基于PIV 技術的新型土壤收縮軌跡測試裝置研制

侯宇宙，陳 偉，陳 捷

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點試驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098;3.河海大學道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098)

0 引 言

PIV 技術是基于圖像處理識別技術的一種粒子變形測試技術[1]，因其具有連續變形測定、高效快捷、無介入測量等優點，近年來被廣泛應用于流體力學、試驗力學等相關學科[2-3]。21 世紀初，White 等[4]首次將PIV 技術應用于巖土體工程領域，并開發了Geo-PIV 計算程序；同時基于此技術測試了樁體貫入試驗中樁周土的位移變化[5]。自此，PIV 技術在巖土體位移測試中得到了諸多學者[6-8]的青睞，并逐漸成為巖土工程相關研究的一個重要發展方向。

基于PIV 技術，張吉祿等[6]研究了透明土中根鍵樁在抗拔力作用下樁周土體的位移場變化情況；張俊然等[7]通過膨潤土室內徑向壓縮試驗，記錄了其裂隙開展情況和位移矢量場；黃維等[8]研究了重塑黃土在拉力作用下的拉張裂縫形態。前人的成果多集中在外力作用下土的被動位移研究，對試驗裝置的研究較為罕見。黃偉等[9]研發了一套基于變形數字圖像處理的土體材料拉伸試驗裝置，其重點在于控制夾具與土樣之間的位移，從而提高PIV 技術的測試精度，未涉及溫度控制系統。然而，巖土體本身因含水率變化所表現出來的動態位移特征（收縮軌跡），往往可以反映其諸多常規物理力學指標，如粘性土的液、塑、縮限，膨脹土的膨脹等級等。因此，研發一套可控制巖土體失水速率且能連續記錄其表面位移軌跡的裝置具有實際意義。

此外，像素級的測試精度是PIV 技術的一個重要優勢，但同時也對測試環境和后期處理提出了苛刻的要求。劉振亞等[10]采用攝影棚和LED 光源為試驗制造穩定光場，并對比不同示蹤粒子構建黏土表面紋理時對試驗結果的影響。王世鑫[11]提出采用碳末顆粒增強PIV 測量黏土變形的精度。段俐等[12]認為采用互相關算法對PIV 圖像進行分析最為有效，因此必須從硬件方面提高跨幀技術。目前，尚未有相關資料提出一種可滿足PIV 技術的后處理要求，且被廣泛使用的圖像采集裝置。

本研究旨在研發一套適用于PIV 技術的圖片采集裝置，在滿足測試環境的基礎上，提供一個可控的恒溫環境來降低土樣的含水率，達到測定試件表面收縮軌跡的目的；同時，從相機成像畸變和示蹤粒子埋設等方面對該裝置進行誤差計算和可靠性分析。

1 裝置的研發和功能

1.1 后處理的要求

PIV 技術是一種依托圖像處理而興起的瞬態流動平面二維速度場測試手段，采用該技術進行土壤表面收縮軌跡監測時，所采集圖片的可靠性將直接影響測試結果的準確性。因此，后處理的圖片之間必須滿足以下要求：

1）PIV 后期處理軟件采用工業相機拍攝不同時刻土樣表面的圖片，分析統計一段時間間隔內試樣各像素點的矢量位移或平均速度，因此不同時間拍攝的圖片與相機的相對位置應保持不變。

2）PIV 圖片處理軟件需嚴格統一拍攝環境，避免圖片拍攝時因光線改變而引起位移場的誤算，因此拍攝的圖片要保證相同的曝光度。

3）試驗通過試樣表面的動態位移場規律來判斷土的各項指標，需保證各組試樣在相同時間內吸收的熱量恒定。

1.2 裝置的構造

為滿足上述要求，研制的裝置應滿足：在成像期間，相機和試樣的相對位置保持不變；圖片的光照條件維持穩定，避免自然光隨時間變化對圖片成像產生影響；為試樣提供穩定的溫度環境。圖1 為裝置的結構示意圖。整體結構分為3 部分：圖像采集模塊、圖像存儲遠程控制模塊和圖像處理模塊，其中圖像采集模塊和圖像存儲遠程控制模塊之間通過有線傳輸，圖像存儲遠程控制模塊和圖像處理模塊之間通過無線傳輸。

圖1 裝置結構示意圖

本研究的核心結構為圖像采集模塊，由兩個主體部件（部件1、部件2）組成。部件1 通過支架一連接工業相機、人工光源和試驗環刀（試樣），工業相機外接圖片采集存儲裝置（筆記本電腦），人工光源外接光線控制器；部件2 通過支架二支撐恒溫筒，恒溫筒為雙U 型玻璃結構，內外層之間加入適量的水，在維持水沸的情況下，通過內壁的熱輻射向腔內提供穩定高溫環境。

1.3 裝置的功能

保證試驗全過程試樣所處的環境溫度絕對一致。試驗過程中雙U 型玻璃結構之間填充的水加熱并保持沸騰，內壁向槽腔內熱輻射提供恒定的熱源，使整個腔內形成一個穩定的溫度場，在腔體中的一定高度范圍內保持恒溫。

保證試樣在試驗全過程可以被拍攝和直接觀察。支架一上安裝的工業相機能夠連續記錄試樣失水收縮干裂的動態變化過程；無機玻璃材質的雙U 型恒溫筒能夠使實驗人員隨時觀察試樣的表觀變化。

保證試驗全過程試樣與熱源振動的隔離。支架一、支架二相互分離的結構可以避免恒溫筒水沸所產生的震動對試樣產生擾動而影響實驗結果。

保證試驗全過程試樣不受電力熱源的控制。采用酒精燈作為加熱源能夠滿足本裝置在現場無電源條件下的使用。

1.4 組件的參數

裝置的核心組件為工業相機和恒溫筒，輔助組件包括自制環刀、人工光源、酒精燈等。各組件的尺寸、性能等參數如下：

1）工業相機：有效像素500 萬，成像距離45～50 cm（高于恒溫筒3～5 cm），畸變率小于1%，工作溫度0～70 ℃。

2）恒溫筒：外部高度60 cm，外部直徑30 cm；內部（恒溫腔）高度50 cm，內部直徑20 cm；材質為石英玻璃，長期使用溫度為1100 ℃。

3）自制環刀：采用普通土工環刀加工而成，內部直徑6.81 cm，內部高度1 cm；環刀一側設置為銳口，另一側設置成密封底。

4）人工光源、酒精燈：人工光源采用可調節光照強度的環形無影燈；酒精燈采用可調節火焰大小的酒精噴燈，外焰溫度為1000 ℃。

2 試驗流程

2.1 前期準備工作

1）溫度標定

在整個試驗開始前，需要對恒溫筒內部的溫度分布進行標定，標定期間，恒溫筒中的水持續沸騰。圖2 為恒溫腔中的溫度分布曲線，從其底部至頂部的溫度逐漸減小，在距筒口10 cm 處溫度發生驟減；在筒口10 cm 以下，溫度分布與深度近似呈線性相關。試驗所用試樣高度1 cm，經驗算，在筒口10 cm以下，可以不考慮試樣的上下溫差。由此，可根據溫度標定結果調整試樣位置來控制試驗所需的溫度值。

圖2 恒溫腔中溫度分布曲線

2）自制環刀制樣

圖3 為制樣前后的環刀實物圖。制樣前，需在環刀內部均勻涂抹凡士林，一方面有助于順利切樣，另一方面可確保試樣收縮過程不受環刀側壁和底部的摩阻力。

圖3 制樣前后的環刀實物圖

3）光照環境

為避免自然光隨時間變化影響圖片成像，試樣裝置應處于完全黑暗的環境，并在固定位置設定人工光源。室內試驗可在封閉無光的房間進行，現場試驗可在臨時搭建的帳篷中進行。

2.2 試驗過程

1）試驗步驟

試驗開始前，按照既定試驗溫度確定試樣在恒溫腔內的高度，調整剛性連接桿的高度并做好標記；放入校驗土樣，對部件1 進行光源、焦距、曝光和拍照區域的調整，并確保工業相機拍攝面和試樣表面平行；對部件2 的恒溫筒位置進行調整，使得試樣的托盤處于其中心位置，恒溫筒底部采用酒精燈進行加熱至水沸騰。

斷開兩部件之間的插銷及連接桿，設置圖像自動存儲程序；放入試樣并立即拍攝第一張圖片，之后存儲系統可定時拍照或拍攝連續視頻。在此過程中，部件2 中恒溫筒中的水持續沸騰。

本研究中，拍攝時間間隔為5 min。在試驗進行到5 min 時，得到第二張圖片，將0 min 和5 min得到的圖片記為第1 組，試驗進行到10 min 時，得到第三張圖片，將5 min 和10 min 得到的圖片記為第2 組，以此類推直至試驗結束。

2）位移計算

試驗采用PIVview2c?圖像處理軟件，其基本步驟包括：圖像灰度處理、網格劃分及設置分析布、搜索并匹配相似網格、計算位移增量均值。圖4 為網格劃分及分析步設置示意圖。考慮到軟件計算的準確性和數據處理的效率，分析區域的網格大小設置為16 pixels×16 pixels，分析步設置為8 pixels。

圖4 網格劃分及分析步設置示意圖

采用相同的加權平均算法對圖像進行灰度處理，為處理后的每個像素點賦值(0～255)；將每組已分類圖像中的第一幅圖像劃分為若干個大小相同的網格，像素的不同灰度值使每個網格生成唯一的灰度共生矩陣；當試樣收縮和開裂時，網格整體移動，單個網格的灰度分布沒有變化。通過在第二幅圖像中尋找匹配度最高的灰度共生矩陣，即可確定每個網格的位移特征。紅色區域是要搜索的第一個網格，藍色區域是要搜索的第二個網格。匹配結束后，即可得到試樣在該時間段內所有像素點的位移增量均值，按下式計算：

式中：Ej——一段時間內的位移增量均值；

j——0～5，5～10，10～15,···；

xi?環刀范圍內每個像素的實際位移，mm；

n——環刀范圍內像素點的個數。

3 精度分析及試驗結果

3.1 圖像失真影響

工業相機在成像過程中會發生畸變，本文中使用的相機畸變率f小于1%。圖5 為圖像失真的原理圖，特定點的位移從Dnor變為Ddis。在本文中，5 min 內試樣像素點的最大位移值小于25 pixels。因此，由于圖像失真造成的誤差值小于0.25 pixels，是可以接受的。

圖5 圖像畸變的原理

式中：f——相機的畸變率；

Δ——圖像畸變導致的誤差值；

Dnor——像素點的實際位移；

Ddis——畸變圖像中像素點的位移。

3.2 示蹤粒子影響

圖6 為間隔1 s 拍攝并經過軟件處理后的位移增量灰度圖，其中圖6（a）為表面不覆砂的實驗結果，圖6（b）為表面覆砂的實驗結果。覆砂材料選用中國ISO 標準砂，產自福建省廈門市，粒徑范圍0.08～2.00 mm，本試驗選用的粒徑范圍為0.08～0.25 mm。圖7 為位移標量的標準尺。

圖6 間隔1 s 的時間位移增量灰度圖

圖7 灰度標準尺

理論上，試樣在此時間段內沒有位移產生。圖6（a）灰度圖中明顯看到試樣多處發生了位移，這種現象并不代表真實的位移變化，而是土樣本身不均勻的表觀特征對實驗結果的影響；圖6（b）灰度圖呈現深黑色，代表試樣沒有顯著位移，驗證了采用標準砂作為示蹤粒子對實驗結果的可靠性。通過各像素點位移標量值的統計計算，分別得到兩組實驗的多個位移增量均值，如表1 所示。數據顯示，覆砂情況下的位移增量均值小于不覆砂，兩者相差一個數量級。

表1 不覆砂和覆砂兩種情況下的位移增量均值

3.3 位移增量均值變化規律

圖8 為不同初始含水率下得到的位移增量均值隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，位移增量均值均呈現出先增大，后減小，最后趨于穩定的規律；初始含水率越高，位移增量均值達到穩定所需的時間越長。

圖8 位移增量均值隨時間變化曲線

在恒定的高溫環境下，試樣單位時間內吸收的熱量相等，在試樣尺寸較小的情況下，可認為含水率的下降與時間線性相關。將圖8 與土樣收縮曲線（圖9）對比，說明位移增量均值能很好地反映試樣的收縮過程。由此，位移增量均值穩定時刻對應的含水率即為縮限含水率，進一步地，位移增量均值在不同變化速率下能反映試樣收縮的軌跡，可用來確定粘土的液、塑限；另外，膨脹土受內部蒙脫石和伊利石等礦物成分的影響，表現出吸水膨脹、失水收縮的特點，礦物成分含量越高，土樣的自由膨脹率越高，脹縮態勢也越明顯，可通過土樣在失水過程中的位移軌跡來反映土的膨脹等級。

圖9 土樣收縮曲線

4 結束語

基于粒子圖像測速技術，研制了一種可用于測量土壤表面收縮軌跡的裝置。該裝置由圖像采集模塊、圖像存儲遠程控制模塊和圖像處理模塊三部分組成；裝置的核心結構（圖像采集模塊）由雙部件組成，試驗狀態下兩者相互分離；恒溫筒內壁通過熱輻射在槽腔內形成穩定溫度場，為試樣提供恒定熱源；裝置另配有人工光源、酒精燈等輔助組件，能夠在室內及現場環境下完成試驗過程；在試樣表面覆標準砂的情況下，計算結果的精度能滿足試驗要求；工業相機本身存在的圖像畸變對試驗結果的影響可以忽略；該裝置能較精確得到試樣表面的位移軌跡，試樣的位移增量均值隨時間呈現先增大，后減小，最后趨于穩定的規律；試樣初始含水率越高，位移增量均值達到穩定所需的時間越長；該裝置在試樣表面位移計算中能達到像素級的精度，但是本研究尚缺乏試驗支撐；已有研究表明粘性土的收縮曲線、膨脹土失水收縮開裂等與試樣表面位移變化密不可分，因此，可基于該裝置進行粘性土的液限、塑限、縮限確定以及膨脹土的膨脹等級判定等方面的工作。