攝像單元、光源單元的動(dòng)作進(jìn)行同步控制。本實(shí)用新型適用于對天然巖石進(jìn)行爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及材料的相關(guān)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種巖石爆破作用下的超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測分析系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室中對爆破載荷作用下巖石的動(dòng)態(tài)破壞機(jī)理的研究方法主要有動(dòng)光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)動(dòng)焦散實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀等等。但是，當(dāng)前建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大多還是僅對模型材料進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)的，得到的結(jié)論與真實(shí)天然巖石還有一定的差另O。如何實(shí)現(xiàn)對天然真實(shí)的巖石進(jìn)行爆破載荷作用下的相關(guān)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分析巖石試塊平面內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場或裂紋尖端的應(yīng)變場是科研工作者始終努力的目標(biāo)。
[0003]由于巖石材料彈模較大、泊松比較小，屬于脆性材料，在爆炸載荷作用下，其應(yīng)變值相對金屬等材料較小，采用常規(guī)的光測方法進(jìn)行分析時(shí)，常常由于拍攝圖像的質(zhì)量較差，無法在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠的信息，導(dǎo)致后期分析處理時(shí)，得不到理想的數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，能夠較好地獲得對天然巖石進(jìn)行相關(guān)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。
[0005]為解決上述問題，本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng),包括:
[0007]加載單元，用于對天然巖石試塊進(jìn)行爆炸加載，在試塊中產(chǎn)生超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場；
[0008]攝像單元，具有至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元，用于通過所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元對天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行交替拍照或同時(shí)拍照，獲得不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展圖像；
[0009]光源單元，用于為所述天然巖石試塊提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線，滿足所述攝像單元在拍照過程中所需要的曝光強(qiáng)度；
[0010]同步單元，用于對所述加載單元、攝像單元、光源單元的動(dòng)作進(jìn)行同步控制。
[0011 ] 可選地，所述巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)還包括:
[0012]數(shù)字圖像分析單元，用于對所述攝像單元拍攝的圖片進(jìn)行分析，得到拍攝物體在動(dòng)態(tài)載荷作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場的時(shí)空分布特征。
[0013]可選地，所述攝像單元還包括:
[0014]分光子單元，用于將所述天然巖石試塊的反射光復(fù)制成至少兩束光束，所述至少兩束光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元；
[0015]成像控制子單元，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元交替成像；在其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束光束曝光后，對該數(shù)碼成像子單元一次成像產(chǎn)生的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)移處理的過程中，啟動(dòng)另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束光束進(jìn)行曝光。[0016]可選地，所述攝像單元還可包括:
[0017]分光子單元，用于將所述天然巖石試塊的反射光分離成至少兩束子光束，所述至少兩束子光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元；其中，不同的子光束代表來自于所述天然巖石試塊上不同區(qū)域的反射光或者代表不同波長的反射光；
[0018]成像控制子單元，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元同時(shí)成像；在控制其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束子光束曝光的同時(shí)，控制另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束子光束進(jìn)行同時(shí)曝光；
[0019]圖像組合子單元，用于對所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元的所形成的數(shù)碼圖像進(jìn)行組合。
[0020]可選地，所述光源單元為LED散光源。
[0021]可選地，所述加載單元包括:
[0022]U型夾具，在所述U型夾具頂部的內(nèi)側(cè)，相對設(shè)有兩個(gè)呈圓柱狀的卡持端，其中一個(gè)卡持端為固定卡持端，另一個(gè)卡持端為活動(dòng)卡持端；所述固定卡持端靠近所述攝像單元，所述活動(dòng)卡持端遠(yuǎn)離所述攝像單元；試塊放置到所述U型夾具上并抵靠在所述固定卡持端，通過移動(dòng)所述活動(dòng)卡持端將所述試塊卡持在U形夾具內(nèi)側(cè)；
[0023]導(dǎo)煙管，套設(shè)在所述固定卡持端的外圍，在所述導(dǎo)煙管內(nèi)壁與所述固定卡持端的外壁之間形成有導(dǎo)煙通道；
[0024]多通道起爆器，所述多通道起爆器通過起爆導(dǎo)線與所述試塊的炮孔中的炸藥相連，其中所述起爆導(dǎo)線包括并行設(shè)置的第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線，所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部相斷開且相鄰近；所述多通道起爆器還與順序觸發(fā)裝置相連，順序觸發(fā)裝置與所述同步單元相連；同步單元?jiǎng)幼鳎ㄟ^所述順序觸發(fā)裝置控制所述多通道起爆器動(dòng)作，使所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)，所述攝像單元及光源單元同步動(dòng)作；
[0025]防護(hù)玻璃，圍設(shè)在所述U型夾具外圍，或者隔擋在所述U型夾具和所述攝像單元之間。
[0026]可選地，所述同步單元包括:
[0027]觸發(fā)模塊，用于手動(dòng)觸發(fā)產(chǎn)生控制信號；
[0028]控制信號分發(fā)模塊，與所述觸發(fā)模塊、順序觸發(fā)裝置、攝像單元及光源單元分別相連，用于將所述觸發(fā)模塊產(chǎn)生的控制信號同步輸出給所述順序觸發(fā)裝置、攝像單元及光源單元；所述順序觸發(fā)裝置根據(jù)所述控制信號控制所述多通道起爆器動(dòng)作，使所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)，所述攝像單元根據(jù)所述控制信號開始拍照動(dòng)作、所述光源單元根據(jù)所述控制信號開始提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線的動(dòng)作。
[0029]可選地，所述同步單元還可包括:觸發(fā)導(dǎo)線，其一端與所述攝像單元相連，另一端位于所述試塊的炮孔并與所述起爆導(dǎo)線相鄰近；其中
[0030]所述觸發(fā)導(dǎo)線包括并行設(shè)置的第一觸發(fā)導(dǎo)線和第二觸發(fā)導(dǎo)線，所述第一觸發(fā)導(dǎo)線和第二觸發(fā)導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部相斷開且相鄰近。
[0031]可選地，所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，所述數(shù)字圖像分析單元，用于基于數(shù)字相關(guān)圖像測量方法，利用變形先后的兩幅圖像的進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而達(dá)到求解變形體表面位移，進(jìn)而對位移進(jìn)行數(shù)值微分處理，即得到應(yīng)變場，得到拍攝物體在動(dòng)態(tài)載荷作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場的時(shí)空分布特征。
[0032]可選地，所述分光子單元包括:
[0033]第一分光鏡和第二分光鏡；入射到所述第一分光鏡上的第一光束，經(jīng)所述第一分光鏡形成第二光束和第三光束；所述第三光束入到所述第二分光鏡上后，經(jīng)所述第二分光鏡形成第四光束和第五光束；或者
[0034]所述分光子單元包括一個(gè)多次反射棱鏡；其中，所述多次反射棱鏡的上表面具有分光特性，多次反射棱鏡的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱鏡上時(shí)，部分光將通過多次反射棱鏡上表面反射，部分光將透過多次反射棱鏡上表面并由多次反射棱鏡下表面反射再經(jīng)上表面出射，使入射光分為兩束或兩束以上的光。
[0035]可選地，所述分光子單元包括一個(gè)二向色分光鏡；
[0036]所述天然巖石試塊的反射光照射到所述二向色分光鏡上，使得波長大于885nm的光透射形成其中一份子光束，而波長小于885nm的光反射,形成另一份子光束，從而形成兩路光；所述的至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元可在同一時(shí)刻對所述兩路光分別單獨(dú)成像，然后通過圖像組合子單元，將所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元在該同一時(shí)刻對天然巖石試塊所反射的兩路光單獨(dú)形成的圖像進(jìn)行組合，得到在該同一時(shí)刻天然巖石試塊整個(gè)視場范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展圖像。
[0037]本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，在對天然巖石試塊進(jìn)行爆炸加載的同時(shí)，對所述天然巖石試塊進(jìn)行光照射，并同時(shí)采用攝像單元，對天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行拍照，獲得不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)在高速動(dòng)態(tài)斷裂過程中記錄下足夠的信息，尤其是應(yīng)力波傳播和裂紋擴(kuò)展過程中，應(yīng)力波波陣面和裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變演化過程，從而較好地獲得對天然巖石進(jìn)行相關(guān)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0039]圖1為本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0040]圖2為本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)一實(shí)施例中加載單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖3為本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)一實(shí)施例中導(dǎo)煙管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖4為本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)一實(shí)施例中起爆導(dǎo)線和觸發(fā)導(dǎo)線在炮孔中的布置示意圖；
[0043]圖5為本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)一實(shí)施例中攝像單元的方框結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖6為本實(shí)用新型巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)一實(shí)施例中采用分光鏡進(jìn)行分光的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖7為本實(shí)用新型巖石超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)另一實(shí)施例中攝像單元的方框結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型實(shí)施例一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)明確，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0047]參看圖1所示，本實(shí)用新型一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)【具體實(shí)施方式】，包括:加載單元1，用于對天然巖石試塊S進(jìn)行爆炸加載，在試塊中產(chǎn)生超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場；攝像單元2，具有至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元，用于通過所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元對天然巖石試塊S中的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行交替拍照或同時(shí)拍照，獲得不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展圖像；光源單元3，用于為所述天然巖石試塊S提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線，滿足所述攝像單元2在拍照過程中所需要的曝光強(qiáng)度；同步單元4，用于對所述加載單元1、攝像單元2、光源單元3的動(dòng)作進(jìn)行同步控制。
[0048]本實(shí)用新型提供的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)【具體實(shí)施方式】，在對天然巖石試塊進(jìn)行爆炸加載的同時(shí)，對所述天然巖石試塊進(jìn)行光照射，并同時(shí)采用攝像單元，對天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行拍照，獲得不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)在高速動(dòng)態(tài)斷裂過程中記錄下足夠的信息，尤其是應(yīng)力波傳播和裂紋擴(kuò)展過程中，應(yīng)力波波陣面和裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變演化過程，從而較好地獲得對天然巖石進(jìn)行相關(guān)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。
[0049]參看圖1至圖4所示，本實(shí)用新型一實(shí)施例中采用爆炸加載的方式。所述加載單元I包括:多通道起爆器10，所述多通道起爆器通過起爆導(dǎo)線11與所述試塊S的炮孔b中的炸藥相連，其中所述起爆導(dǎo)線11包括并行設(shè)置的第一起爆導(dǎo)線111和第二起爆導(dǎo)線112，所述第一起爆導(dǎo)線111和第二起爆導(dǎo)線112位于所述炮孔b中的端部相斷開且相鄰近；所述多通道起爆器10還與順序觸發(fā)裝置12相連，順序觸發(fā)裝置12與所述同步單元4相連；同步單元4動(dòng)作，通過所述順序觸發(fā)裝置12控制所述多通道起爆器動(dòng)作，使所述第一起爆導(dǎo)線111和第二起爆導(dǎo)線112位于所述炮孔b中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)，所述攝像單元2及光源單元3同步動(dòng)作；U型夾具14，在所述U型夾具頂部的內(nèi)側(cè)，相對設(shè)有兩個(gè)呈圓柱狀的卡持端，其中一個(gè)卡持端為固定卡持端141，另一個(gè)卡持端為活動(dòng)卡持端142 ;所述固定卡持端靠近所述攝像單元,所述活動(dòng)卡持端遠(yuǎn)離所述攝像單元；試塊S放置到所述U型夾具上并抵靠在所述固定卡持端，通過移動(dòng)所述活動(dòng)卡持端將所述試塊卡持在U形夾具內(nèi)側(cè)；其中，將所述活動(dòng)卡持端遠(yuǎn)離所述攝像單元設(shè)置，有利于提高操作的安全性，防止所述活動(dòng)卡持端因受爆炸的沖擊而飛離，對操作人員操作傷害；導(dǎo)煙管15，參看圖3，套設(shè)在所述固定卡持端141的外圍，在所述導(dǎo)煙管內(nèi)壁與所述固定卡持端的外壁之間形成有導(dǎo)煙通道；把帶缺口的一端黏貼在試塊上，使炮孔位于導(dǎo)煙管徑內(nèi)，使爆炸時(shí)炮眼內(nèi)產(chǎn)生的煙塵集中向?qū)煿軆?nèi)擴(kuò)散，有利于減輕拍攝的干擾。導(dǎo)煙管15可由PVC材料制成。[0050]防護(hù)玻璃(圖中未示出)，圍設(shè)在所述U型夾具外圍，或者隔擋在所述U型夾具和所述攝像單元之間。
[0051]可選地，在一實(shí)施例中，所述同步單元4包括:觸發(fā)模塊，用于手動(dòng)觸發(fā)產(chǎn)生控制信號；控制信號分發(fā)模塊，與所述觸發(fā)模塊、順序觸發(fā)裝置、攝像單元及光源單元分別相連，用于將所述觸發(fā)模塊產(chǎn)生的控制信號同步輸出給所述順序觸發(fā)裝置、攝像單元及光源單元；所述順序觸發(fā)裝置根據(jù)所述控制信號控制所述多通道起爆器動(dòng)作，使所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)，所述攝像單元根據(jù)所述控制信號開始拍照動(dòng)作、所述光源單元根據(jù)所述控制信號開始提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線的動(dòng)作。
[0052]參看圖4所示，可選地，在一實(shí)施例中，所述同步單元4還可以包括:觸發(fā)導(dǎo)線13，參看圖2，其一端與所述攝像單元2相連，另一端位于所述試塊的炮孔b中并與所述起爆導(dǎo)線11相鄰近；其中，所述觸發(fā)導(dǎo)線13包括并行設(shè)置的第一觸發(fā)導(dǎo)線131和第二觸發(fā)導(dǎo)線132，所述第一觸發(fā)導(dǎo)線131和第二觸發(fā)導(dǎo)線132位于所述炮孔b中的端部相斷開且相鄰近。
[0053]本實(shí)施例中，在所述第一起爆導(dǎo)線111和第二起爆導(dǎo)線112位于所述炮孔b中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆時(shí)，通過所述火花放電或者通過炸藥爆炸的瞬間產(chǎn)生的空氣擊穿現(xiàn)象，能夠使所述第一觸發(fā)導(dǎo)線131和第二觸發(fā)導(dǎo)線132位于所述炮孔b中的端部相短路，從而也能夠觸發(fā)攝像單元2的動(dòng)作；本實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)了攝像單元2的觸發(fā)動(dòng)作的冗余設(shè)置，在同步單元4對攝像單元2的觸發(fā)失效的情況下，也能通過所述觸發(fā)導(dǎo)線對所述攝像單元2的動(dòng)作進(jìn)行觸發(fā)，提高了攝像單元4觸發(fā)動(dòng)作的可靠性。
[0054]參看圖5所示,在前述巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】中，所述攝像單元2還可包括:分光子單元21，用于將所述天然巖石試塊的反射光復(fù)制成至少兩束光束，所述至少兩束光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元22 ;成像控制子單元23，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元22交替成像；在其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束光束曝光后，對該數(shù)碼成像子單元一次成像產(chǎn)生的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)移處理的過程中，啟動(dòng)另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束光束進(jìn)行曝光。
[0055]本實(shí)施方式中，能夠充分利用一個(gè)數(shù)碼成像子單元成像的幀間隔時(shí)間啟動(dòng)另一個(gè)數(shù)碼成像子單元進(jìn)行曝光處理，從而提高對天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂圖像的獲得速度。
[0056]參看圖5所示，在本實(shí)施方式的一具體實(shí)施例中，其中的分光子單元21可采用一套分光鏡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。通過一套光學(xué)輸入鏡頭和一套分光鏡系統(tǒng)將所述天然巖石試塊的反射光復(fù)制成4束光L1、L2、L3、L4，并依次入射到4個(gè)獨(dú)立的數(shù)碼CCD(Charge-coupledDevice,電荷稱合元件)上，通過電腦和程序依次控制每個(gè)(XD的拍攝記錄順序,實(shí)現(xiàn)高分辨率下超高速攝像。其最快記錄速度能達(dá)到8滿幅影像(1280*1024 pixels)，3ns幀間隔時(shí)間，可以拍攝到不同應(yīng)力波前期的分離和后期的相互作用現(xiàn)象。
[0057]其中的每個(gè)數(shù)碼成像子單元，均可以采用現(xiàn)有的普通高分辨率數(shù)碼相機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這樣采用現(xiàn)有普通的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，也能夠獲得高速高分辨率的天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂圖像，成本較低，便于實(shí)現(xiàn)。
[0058]參看圖6，在本實(shí)施方式的另一具體實(shí)施例中，所述分光子單元可以包括:第一分光鏡I和第二分光鏡2 ;入射到所述第一分光鏡I上的第一光束I，經(jīng)所述第一分光鏡I形成第二光束11和第三光束12 ;所述第三光束12入到所述第二分光鏡2上后，經(jīng)所述第二分光鏡2形成第四光束121和第五光束122。這樣,使一束入射光可以形成多束光。
[0059]在本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中，所述分光子單元可以包括一個(gè)多次反射棱鏡；其中，所述多次反射棱鏡的上表面具有分光特性，多次反射棱鏡的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱鏡上時(shí)，部分光將通過多次反射棱鏡上表面反射，部分光將透過多次反射棱鏡上表面并由多次反射棱鏡下表面反射再經(jīng)上表面出射，使入射光分為兩束或兩束以上的光。
[0060]可選地，在本實(shí)施方式的另一具體實(shí)施例中，所述分光子單元還可以包括光程調(diào)節(jié)部件(圖中未示出)，用于對所述光束的光程進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0061]參看圖7所示,在前述巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】中，所述的攝像單元2也可采取如下結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即所述攝像單元2還可包括:分光子單元24，用于將所述天然巖石試塊的反射光L分離成至少兩束子光束，如分成L1、L2、L3、L4四份子光束，所述至少兩束王光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元25 ;其中，不同的子光束代表來自于所述天然巖石試塊上不同區(qū)域的反射光；成像控制子單元26，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元同時(shí)成像；在控制其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束王光束曝光的同時(shí)，控制另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束i光束進(jìn)行同時(shí)曝光；圖像組合子單元27，用于對所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元的所形成的數(shù)碼圖像進(jìn)行組合。
[0062]在本實(shí)施方式中，至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元可在同一時(shí)刻對天然巖石試塊上不同區(qū)域分別單獨(dú)成像，然后通過圖像組合子單元，將所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元在該同一時(shí)刻對天然巖石試塊上不同區(qū)域單獨(dú)形成的圖像進(jìn)行組合，得到在該同一時(shí)刻天然巖石試塊整個(gè)視場范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展圖像。
[0063]由于每個(gè)數(shù)碼成像子單元僅針對天然巖石試塊上的局部區(qū)域單獨(dú)形成的圖像，或者僅將天然巖石試塊上的局部區(qū)域?yàn)槌上裰行膯为?dú)形成的圖像，這樣用來轉(zhuǎn)換為電子的光子較少，減少了數(shù)碼成像子單元的曝光及電荷轉(zhuǎn)移的時(shí)間，從而提高了每個(gè)數(shù)碼成像子單元的拍照速度。這樣采用現(xiàn)有普通的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，也能夠獲得高速高分辨率的天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂圖像，成本較低，便于實(shí)現(xiàn)。
[0064]在前述巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】中，所述的攝像單元還可采取如下結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即所述攝像單元還可包括:分光子單元，用于將所述天然巖石試塊的反射光分離成至少兩束子光束，所述至少兩束子光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元；其中，不同的子光束不同波長的反射光；成像控制子單元，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元同時(shí)成像；在控制其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束子光束曝光的同時(shí)，控制另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束子光束進(jìn)行同時(shí)曝光；圖像組合子單元，用于對所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元的所形成的數(shù)碼圖像進(jìn)行組合。
[0065]在本實(shí)施方式的一實(shí)施例中，可采用二向色分光鏡將所述天然巖石試塊的反射光分離成兩束子光束，即將所述天然巖石試塊的反射光照射到二向色分光鏡上，使得波長大于885nm的光透射形成其中一份子光束，而波長小于885nm的光反射，形成另一份子光束，從而形成兩路光。所述的至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元可在同一時(shí)刻對所述兩路光分別單獨(dú)成像，然后通過圖像組合子單元，將所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元在該同一時(shí)刻對天然巖石試塊所反射的兩路光單獨(dú)形成的圖像進(jìn)行組合，得到在該同一時(shí)刻天然巖石試塊整個(gè)視場范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展圖像。
[0066]與前述【具體實(shí)施方式】相似，由于每個(gè)數(shù)碼成像子單元僅針對天然巖石試塊的反射光中的一份子光束單獨(dú)形成的圖像，這樣用來轉(zhuǎn)換為電子的光子較少，減少了數(shù)碼成像子單元的曝光及電荷轉(zhuǎn)移的時(shí)間，從而提高了每個(gè)數(shù)碼成像子單元的拍照速度。這樣采用現(xiàn)有普通的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，也能夠獲得高速高分辨率的天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂圖像，成本較低，便于實(shí)現(xiàn)。
[0067]在前述巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】中，優(yōu)選地，所述光源單元為LED散光源。
[0068]在超動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，要拍攝到較為理想的圖片，就需要在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的曝光強(qiáng)度。在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)LED散光源可滿足實(shí)驗(yàn)要求，且LED的發(fā)光強(qiáng)度與正向電流IF幾乎成線性關(guān)系，即增加正向電流IF可增加發(fā)光強(qiáng)度。對比其它種類的光源，LED光源具有以下一系列優(yōu)勢:
[0069](I)色平衡好:系統(tǒng)的色平衡是運(yùn)用三基色LED開啟時(shí)間的合理配置實(shí)現(xiàn)的，而無需象使用高壓汞燈的系統(tǒng)那樣將某些基色光衰減以實(shí)現(xiàn)白平衡。
[0070](2)體積小:節(jié)約引擎空間，有利于小型化、輕量化。
[0071](3)無需預(yù)熱::大大縮短了當(dāng)前其它光源長達(dá)數(shù)分鐘的開機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)開機(jī)。
[0072](4)無有害 光線:LED不輻射UH衛(wèi)燈固有的紫外光，從根本上消除了有害輻射光；同時(shí)引起發(fā)熱的紅外光相對而言也小得多，有利于其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全，提高了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。
[0073](5)壽命長:UHP是氣體放電燈；而LED是固體發(fā)光器件,具有長得多的使用壽命，如LulniLEDs公司聲稱其LED使用壽命在五萬小時(shí)以上。
[0074](6)光源使用成本低:由于光源使用壽命長，隨著價(jià)格不斷下降綜合成本不到UHP燈的10%。
[0075]超動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的同步控制，需要一個(gè)中樞同步控制系統(tǒng)，即同步單元，其與數(shù)碼成像子單元相結(jié)合，通過輸出一個(gè)TTL型號給外接高亮光源，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼成像子單元和外接光源的精確同步控制；該同步單元還可以接入一個(gè)通斷/斷通信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的觸發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步。
[0076]參看圖1所示，可選地，所述巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)還可包括圖像分析處理單元5，用于對所述攝像單元拍攝的照片進(jìn)行運(yùn)算，得到巖石試塊表面應(yīng)變場的分布。
[0077]所述數(shù)字圖像分析單元，用于基于數(shù)字相關(guān)圖像測量方法，利用變形先后的兩幅圖像的進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而達(dá)到求解變形體表面位移，進(jìn)而對位移進(jìn)行數(shù)值微分處理，即得到應(yīng)變場，得到拍攝物體在動(dòng)態(tài)載荷作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場的時(shí)空分布特征。
[0078]其中，數(shù)字圖像相關(guān)方法是運(yùn)用白光散斑相關(guān)技術(shù)，獲得物體表面的每一點(diǎn)上的拉格朗日應(yīng)變張量，即而得到物體試塊平面內(nèi)(2D)或平面外(3D)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力場。本實(shí)施例把數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用到巖石的超動(dòng)態(tài)斷裂和應(yīng)力波的傳播中，實(shí)現(xiàn)對巖石超動(dòng)態(tài)力學(xué)的測試。
[0079]本實(shí)施方式的一具體實(shí)施例中的數(shù)字圖像分析單元采用美國CorrelatedSolution公司(CSI)的VIC分析系統(tǒng)是來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的3D/2D數(shù)字圖像相關(guān)性運(yùn)算方法，測量任意的位移和形變，從500微應(yīng)變至500%以上的應(yīng)變，樣品的尺度在Imm至IOm0樣品準(zhǔn)備簡單，只需噴漆；系統(tǒng)啟動(dòng)在I個(gè)小時(shí)內(nèi)可以完成；試驗(yàn)過程中，只需白光照明，不要求激光或其它特殊照明條件，同時(shí)可以隨時(shí)對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行校正，做實(shí)時(shí)的模擬輸出及數(shù)據(jù)處理；集成軟件操作容易，三維繪圖可以方便的插入MS-OFFICE等文檔處理軟件；整個(gè)測量過程是非接觸的，不存在機(jī)械力交互作用，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
[0080]本實(shí)用新型中所述的攝像單元是指圖像分辨率在1024*1024以上的攝像單元；所述的攝像單元的拍攝速度為lOOOOOOfps以上；所述的LED是指具備6，400-8, 000流明亮度的 LED。
[0081]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分流程，是可以通過計(jì)算機(jī)程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，可包括如上述各方法的實(shí)施例的流程。其中，所述的存儲介質(zhì)可為磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(Read-Only Memory, ROM)或隨機(jī)存儲記憶體(Random AccessMemory, RAM)等。
[0082]以上所述，僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括: 加載單元，用于對天然巖石試塊進(jìn)行爆炸加載，在試塊中產(chǎn)生超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場； 攝像單元，具有至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元，用于通過所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元對天然巖石試塊中的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行交替拍照或同時(shí)拍照，獲得不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展圖像； 光源單元，用于為所述天然巖石試塊提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線，滿足所述攝像單元在拍照過程中所需要的曝光強(qiáng)度； 同步單元，用于對所述加載單元、攝像單元、光源單元的動(dòng)作進(jìn)行同步控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像單元還包括: 分光子單元，用于將所述天然巖石試塊的反射光復(fù)制成至少兩束光束，所述至少兩束光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元； 成像控制子單元，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元交替成像；在其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束光束曝光后，對該數(shù)碼成像子單元一次成像產(chǎn)生的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)移處理的過程中，啟動(dòng)另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束光束進(jìn)行曝光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像單元還包括: 分光子單元，用于將所述天然巖石試塊的反射光分離成至少兩束子光束，所述至少兩束子光束對應(yīng)入射到所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元；其中，不同的子光束代表來自于所述天然巖石試塊上不同區(qū)域的反射光或者代表不同波長的反射光； 成像控制子單元，用于控制所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元同時(shí)成像；在控制其中一個(gè)數(shù)碼成像子單元對其中一束子光束曝光的同時(shí)，控制另一個(gè)數(shù)碼成像子單元對另一束子光束進(jìn)行同時(shí)曝光； 圖像組合子單元，用于對所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元的所形成的數(shù)碼圖像進(jìn)行組口 ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述光源單元為LED散光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述加載單元包括: U型夾具，在所述U型夾具頂部的內(nèi)側(cè)，相對設(shè)有兩個(gè)呈圓柱狀的卡持端，其中一個(gè)卡持端為固定卡持端，另一個(gè)卡持端為活動(dòng)卡持端；所述固定卡持端靠近所述攝像單元，所述活動(dòng)卡持端遠(yuǎn)離所述攝像單元；試塊放置到所述U型夾具上并抵靠在所述固定卡持端，通過移動(dòng)所述活動(dòng)卡持端將所述試塊卡持在U形夾具內(nèi)側(cè)； 導(dǎo)煙管，套設(shè)在所述固定卡持端的外圍，在所述導(dǎo)煙管內(nèi)壁與所述固定卡持端的外壁之間形成有導(dǎo)煙通道； 多通道起爆器，所述多通道起爆器通過起爆導(dǎo)線與所述試塊的炮孔中的炸藥相連，其中所述起爆導(dǎo)線包括并行設(shè)置的第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線，所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部相斷開且相鄰近；所述多通道起爆器還與順序觸發(fā)裝置相連，順序觸發(fā)裝置與所述同步單元相連；同步單元?jiǎng)幼鳎ㄟ^所述順序觸發(fā)裝置控制所述多通道起爆器動(dòng)作，使所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)，所述攝像單元及光源單元同步動(dòng)作； 防護(hù)玻璃，圍設(shè)在所述U型夾具外圍，或者隔擋在所述U型夾具和所述攝像單元之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述同步單元包括: 觸發(fā)模塊，用于手動(dòng)觸發(fā)產(chǎn)生控制信號； 控制信號分發(fā)模塊，與所述觸發(fā)模塊、順序觸發(fā)裝置、攝像單元及光源單元分別相連，用于將所述觸發(fā)模塊產(chǎn)生的控制信號同步輸出給所述順序觸發(fā)裝置、攝像單元及光源單元；所述順序觸發(fā)裝置根據(jù)所述控制信號控制所述多通道起爆器動(dòng)作，使所述第一起爆導(dǎo)線和第二起爆導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部產(chǎn)生火花放電對所述炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)，所述攝像單元根據(jù)所述控制信號開始拍照動(dòng)作、所述光源單元根據(jù)所述控制信號開始提供照明或補(bǔ)強(qiáng)照明光線的動(dòng)作。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述同步單元還包括: 觸發(fā)導(dǎo)線，其一端與所述攝像單元相連，另一端位于所述試塊的炮孔中并與所述起爆導(dǎo)線相鄰近；其中 所述觸發(fā)導(dǎo)線包括并行設(shè)置的第一觸發(fā)導(dǎo)線和第二觸發(fā)導(dǎo)線，所述第一觸發(fā)導(dǎo)線和第二觸發(fā)導(dǎo)線位于所述炮孔中的端部相斷開且相鄰近。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述分光子單元包括: 第一分光鏡和第二分光鏡；入射到所述第一分光鏡上的第一光束，經(jīng)所述第一分光鏡形成第二光束和第三光束；所述第三光束入到所述第二分光鏡上后，經(jīng)所述第二分光鏡形成第四光束和第五光束；或者 所述分光子單元包括一個(gè)多次反射棱鏡；其中，所述多次反射棱鏡的上表面具有分光特性，多次反射棱鏡的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱鏡上時(shí)，部分光將通過多次反射棱鏡上表面反射，部分光將透過多次反射棱鏡上表面并由多次反射棱鏡下表面反射再經(jīng)上表面出射，使入射光分為兩束或兩束以上的光。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的巖石爆破超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述分光子單兀包括一個(gè)二向色分光鏡； 所述天然巖石試塊的反射光照射到所述二向色分光鏡上，使得波長大于885nm的光透射形成其中一份子光束，而波長小于885nm的光反射,形成另一份子光束,從而形成兩路光；所述的至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元可在同一時(shí)刻對所述兩路光分別單獨(dú)成像，然后通過圖像組合子單元，將所述至少兩個(gè)數(shù)碼成像子單元在該同一時(shí)刻對天然巖石試塊所反射的兩路光單獨(dú)形成的圖像進(jìn)行組合，得到在該同一時(shí)刻天然巖石試塊整個(gè)視場范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展圖像。
【文檔編號】G01N3/00GK203811458SQ201320854846
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】楊仁樹, 孫強(qiáng), 楊立云 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)