(19)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 20221084589 9.1 (22)申请日 2022.07.19 (71)申请人 常州大学 地址 213000 江苏省常州市武进区湖塘镇 滆湖中路21号 (72)发明人 刘健鹏　夏平心　李林　陈正发　 刘欣　曹爽　王加辉　郭可心　 (74)专利代理 机构 常州市英 诺创信专利代理事 务所(普通 合伙) 32258 专利代理师 张秋月 (51)Int.Cl. G01B 11/16(2006.01) G06T 7/80(2017.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 冻结过程中土体三维冻胀变形可视化测量 系统及方法 (57)摘要 本发明涉及一种冻结过程中土体三维冻胀 变形可视化测量系统及方法， 系统包括容器、 底 座、 信号采集组件和至少四个相机， 容器包括用 于容置试样的双层中空透明筒及密封盖在双层 中空透明筒顶部的盖板， 双层中空透明筒的外层 和内层之间形成冷浴腔， 外层设有冷媒进口和冷 媒出口； 底座用于支撑容器， 底座的外周壁设有 多个不同形状的定位标记； 信号采集组件包括用 于测量试样的温度的温度传感器、 用于测量试样 基质吸力的基质吸力传感器和数据采集仪； 至少 四个相机沿双层中空透明筒的外周均匀排布， 用 于在不同角度拍摄试样， 本发明能够准确刻 画土 体冻结状态下的三维冻胀变形过程。 权利要求书4页 说明书11页 附图4页 CN 115235365 A 2022.10.25 CN 115235365 A 1.一种冻结过程中土体三维冻胀变形 可视化测量系统， 其特 征在于， 它包括： 容器， 其包括用于容置试样(8)的双层中空透明筒(1)及密封盖在所述双层中空透明筒 (1)顶部的盖板(2)， 所述双层中空透明筒(1)的外层和内层之间形成冷浴腔， 外层设有冷媒 进口和冷媒出口； 底座(3)， 其用于支撑所述容器， 所述底座(3)的外周壁设有多个不同形状的定位标记 (4)； 信号采集组件， 其包括用于测量所述试样(8)的温度的温度传感器(5)、 用于测量所述 试样(8)基质吸力的基质吸力 传感器(6)及分别与所述 温度传感器(5)和所述基质吸力 传感 器(6)信号连接的数据采集仪； 至少四个相机(7)， 至少四个相机(7)沿所述双层中空透明筒(1)的圆周排布， 用于在不 同角度拍摄所述试样(8)。 2.根据权利要求1所述的冻结 过程中土体三维冻胀变形 可视化测量系统， 其特 征在于， 所述双层中空透明筒(1)的内层和外层的材质均为有机玻璃， 且外层的壁厚大于内层 的壁厚。 3.根据权利要求1所述的冻结 过程中土体三维冻胀变形 可视化测量系统， 其特 征在于， 还包括置样台(9)， 所述置样台(9)位于所述双层中空透明筒(1)内， 所述试样(8)置于 所述置样台(9)上， 且所述置样台(9)的上表面高于所述冷媒进口和所述冷媒出口所在位 置。 4.一种冻结过程中土体三维冻胀变形 可视化测量方法， 其特 征在于， 其基于权利要求1～3任一项所述的冻结过程中土体三维冻胀变形可视化测量系统， 方 法包括： 在试样(8)表面喷一层白漆， 并在试样(8)顶部插入温度传感器(5)和基质吸力传感器 (6)， 后将试样(8)置 于容器内； 往冷浴腔内通入冷媒， 采用相机(7)拍摄试样(8)初始照片， 获取试样表面点的初始二 维坐标， 后利用冷媒分级降低试样(8)温度， 在每级温度稳定后， 采用相机(7)拍摄试样(8) 照片， 获取 试样(8)表面 点在每级温度等级下的二维坐标， 每张照片均包 含有定位标记(4)； 基于光线在通过双层中空透明筒(1)内层、 冷媒及外层时产生的折射误差， 对各个多相 机拍摄点的各个二维坐标进行校正， 获得试样(8)表面的多相机拍摄点在初始状态及每级 温度等级 下真实的三维坐标， 所述多相机拍摄点为试样(8)表 面通过至少两台相机(7)拍摄 的点； 基于试样(8)表面的多相机拍摄点在初始状态及每级温度等级下真实的三维坐标， 重 构试样(8)在 初始状态及每级温度下的试样三维模型； 基于试样(8)在初始状态及每级温度下的试样三维模型， 获得试样(8)在每级温度下的 三维应变场。 5.根据权利要求 4所述的冻结 过程中土体三维冻胀变形 可视化测量方法， 其特 征在于， 基于光线在通过双层中空透明筒(1)内层、 冷媒及外层时产生的折射误差， 对某个多相 机拍摄点的各个二维坐标进行校正， 获得该多相机拍摄点在初始状态或某个温度等级 下真 实的三维坐标， 包括：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115235365 A 2SA： 采用Snell定理实现对该多相机拍摄点在至少两个相机(7)拍 摄时的光线追踪， 确 定在每次拍照时由该多相机拍摄点发出的光线； SB： 基于该多相机拍摄点发出的光线， 通过最小二乘法获得该多相机拍摄点在初始状 态或某个温度等级下真实的三维坐标。 6.根据权利要求5所述的冻结 过程中土体三维冻胀变形 可视化测量方法， 其特 征在于， SA中， 采用Snell定理实现对该多相机拍摄点在至少两个相机(7)拍 摄时的光线追踪， 确定在每次拍照时由该多相机拍摄点发出的光线， 包括： SA1： 基于某个相机(7)位置的三维坐标和该多相机拍摄点通过该相机(7)拍摄的照片 获得的二维坐标确定入射 光线的方向单位向量 SA2： 确定入射 光线与双 层中空透明筒(1)外层的外壁的交点E； SA3： 确定交点E处的法线方向单位向量 SA4： 计算在外层内的折 射光线的方向单位矢量 SA5： 确定在外层内的折 射光线与外层的内壁的交点F； SA6： 确定交点F处的法线方向单位向量 SA7： 计算在 双层中空透明筒(1)冷媒内的折 射光线的方向单位矢量 SA8： 确定在冷媒内的折 射光线与内层的外壁的交点 L； SA9： 确定交点 L处的法线向量 SA10： 计算在 双层中空透明筒(1)内层内的折 射光线的方向单位矢量 SA11： 确定折 射光线在内层内的折 射光线与内层内壁的交点K； SA12： 确定交点K处的法线方向单位向量 SA13： 计算折射光线在双层中空透明筒(1)的容纳试样(8)的空间内的方向单位矢量 即由该多相机拍摄点发出的其中的一条光线； SA14： 返回SA1， 直至追踪到该多相机拍摄点的发出的所有光线。 7.根据权利要求5所述的冻结 过程中土体三维冻胀变形 可视化测量方法， 其特 征在于， SB中， 基于该多相机拍摄点发出的光线， 通过最小二乘法获得该多相机拍摄点在初始 状态或某个温度等级下真实的三维坐标,包括： 利用2条或2条以上的该多相机拍摄点发出的光线， 通过最小二乘法， 确定试样(8)表面 该多相机拍摄点校正后的三维位置： 其中， (xH,yH,zH)为试样(8)上该多相机拍摄点H点的三维坐标， li表示该多相机拍摄点H 点到第i条发出的光线的最小值， (xk,yk,zk)为折射光线在内层内的折射光线与内层内壁的 交点K的三维坐标； ( αr4, βr4,γr4)为第i条发出的光线传播方向上的方向余弦； ltotal为该多相机拍摄点到所有发出的光线的垂直距离之和， 则 ltotal值越小， 表示发出权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115235365 A 3