[发明专利]一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，适用于煤矿井下及隧道、边坡用锚杆锚杆托盘载荷的非接触式测量法。

背景技术

锚杆托盘作为锚杆支护过程中的重要支护构件，能够使巷道围岩由二向应力状态恢复到三向应力状态，改善巷道围岩的受力状态，而且在支护过程中使锚杆中性点位置向巷道表面移动，改善锚杆杆体受力状态，提高锚杆的整体抗剪能力，有效测量锚杆托盘的载荷，分析锚杆托盘在预紧阶段和工作阶段过程中的应力分布和变形规律，对于揭示锚杆锚固机理，最大限度发挥锚杆作用具有重要意义。

目前锚杆托盘载荷测量方法包括液压枕测量法、应变片测量法、传统光学测量法；其中液压枕测量法最为常用，由于锚杆托盘、液压枕长期处于潮湿环境，锈蚀速度快，锈蚀情况严重，液压枕漏液测量随即停止，液压枕的安装存在偏心等问题，使得测量灵敏度低，精度差；应变片测量法虽然测量准确性有所提高，但是在锚杆托盘表面典型位置粘贴足够多的应变片难以实现，缺乏现场测量经验，现阶段仅限于实验室的测量和研究；传统光学测量法一般埋设、粘贴光纤传感器或利用测量杠杆测量，目前应用于具备隔振台的实验室内进行科学研究测量，难以适应煤矿井下复杂多变的环境，而且光学测量法对光源的要求比较高，一般要求使用激光作为光源，限制其推广使用。

发明内容

本发明提供一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，利用高分辨率单反数码相机拍摄得到的锚杆托盘变形前后图像，采用相关搜索方法，识别得到同一点，通过对比其坐标的变化，得到该点的应变，识别所有标志点坐标变化得到锚杆托盘的应变场，和锚杆托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，包括如下步骤：

第一步：锚杆托盘预处理，在锚杆托盘表面粘贴分布均匀的网格点形成定点或对其表面涂覆散斑形成散斑场，将锚杆托盘固定在巷道壁面上；

第二步：布设光源以及架设相机，在锚杆托盘表面的中轴线两侧分别布设第一光源和第二光源，第一光源、第二光源分别与中轴线呈60度角设置，在中轴线的两侧还分别布设有第一相机和第二相机，且第一相机布设在第一光源与锚杆托盘相反的一侧，第二相机布设在第二光源与锚杆托盘相反的一侧，第一相机、第二相机均与中轴线呈30度-60度角设置；

第三步：建立坐标系，同时建立四个坐标系，分别为OXYZ坐标系、oxyz坐标系、x′y′坐标系和HV坐标系，其中OXYZ坐标系为锚杆托盘的三维参考坐标系，以正对锚杆托盘表面左侧底角为坐标系原点，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，垂直锚杆托盘表面向外为Z轴正方向；oxyz坐标系为相机的三维坐标系，以相机中心为原点，向右为x轴正方向，向前为y轴正方向，向上为z轴正方向；x′y′坐标系为二维锚杆托盘像平面坐标系，以物像左侧底角为坐标系原点，向右为x′轴正方向，向上为y′轴正方向；HV坐标系为计算机上的二维锚杆托盘图像坐标系，原点、正方向与二维锚杆托盘像平面坐标系相同；

第四步：标定立体摄影系统，将计算机图像中由第一相机所拍摄到的标定区域S_1m的点(H_1m，V_1m)定义为第一中心点，然后将计算机图像中由第二相机所拍摄到的标定区域S_2m的点(H_2m，V_2m)定义为第二中心点，第一中心点、第二中心点对应于锚杆托盘上的同一点(Xm，Ym，Zm)，由已知序列(H_1m，V_1m)、(H_2m，V_2m)、(Xm，Ym，Zm)后采用非线性最小二乘方法来分别标定第一相机、第二相机的参数；其中，粘贴分布均匀的网格点形成定点的锚杆托盘，将左下角第一个网格标定区域定义为A₁，向右为A₂，以此类推；对于表面涂覆散斑形成散斑场的锚杆托盘，将左下角第一个1cm见方的方格为标定区域定义为B₁，向右第二个1cm见方方格为标定区域B₂，以此类推；

第五步：：搜索处理，从第一相机或第二相机最原始拍摄得到的计算机图像中选择一个图像标定区域S_1m或S_2m，在变形后的第一相机或第二相机拍摄得到的计算机图像上搜索与之强度分布最相似的图像子区S_1m′或S_2m′；