基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统及方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911262536.X (22)申请日 2019.12.11 (71)申请人 山东科技大学 地址 266590 山东省青岛市黄岛区前湾港 路579号 (72)发明人 孙文斌董法旭孔令君张鹏 张士川陈绍杰 (74)专利代理机构 青岛智地领创专利代理有限 公司 37252 代理人 张凯 (51)Int.Cl. G01N 3/06(2006.01) G01N 3/08(2006.01) (54)发明名称 基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检 测系统及方法 (57)摘要 本发明提供

2、了一种基于热成像和图像识别 的岩石裂隙扩展检测系统及方法， 涉及岩石力学 试验技术领域， 系统包括单轴加载装置、 岩石试 件、 热源、 热像仪、 支架和计算机， 岩石试件置于 单轴加载装置的加载底座上， 支架和岩石试件相 对布置， 支架上设置有多个二维滑轨， 热像仪和 热源安装在二维滑轨上； 热像仪在非接触岩石试 件的条件下， 得到岩石试件应力加载状态下的热 成像图像， 通过计算机对热成像图像进行分析， 提取应力加载状态下的岩石试件裂隙发育情况， 得到裂隙扩展三维图和各个时间点的裂隙数据； 该装置及方法能够准确确定岩石试件在加载状 态下的破碎起点和裂隙扩展路径及过程， 并且可 用于分析试件降温

3、过程的热像获取岩石近表层 的裂隙状况。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 111024494 A 2020.04.17 CN 111024494 A 1.一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 其特征在于， 包括单轴加载 装置、 岩石试件、 热源、 热像仪、 支架和计算机， 所述岩石试件置于单轴加载装置的加载底座 上， 支架和岩石试件相对布置， 支架上设置有多个二维滑轨， 热像仪和热源安装在二维滑轨 上， 热像仪和计算机相连； 所述热源向岩石试件辐射热源， 热像仪获取岩石表面温度分布信 息， 计算机对温度分布图片信息进行处理； 所述支架还设置有底座、 升降支架， 二维滑轨通

4、 过旋转盘和升降支架连接。 2.根据权利要求1所述的一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 其特 征在于， 所述多个二维滑轨独立设置， 二维滑轨沿升降支架转动； 二维滑轨包括转动杆和连 接杆， 转动杆和连接杆之间通过转轴连接。 3.根据权利要求2所述的一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 其特 征在于， 所述转动杆和连接杆沿杆长度方向设置有楔形凹槽， 转轴两端分别卡合在转动杆 和连接杆的凹槽内。 4.根据权利要求1所述的一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 其特 征在于， 所述热源包括灯罩和灯泡， 所述底座上设置有伸缩支撑杆。 5.一种基于热成像和图像识别的岩

5、石裂隙扩展检测方法， 其特征在于， 利用权利要求1 至4任一项所述的一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 步骤包括： 步骤一.将岩石试件置于单轴加载装置的加载底座上， 在支架上固定热源和热像仪， 热 像仪连接计算机； 步骤二.调整升降支架的高度和底座的支撑面大小， 滑动滑轨调整热源和热像仪与岩 石试件的相对位置， 热源聚焦至岩石试件上； 步骤三.调整热像仪校准热源的焦点， 固定多个热源功率， 使试件表面温度稳定； 步骤四.单轴加载装置对岩石试件进行加载， 对岩石试件加载的同时通过热像仪获取 岩石表面温度分布信息的热像数据； 步骤五.关闭热源， 岩石试件降温， 热像仪记录岩石试件降温

6、时的热像数据； 步骤六.计算机对岩石试件加载时的热像数据进行处理， 得到岩石试件的裂隙扩展三 维图随时间的变化； 步骤七.计算机对岩石试件降温过程的热像数据进行处理， 得到岩石试件近表面的裂 隙。 6.根据权利要求5所述的一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测方法， 其特 征在于， 所述步骤六中， 热成像仪得到的raw格式文件导入Avizo， 经过中值滤波和二值化后 进行阀值分隔， 显示裂隙形成岩石试件在加载状态下各个时间点的裂隙扩展三维图。 7.根据权利要求5所述的一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测方法， 其特 征在于， 所述步骤七中， 热成像仪得到的raw格式文件导入Avizo

7、， 经过中值滤波和二值化， 导出JPEG格式文件至Matlab， 通过像素点灰度值梯度变化获取岩石试件近表面的裂隙发 育。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111024494 A 2 基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及岩石力学试验技术领域， 尤其是一种基于热成像和图像识别的岩石试 件裂隙扩展检测系统及方法。 背景技术 0002 无围压岩样在纵向压力作用下出现压缩破坏时， 单位面积上所承受的载荷称为岩 石的单轴抗压强度。 室内单轴抗压强度试验通常在单轴加载试验机上进行， 岩石受压后直 到完全丧失其强度时的性质可用载荷-变形全过程曲线来表示。 岩石破

8、坏后表现出承载能 力的降低， 主要是样品破裂导致有效面积减少而引起的， 载荷变形全过程曲线表明岩石破 坏后仍具有一定承载能力这一特性， 在研究岩石工程的稳定性中有重要价值。 0003 单轴压缩试验是解决实际工程问题的重要手段， 对于单轴压缩试验过程中岩石试 件的裂隙扩展的观测是研究岩石性质、 解决工程问题的关键， 通常实验室采用红外检测、 CT 扫描、 声发射等对岩石试件裂隙的扩展进行检测。 大部分红外热成像检测仅是对岩石试件 表面的裂隙变化进行观测， 无法得到岩石试件内部裂隙的发育情况； 而CT扫描的应用成本 较高， 声发射对材料的性质十分敏感， 容易受到机电噪声的干扰， 只能给出声发射源部

9、位的 活性和强度， 稳定缺陷不产生声发射信号， 因此检测的准确性不高。 0004 为此需要提供一种简便、 高效、 经济、 可靠的岩石裂隙扩展检测系统及方法， 对岩 石试件加载过程中的裂隙扩展过程进行检测， 对岩石试件的裂隙发展定性分析， 获得岩石 试件近表面的裂隙发展特征。 发明内容 0005 为了准确确定岩石试件在加载状态下的破碎起点和裂隙扩展路径及过程， 更好的 分析试件降温过程的热像获取岩石近表层的裂隙状况， 本发明提供了一种基于热成像和图 像识别的岩石裂隙扩展检测系统及方法， 具体技术方案如下。 0006 一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 包括单轴加载装置、 岩石 试件

10、、 热源、 热像仪、 支架和计算机， 所述岩石试件置于单轴加载装置的加载底座上， 支架和 岩石试件相对布置， 支架上设置有多个二维滑轨， 热像仪和热源安装在二维滑轨上， 热像仪 和计算机相连； 所述热源向岩石试件辐射热源， 热像仪获取岩石表面温度分布信息， 计算机 对温度分布图片信息进行处理； 所述支架还设置有底座、 升降支架， 二维滑轨通过旋转盘和 升降支架连接。 0007 优选的是， 多个二维滑轨独立设置， 二维滑轨沿升降支架转动； 二维滑轨包括转动 杆和连接杆， 转动杆和连接杆之间通过转轴连接。 0008 优选的是， 转动杆和连接杆沿杆长度方向设置有楔形凹槽， 转轴两端分别卡合在 转动杆

11、和连接杆的凹槽内。 0009 优选的是， 热源包括灯罩和灯泡， 底座上设置有伸缩支撑杆。 0010 一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测方法， 利用上述的一种基于热成 说明书 1/4 页 3 CN 111024494 A 3 像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 步骤包括： 0011 步骤一.将岩石试件置于单轴加载装置的加载底座上， 在支架上固定热源和热像 仪， 热像仪连接计算机； 0012 步骤二.调整升降支架的高度和底座的支撑面大小， 滑动滑轨调整热源和热像仪 与岩石试件的相对位置， 热源聚焦至岩石试件上； 0013 步骤三.调整热像仪校准热源的焦点， 固定多个热源功率， 使试件表面

12、温度稳定； 0014 步骤四.单轴加载装置对岩石试件进行加载， 对岩石试件加载的同时通过热像仪 获取岩石表面温度分布信息的热像数据； 0015 步骤五.关闭热源， 岩石试件降温， 热像仪记录岩石试件降温时的热像数据； 0016 步骤六.计算机对岩石试件加载时的热像数据进行处理， 得到岩石试件的裂隙扩 展三维图随时间的变化； 0017 步骤七.计算机对岩石试件降温过程的热像数据进行处理， 得到岩石试件近表面 的裂隙。 0018 还优选的是， 步骤六中， 热成像仪得到的raw格式文件导入Avizo， 经过中值滤波和 二值化后进行阀值分隔， 显示裂隙形成岩石试件在加载状态下各个时间点的裂隙扩展三维

13、图。 0019 还优选的是， 步骤七中， 热成像仪得到的raw格式文件导入Avizo， 经过中值滤波和 二值化， 导出JPEG格式文件至Matlab， 通过像素点灰度值梯度变化获取岩石试件近表面的 裂隙发育。 0020 本发明的有益效果是， 提供了一种基于热成像和图像识别的岩石试件裂隙扩展检 测系统及方法， 该系统通过热成像在非接触岩石试件的情况下， 得到岩石试件在应力加载 状态下的热成像， 并通过分析获取持续加载状态下多个设定时间点的裂隙检测数据， 进而 可以更好的分析岩石试件在加载状态下的破损起点， 及裂隙的扩展路径和发育过程， 在对 试件进行加热后， 通过分析岩石试件降温过程中的热成像数

14、据， 得到岩石近表面的裂隙发 育情况， 实现了对岩石试件单轴加载过程的定性分析， 便于研究岩石试件的裂隙发育特征。 附图说明 0021 图1是基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统示意图； 0022 图2是支架结构的正视图； 0023 图3是支架结构的示意图； 0024 图4是岩石裂隙扩展检测系统俯视图； 0025 图5是岩石裂隙扩展检测系统侧视图； 0026 图6是底座结构示意图； 0027 图7是二维滑轨结构示意图； 0028 图8是基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测方法流程示意图； 0029 图中： 1-单轴加载装置； 2-岩石试件； 3-热源； 4-热像仪； 5-支架； 51-

15、二维滑轨； 511-转动杆； 512-连接杆； 513-转轴； 52-底座； 53-升降支架； 54-旋转盘； 6-计算机。 说明书 2/4 页 4 CN 111024494 A 4 具体实施方式 0030 结合图1至图8所示， 本发明提供的一种基于热成像和图像识别的岩石试件裂隙扩 展检测系统及方法具体实施方式如下。 0031 一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统具体结构包括单轴加载装 置1、 岩石试件2、 热源3、 热像仪4、 支架5和计算机6。 单轴加载装置1可以对岩石试件进行单 轴压缩， 热源3主要是提供热量能够将热量聚焦， 热像仪4观测岩石试件得到热像图， 支架5 用于支撑热

16、源和热像仪， 并调整装置与岩石试件的相对位置， 通过计算机6处理热像图得到 岩石试件的裂隙发育情况。 热成像在非接触岩石试件的情况下， 得到岩石试件在应力加载 状态下的热成像， 并通过分析获取持续加载状态下多个设定时间点的裂隙检测数据， 进而 可以更好的分析岩石试件在加载状态下的破损起点， 及裂隙的扩展路径和发育过程。 系统 整体的结构实现了岩石试件裂隙扩展的检测， 从而提供了一种简便、 高效、 经济、 可靠的岩 石裂隙扩展检测手段， 为岩石试件性质的研究提供了便利。 0032 岩石试件置于单轴加载装置1的加载底座上， 通过压头和底座对岩石试件施加压 力， 支架5和岩石试件2相对布置， 支架5

17、上设置有多个二维滑轨， 从而方便调节与试件的相 对位置， 热像仪4和热源3安装在二维滑轨上， 从而使试验过程更加灵活方便， 热像仪4和计 算机6相连， 方便数据的传输。 热源3向岩石试件辐射热源， 热像仪4获取岩石表面温度分布 信息， 计算机6对温度分布图片信息进行处理。 支架5还设置有底座52、 升降支架53， 底座保 证支架的稳定性， 升降支架方便调节高度， 二维滑轨51通过旋转盘54和升降支架连接， 二维 滑轨保证热像仪和热源在平面上调整位置， 结合升降支架53调整高度， 实现热像仪和热源 的三维调整， 从而更方便检测。 0033 多个二维滑轨51独立设置， 因此可以独立的调节， 根据试

18、验需要使用热源3和热像 仪4， 二维滑轨可以沿升降支架53转动， 二维滑轨和升降支架之间可以套接在升降支架上方 便旋转。 二维滑轨包括转动杆和连接杆， 转动杆511和连接杆512之间通过转轴连接， 转动杆 511连接在升降支架53上。 转动杆和连接杆沿杆长度方向设置有楔形凹槽， 转轴513两端分 别卡合在转动杆和连接杆的凹槽内， 转轴513上下两部分可以相对转动， 从而可以实现二维 滑轨的转动杆和连接杆灵活伸缩转动。 0034 热源3包括灯罩和灯泡， 灯泡使用可以聚光和聚热的光源， 灯罩使其更好的聚集光 热， 热源的辐射方向可以调整至聚集在岩石试件周围， 热源的功率也可以实现电调节， 并且 能

19、够保持固定的功率照射岩石试件。 0035 底座52上设置有伸缩支撑杆， 伸缩支撑杆可以是绕升降支架的底端设置多个， 从 而可以调整支撑面积， 保证支架的稳定性。 0036 一种基于热成像和图像识别的岩石裂隙扩展检测方法， 利用上述的一种基于热成 像和图像识别的岩石裂隙扩展检测系统， 具体步骤包括： 0037 步骤一.将岩石试件置于单轴加载装置的加载底座上， 在支架上固定热源和热像 仪， 热像仪连接计算机。 根据试验需要选择岩石试件的尺寸， 尽量保证岩石试件表面光滑， 热像仪通过数据线连接计算机， 保证计算机与热像仪之间的数据稳定传输。 0038 步骤二.调整升降支架的高度和底座的支撑面大小，

20、滑动滑轨调整热源和热像仪 与岩石试件的相对位置， 热源聚焦至岩石试件上。 通过调整升降支架的高度和二维滑轨， 使 热源聚焦于试件附近。 说明书 3/4 页 5 CN 111024494 A 5 0039 步骤三.调整热像仪校准热源的焦点， 固定多个热源功率， 使试件表面温度稳定。 0040 步骤四.单轴加载装置对岩石试件进行加载， 对岩石试件加载的同时通过热像仪 获取岩石表面温度分布信息的热像数据。 0041 步骤五.关闭全部或部分的热源， 使岩石试件降温， 热像仪记录岩石试件降温时的 热像数据， 热像仪将热像图传输至计算机。 0042 步骤六.计算机对岩石试件加载时的热像数据进行处理， 得到

21、岩石试件的裂隙扩 展三维图随时间的变化。 具体是， 热成像仪得到的raw格式文件导入Avizo， 经过中值滤波和 二值化后进行阀值分隔， 从而使裂隙更加清晰显示， 计算机显示裂隙形成岩石试件在加载 状态下各个时间点的裂隙扩展三维图， 从而可以更好的分析岩石试件在加载状态下的破损 起点， 及裂隙的扩展路径和发育过程。 0043 步骤七.计算机对岩石试件降温过程的热像数据进行处理， 得到岩石试件近表面 的裂隙。 具体是， 热成像仪得到的raw格式文件导入Avizo， 经过中值滤波和二值化， 导出 JPEG格式文件至Matlab， 通过像素点灰度值梯度变化获取岩石试件近表面的裂隙发育； 通 过分析岩

22、石试件降温过程中的热成像数据， 得到岩石近表面的裂隙发育情况， 实现了对岩 石试件单轴加载过程的定性分析， 便于研究岩石试件的裂隙发育特征 0044 当然， 上述说明并非是对本发明的限制， 本发明也并不仅限于上述举例， 本技术领 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、 改型、 添加或替换， 也应属于本发明的 保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 111024494 A 6 图1 图2 说明书附图 1/4 页 7 CN 111024494 A 7 图3 图4 说明书附图 2/4 页 8 CN 111024494 A 8 图5 图6 图7 说明书附图 3/4 页 9 CN 111024494 A 9 图8 说明书附图 4/4 页 10 CN 111024494 A 10