一种岩石裂纹扩展实时监测系统及反演分析方法
本发明涉及岩石力学和材料科学，具体为一种岩石裂纹扩展实时监测系统及反演分析方法及其使用方法。
背景技术：
1、在岩石力学和材料科学领域，研究材料力学性能和破坏行为的实验方法多种多样，包括单轴压缩实验、劈裂实验和针入实验等，然而传统的实验装置主要依赖于机械加载和简单的位移测量，无法实时监测和分析裂纹的扩展过程，这种限制导致对材料破坏机制的理解不足，且由于在不同环境条件下(如酸碱度和温度)会表现出不同的力学特性和裂纹扩展行为，而传统的实验装置难以模拟和控制这些复杂环境条件，导致实验数据存在较大的局限性，同时影响实验数据的精确性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种岩石裂纹扩展实时监测系统及反演分析方法。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种岩石裂纹扩展实时监测系统，包括防护壳体、调试监测终端和自清洁输液调节器，所述防护壳体顶部的中端固定安装有液压缸，所述液压缸的输出端螺纹连接有固定筒，所述固定筒的内腔活动连接有测试针杆，所述防护壳体右侧的下端固定连接有储液箱，所述储液箱左侧的下端通过管道固定安装有输送泵，所述防护壳体右侧的中端固定安装有电动推杆，所述输送泵的输出端通过管道与电动推杆的输出端之间固定安装有环形喷管，所述防护壳体底部的中端固定连接有循环箱，所述循环箱底部的左端固定安装有制冷器，所述循环箱内腔的中端固定安装有ptc加热器，所述循环箱外表面的顶部固定连接有支撑台，所述支撑台外表面的顶部固定连接有环形垫圈，所述支撑台的上端通过轴承活动连接有双向螺杆，所述双向螺杆的两端均螺纹连接有移动架，所述移动架的表面活动连接于支撑台的表面，所述移动架的上端固定连接有弧形夹板，所述防护壳体内腔的两端均固定安装有第一滑轨，所述第一滑轨的表面活动连接有第一滑块，所述第一滑块的数量为六个，两个所述第一滑块的表面之间固定安装有第二滑轨，所述第二滑轨的数量为三个，所述第二滑轨的表面活动连接有第二滑块，所述第二滑块的正表面固定安装有综合屏蔽箱，三个所述综合屏蔽箱的内腔由上至下依次固定安装有激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器。
3、作为优选方案，所述测试针杆的上端开设有环形锁紧槽，所述固定筒右侧的下端螺纹连接有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓的左端活动连接于环形锁紧槽的右端。
4、作为优选方案，所述循环箱的右侧固定安装有循环扇，所述循环扇的右侧固定连接有防护网罩。
5、作为优选方案，所述防护壳体的底部通过轴承活动连接有刹车脚轮，所述刹车脚轮的数量为四个。
6、作为优选方案，所述储液箱的正表面固定连接有透明视液板，所述储液箱的顶部固定连接有加注管，所述储液箱包括玻璃钢层与聚四氟乙烯层，且玻璃钢层的内表面固定连接于聚四氟乙烯层的外表面。
7、作为优选方案，所述防护壳体外表面的左侧固定连接有支撑板，所述调试监测终端的底部固定安装于支撑板的顶部，所述调试监测终端正表面的右端由上至下依次固定安装有中央控制器和储存硬盘。
8、作为优选方案，所述防护壳体外表面右侧的上端固定连接有支撑框，所述自清洁输液调节器的背面固定安装于支撑框的正表面，所述自清洁输液调节器的正表面由上至下依次固定安装有显示屏、碱液开关、酸液开关和自清洁开关。
9、作为优选方案，所述防护壳体正表面的两端均通过合页活动连接有防护门，所述防护门的表面固定连接有透明观察板。
10、一种岩石裂纹扩展实时监测系统的反演分析方法，该反演分析方法包括以下步骤：
11、a.首先，将采集的岩石样本放置于环形垫圈的顶部，并通过操纵双向螺杆进行旋转而能够带动两组移动架向相互靠近的一侧移动，移动架移动能够带动弧形夹板进行移动，而使弧形夹板能够与岩石样本的表面紧贴，从而达到了对岩石样本进行有效夹紧固定的效果，保证了岩石样本放置的稳定性；
12、b.其次，人员根据实验环境的要求，对储液箱内部添加相应的酸性溶液或者碱性溶液，并通过操控电动推杆伸长能够推动环形喷管向左侧进行移动，而使环形喷管能够处于被固定岩石样本的上方后，经过自清洁输液调节器启动输送泵工作，而能够对储液箱内部的酸性溶液或者碱性溶液进行抽取，并经过环形喷管向岩石样本的周围进行喷洒的同时，通过启动制冷器或者ptc加热器进行工作，而能够对循环箱和防护壳体内部的环境进行降温或者加热，从而便于人员在不同酸碱度和环境温度下对岩石样本进行实验；
13、c.随后，通过操控液压缸伸长能够推动固定筒和测试针杆向下进行移动，测试针杆移动的过程中能够与被固定岩石样本的顶部接触，并能够对岩石样本进行施压，从而能够进行有效的加载实验；
14、d.与此同时，在第一滑轨、第一滑块、第二滑轨和第二滑块工作的作用下，能够在岩石样本进行加载实验的过程中分别带动激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器进行垂直方向和水平方向的位移调节，并且在激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器运行的过程中，能够分别获取岩石样本的裂纹表面点云数据、裂纹内部三维体素数据和裂纹深度信息，并通过对获得的三种数据信息进行处理后，使用icp算法对激光扫描点云和ct数据进行配准，并使用体素配准算法将超声波数据和ct数据进行对齐，同时将融合的数据生成高分辨率的三维点云数据后，对融合后的点云数据进行分析，以提取裂纹的实时参数；
15、e.步骤d中的icp算法步骤：
16、①初始对齐：根据初步位姿信息，粗略对齐源点云和目标点云，将激光扫描点云和ct数据进行粗略对齐，这通常通过估计一个初始变换矩阵t0来实现，该变换矩阵包含旋转矩阵r和平移向量
17、②最近点匹配：为在每次迭代中，为源点云中的每个点找到目标点云中的最近点配对，对于点云p＝{p1,p2,...pn}中的每个点pi，找到ct数据点云q＝{q1,q2,...qm}中最近的对应点qj，这种对应关系可以通过欧氏距离来计算：
18、
19、③优化迭代：通过最小化对应点之间的平方距离来优化变换矩阵t，目标是找到最优的旋转矩阵r和平移向量使得以下损失函数最小化：
20、
21、这可以通过经典的svd分解方法求解；计算点集p和q的质心p和q：
22、
23、去质心化：
24、
25、④变换矩阵计算：计算最佳的刚性变换矩阵，使得配对点之间的距离最小；计算协方差矩阵h：
26、
27、对h进行svd分解：
28、h＝u∑vt
29、计算旋转矩阵r和平移向量
30、
31、⑤应用变换：将变换矩阵应用到源点云上，更新点云位置：
32、p′＝rp+t
33、⑥迭代：重复最近点配对和变换矩阵计算，直到损失函数收敛或达到预定的迭代次数；
34、激光扫描仪和ct扫描仪获取的数据通常在不同的坐标系中，直接叠加会有较大的误差，icp算法可以精确对齐两者的数据，通过精确对齐，可以将激光扫描的高分辨率表面点云与ct扫描的内部结构数据结合，实现全面的三维裂纹分析；
35、f.步骤d中的体素配准算法步骤：
36、①初始对齐：将超声波数据和ct数据进行粗略对齐，通常通过估计一个初始变换矩阵t0；
37、②体素化处理：将超声波数据和ct数据都转换为体素数据，对ct扫描数据进行体素化，将三维图像数据划分为等间距的小体积单元；对超声波数据进行类似的处理，将其转换为三维体素数据；
38、③体素匹配：对于超声波体素数据vs＝{vs1，vs2，…，vsn}，找到ct体素数据vc＝{vc1，vc2，…，vcm}中最近的对应体素vcj，类似于点云匹配，这里可以通过体素间的距离来计算：
39、
40、④优化迭代：通过最小化对应体素之间的差异来优化变换矩阵t，目标是找到最优的旋转矩阵r和平移向量使得以下损失函数最小化：
41、
42、使用类似于icp算法的优化过程，计算最优的变换矩阵；
43、⑤应用变换：将优化后的变换应用到超声波数据上，实现精确对齐，具体步骤包括：对每个超声波体素vs应用优化后的旋转矩阵r和平移向量
44、v′＝rvs+t
45、将变换后的超声波数据与ct数据进行融合。
46、体素配准算法用于将超声波数据与ct扫描数据进行对齐，解决不同类型成像数据之间的空间配准问题，通过对体素数据的相似性进行优化，使不同成像数据在同一坐标系中对齐，这两种算法通过不同的方法优化和对齐不同类型的数据，确保了多传感器数据的高精度整合，从而提升检测系统的整体性能和分析能力。
47、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
48、本发明通过集成激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器，能够在实验的过程中对岩石样本的裂纹表面点云数据、裂纹内部三维体素数据和裂纹深度信息进行高精度、多维度的实时数据采集与分析，并结合第一滑轨、第一滑块、第二滑轨和第二滑块，实现了对激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器进行垂直和水平方向上的精确移动，而能够在不同实验调节下进行灵活定位和高精度检测，不仅提高了实验设备的适应性和检测能力，还为多传感器融合技术提供了可靠的机械支持，显著提升了岩石力学和材料科学研究的实验效率和数据质量，并通过储液箱、输送泵、环形喷管、制冷器和ptc加热器的设置，能够在实验的过程中模拟不同酸碱度和温度的实验环境，提高了数据采集精确度的同时，通过使用icp算法和体素配准算法，可以实现对激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器所采集数据的精确融合，提供全面的三维裂纹分析和内部结构检测，这两种算法通过不同的方法优化和对齐不同类型的数据，确保了多传感器数据的高精度整合，从而提升检测系统的整体性能和分析能力。
49、本发明拥有中央控制器，中央控制器能够精确控制和自动定位激光扫描仪、ct扫描仪和空气耦合超声波传感器。通过智能化控制系统、双轴线性滑轨系统，多设备可以自动校准和调参，较传统设备的人工调参校准，减少了人工干预和操作复杂性，提高了实验效率和数据的准确性。采用非接触式微裂纹监测，避免了传统的接触式检测中可能对被测物体表面造成的损伤。无需使用耦合剂等介质材料，减少了检测前的准备工作，提高了检测效率。
50、本发明通过环形锁紧槽和锁紧螺栓的设置，能够对测试针杆与固定筒之间进行有效的固定，且方便人员根据实验的需求对测试针杆进行更换，通过循环扇的设置，在循环扇工作的作用下，能够带动空气经过循环箱的内部进行快速流动，提高了对防护壳体内部的空气进行降温或者加热的效果，通过刹车脚轮的设置，便于人员对整体进行移动，通过导向滑杆的设置，达到了对环形喷管进行导向的目的，避免环形喷管在移动的过程中发生倾斜，通过透明视液板的设置，方便人员对储液箱内部的液位进行观察，通过玻璃钢层和聚四氟乙烯层的设置，在储液箱的内部形成了双层耐酸碱腐蚀防护，有效的提高了储液箱的使用寿命，通过支撑板的设置，能够对调试监测终端进行有效的支撑，通过调试监测终端和储存硬盘的设置，方便对实验数据进行存储，通过支撑框的设置，能够对自清洁输液调节器进行有效的支撑，通过防护门和透明观察板的设置，便于人员对防护壳体的正面进行防护。
技术特征：
1.一种岩石裂纹扩展实时监测系统，包括防护壳体(1)、调试监测终端(5)和自清洁输液调节器(7)，其特征在于：所述防护壳体(1)顶部的中端固定安装有液压缸(11)，所述液压缸(11)的输出端螺纹连接有固定筒(25)，所述固定筒(25)的内腔活动连接有测试针杆(27)，所述防护壳体(1)右侧的下端固定连接有储液箱(9)，所述储液箱(9)左侧的下端通过管道固定安装有输送泵(16)，所述防护壳体(1)右侧的中端固定安装有电动推杆(17)，所述输送泵(16)的输出端通过管道与电动推杆(17)的输出端之间固定安装有环形喷管(15)，所述防护壳体(1)底部的中端固定连接有循环箱(14)，所述循环箱(14)底部的左端固定安装有制冷器(22)，所述循环箱(14)内腔的中端固定安装有ptc加热器(21)，所述循环箱(14)外表面的顶部固定连接有支撑台(13)，所述支撑台(13)外表面的顶部固定连接有环形垫圈(24)，所述支撑台(13)的上端通过轴承活动连接有双向螺杆(20)，所述双向螺杆(20)的两端均螺纹连接有移动架(19)，所述移动架(19)的表面活动连接于支撑台(13)的表面，所述移动架(19)的上端固定连接有弧形夹板(18)，所述防护壳体(1)内腔的两端均固定安装有第一滑轨(12)，所述第一滑轨(12)的表面活动连接有第一滑块(29)，所述第一滑块(29)的数量为六个，两个所述第一滑块(29)的表面之间固定安装有第二滑轨(30)，所述第二滑轨(30)的数量为三个，所述第二滑轨(30)的表面活动连接有第二滑块(31)，所述第二滑块(31)的正表面固定安装有综合屏蔽箱(32)，三个所述综合屏蔽箱(32)的内腔由上至下依次固定安装有激光扫描仪(35)、ct扫描仪(34)和空气耦合超声波传感器(33)。
2.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述测试针杆(27)的上端开设有环形锁紧槽(28)，所述固定筒(25)右侧的下端螺纹连接有锁紧螺栓(26)，所述锁紧螺栓(26)的左端活动连接于环形锁紧槽(28)的右端。
3.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述循环箱(14)的右侧固定安装有循环扇(23)，所述循环扇(23)的右侧固定连接有防护网罩。
4.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述防护壳体(1)的底部通过轴承活动连接有刹车脚轮(3)，所述刹车脚轮(3)的数量为四个。
5.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述环形喷管(15)右侧的两端均固定连接有导向滑杆(8)，所述导向滑杆(8)的表面活动连接于防护壳体(1)的表面。
6.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述储液箱(9)的正表面固定连接有透明视液板(10)，所述储液箱(9)的顶部固定连接有加注管，所述储液箱(9)包括玻璃钢层与聚四氟乙烯层，且玻璃钢层的内表面固定连接于聚四氟乙烯层的外表面。
7.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述防护壳体(1)外表面的左侧固定连接有支撑板(4)，所述调试监测终端(5)的底部固定安装于支撑板(4)的顶部，所述调试监测终端(5)正表面的右端由上至下依次固定安装有中央控制器和储存硬盘。
8.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述防护壳体(1)外表面右侧的上端固定连接有支撑框(6)，所述自清洁输液调节器(7)的背面固定安装于支撑框(6)的正表面，所述自清洁输液调节器(7)的正表面由上至下依次固定安装有显示屏、碱液开关、酸液开关和自清洁开关。
9.根据权利要求1所述的一种岩石裂纹扩展实时监测系统，其特征在于：所述防护壳体(1)正表面的两端均通过合页活动连接有防护门(2)，所述防护门(2)的表面固定连接有透明观察板。
10.一种岩石裂纹扩展实时监测系统的反演分析方法，其特征在于：该反演分析方法包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种岩石裂纹扩展实时监测系统及反演分析方法，包括防护壳体、调试监测终端和自清洁输液调节器，所述防护壳体顶部的中端固定安装有液压缸，所述液压缸的输出端螺纹连接有固定筒，所述固定筒的内腔活动连接有测试针杆，所述防护壳体右侧的下端固定连接有储液箱，所述储液箱左侧的下端通过管道固定安装有输送泵，所述防护壳体右侧的中端固定安装有电动推杆。本发明集成激光扫描仪、CT扫描仪和空气耦合超声波传感器，通过引入ICP算法和体素配准算法，能够在实验的过程中对岩石样本的裂纹表面点云数据、裂纹内部三维体素数据和裂纹深度信息进行高精度、多维度的实时数据采集与分析。
技术研发人员：赵瑜,丁仁洪,张永发,王超林,毕靖
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5